احتمالات ریشه‌ای DNA ساخت انسان

همه زندگی، هرچیز زنده تا به حال، بر اساس اطلاعات DNA ساخته شده است. آن به چه معناست؟ خب، این یعنی همان طور که زبان انگلیسی از حروف الفبا درست می‌شود، که وقتیبه کلمات تبدیل می‌شود، اجازه می‌دهد این داستان امروزبرایتان بازگو کنم، DNA از حروف ژنتیکی تشکیل یافته است کهوقتی به ژن‌ها تبدیل می‌شود، به سلولها اجازه تولید پروتئین‌ها را می‌دهد، رشته‌های از آمینواسید که به ساختار‌های پیچیده تبدیل شوند که وظیفه دارند به سلولاجازه دهند کاری را که می‌کند انجام دهد، و داستان‌هایی را تعریف کند، الفبای انگلیسی ۲۶ حرف دارد و الفبایژنتیکی چهار حرف دارد. تقریباً مشهور هستند. شاید اسم‌شانرا شنیده باشید. اغلب آن‌ها فقط به G، C، A و Tمربوط می‌شوند. اما قابل توجه است که تنوع حیات نتیجه چهار حروف ژنتیکی است. تصور کنید اگرحروف الفبای انگلیسی چهارحروف داشت چه شکلی می‌شد. چه نوع داستان‌هایی را می‌توانستیدبازگو کنید؟ اگر الفبای ژنتیک حروف بیشتری می‌داشت چه؟ زندگی با حروف بیشتر می‌توانستداستان‌های متفاوتی را بیان کند، شاید حتی جالب‌تراز یکی؟
در سال ۱۹۹۹، آزمایشگاه‌ام در موسسه تحقیقاتاسکریپ واقع در لاجولا، کالیفرنیا بر روی این سوال با هدفایجاد موجودات زنده شروع به کار با DNA متشکل از الفبای شش حرف ژنتیکی، چهار حرف طبیعی به اضافه دو حرف جدیددست ساز دیگر کرد. چنین ارگانیسمی اولین شکل کاملاً تغییر یافته حیات خواهد بودکه تا کنون ایجاد شده است. این نوعی از زندگی است که اطلاعات بیشتری نسبت به زندگیقبل از آن ذخیره می‌کند. می‌تواند پروتئین‌های جدید بسازد. پروتئین‌ها از بیش از ۲۰ آمینواسید معمولیتشکیل شده‌اند که معمولا در ساخت پروتئین‌ها استفاده می‌شود. این زندگی چه داستانی می‌تواند بازگو کند؟
ما با قدرت شیمی ترکیبیو زیست شناسی مولکولی و درست تحت ۲۰ سال کار، باکتری را با شش حرف DNA ساختیم. بگذارید به شما بگویم چطور انجامش دادیم.
تنها چیزی که باید از زیست‌شناسیدبیرستان خود به یاد داشته باشید این است که چهار حرف طبیعی به هم متصلمی‌شوند تا دو جفت باز را تشکیل دهند. جفت G با C و A با Tجفت می‌شود. بنابراین برای خلق حروف جدید، ما صدها نامزد جدید، حروفنامزد جدید، ساختیم و توانایی‌های آن‌ها را برای جفت انتخابیبا یکدیگر آزمایش کردیم. و بعد از حدود ۱۵ سال کار، ما دو نفر را پیدا کردیم که به خوبیبا هم جفت شده‌اند، حداقل در یک لوله آزمایش. آن‌ها اسامی پیچیده‌ای دارند، اما اجازه دهید همان X وY بنامیم.
کار بعدی پیدا کردن راهیبرای وارد کردن X و Y به سلول‌ها بود. و در نهایت متوجه شدیم که پروتئینی که چیزیشبیه در جلبک انجام می‌دهد در باکتری ما کار می‌کرد. پس آخرین چیزی که باید انجام دهیم این بودکه با X و Y آماده شده، نشان دهیم سلول‌ها می‌توانستند رشد کرده و تقسیم شوندو X و Y را DNA خود نگه دارند. هرچه تا آنوقت انجام دادیمطولانی‌تر از آن بود که امیدوار بودم -- من در واقع فردی واقعاً ناشکیبا هستم -- اما این، مهم‌ترین قدم، سریع‌تر از آنچهتصور می‌کردم، کار می‌کرد. اساسا فورا.
درهفته آخر در سال ۲۰۱۴، یک دانشجوی ارشد در آزمایشگاهمن با DNA شش حرفی باکتری رشد داد. از این فرصت استفاده می‌کنمتا شما را الان به آن‌ها معرفی کنم. این یک تصویر واقعی از آن‌هاست. این‌ها اولین موجودات نیمه سنتزی هستند.
پس باکتری با DNA شش حرف واقعاجالب است، درست است؟ خب، شاید بعضی از شماها هنوز تعجبمی‌کنید که چرا. بگذارید کمی بیشتر در مورد برخیاز انگیزه‌هایمان، هم مفهومی و هم عملی به شما بگویم. مفهوما، مردم در مورد زندگیفکر کرده‌اند، چه چیزی است، چه چیز باعث تفاوتشان ازچیز‌هایی است که زنده نیستند، از آنجایی که مردم فکر کرده بودند بسیاری از آن‌ها زندگی را کاملتعبیر کرده اند. و این به عنوان مدرک یک خالق تلقی می‌شود. موجودات زنده متفاوت هستندزیرا خداوند به آن‌ها حیات بخشیده است. دیگران به دنبال توضیح علمی بیشتری هستند، اما فکر کنم منصفانه است بگویم آن‌ها هنوز مولکول‌های زندگی راخاص در نظر می‌گیرند. یعنی تکامل آن‌ها را برایمیلیاردها سال بهینه سازی کرده است. خب؟ هر دیدگاهی که شما در نظر بگیرید، برای شیمی دان‌ها ممکن است که وارد شوند و قطعات جدیدی بسازند که در داخل و کنارمولکول‌هایطبیعی زندگی کار کنند بدون این که به نحوی واقعاً همه چیزرا خراب کنند. اما ما چقدر به طور کامل خلق شده‌ایمیا تکامل یافته‌ایم؟ مولکول‌های زندگی چقدر خاص هستند؟ پرسیدن این سوالات حتی غیر ممکن بوده است، چون هیچ چیزی برای مقایسه زندگی نداشته‌ایم. حالا برای اولین بار، کار ما نشان می‌دهد که شاید مولکول‌های زندگی این طورخاص نیستند. شاید زندگی همان طور که می‌دانیمتنها راهی که می‌تواند باشد نیست. شاید ما تنها راه حل نیستیمشاید حتی بهترین راه حل هم نباشیم، فقط یک راه حل.
این سوالات مسائل اساسی در مورد زندگیرا حل می‌کنند، اما شایدکمی محرمانه به نظر برسند. پس انگیزه‌های عملی چطور؟ خب، ما می‌خواهیم کشف کنیم کهچه نوع داستان‌های جدید زندگی با یک دایره بزرگ لغاتمی‌تواند به ما بگوید، و به یاد دارید، داستان‌های اینجاپروتئینهایی هستند که سلول تولید می‌کند و عملکرد‌هایی که دارند. بنابراین چه نوع پروتئین‌های جدیدبا انواع جدیدی از عملکردها می‌تواند موجودات زنده ما را ایجاد کندو شاید حتی استفاده کند؟ خب، ما یه سری چیزها رو مد نظر داریم.
اول این که سلول‌ها را برای ساختنپروتئین‌ها برای استفاده مان، به دست آوریم. پروتئیها امروزه برای طیف وسیعی از کاربرد‌های مختلف مورد استفادهقرار می‌گیرند. از موادی که سربازان را از آسیبمحافظت می‌کند تا دستگاه‌هایی شناسایی‌کننده ترکیبات خطرناک، اما حداقل برای من، هیجان انگیزترین برنامه، داروهایپروتئینی است. با وجود نسبتا جدید بودن، دارو‌های پروتئینی در پزشکیانقلابی ایجاد کرده‌اند. و، برای مثال، انسولین یک پروتئین است. احتمالاً راجع به آن شنیده‌اید، به عنوان دارویی تولید شده که کاملا نحوه تدوای دیابت را تغییر می‌دهد. اما مشکل این است که ساختپروتئین‌ها واقعاً سخت هستند و تنها راه عملی رسیدن به آن‌ها گرفتنسلول‌هایی است که آن را برای شما بسازند. البته، با سلول‌های طبیعی، شما فقط می‌توانید آن‌ها را باآمینو اسید‌های طبیعی تولید کنید، و خب ویژگیهایی که پروتئیهامی‌توانند داشته باشند، برنامه‌های کاربردی را کهمی‌توان برایشان توسعه داد، باید محدود به ماهیت آنآمینو اسید‌هایی باشد که پروتئین‌ها از آن ساخته شدند. خب اینجا هستند، ۲۰ آمینو اسید معمولی که به هم متصلمی‌شوند تا پروتئین‌ها را بسازند، و فکر می‌کنم می‌توانید ببینید، متفاوت به نظر نمی‌رسند. آن‌ها برای بسیاری از وظایفمختلف عمل نمی‌کنند. باعث نمی‌شوند که بسیاری از وظایفمختلف موجود باشند. آن را با مولکول‌های کوچکی که شیمیدان‌هایسنتزی به عنوان دارو می‌سازند مقایسه کنید. حال، آن‌ها خیلی ساده‌تر از پروتئین‌ها هستند، اما به طور معمول از طیفوسیعی از چیز‌های گوناگون ساخته می‌شوند. در مورد جزئیات مولکولی نگران نباشید. اما فکر می‌کنم می‌توانید ببینیدکه چقدر متفاوت‌اند. و در حقیقت، تفاوتشان‌ باعث می‌شود کهدارو‌های بسیار مناسبی برای درمان بیماری‌های مختلف باشند. بنابراین بسیار تحریک کننده است که به اینفکر کنید که چه نوع دارو‌های پروتئینی جدید را می‌توانستید توسعه دهید اگر می‌شدپروتئین‌ها را از چیز‌های گوناگون بسازید.
پس می‌توانیم ارگانیسم نیمه‌سنتزیمان‌را برای ساخت پروتیینی که شامل اسید‌های آمینه جدیدو متفاوت هستند، به دست آوریم شاید آمینو اسید‌هایی انتخاب شدندتا پروتئین‌ها با ویژگی یا عملکرد مناسب ارائه شوند؟ برای مثال، بسیاری از پروتئین‌ها وقتی به افراد تزریق می‌شود پایدار نیستند. به سرعت تجزیه یا حذف می‌شوند، و باعث می‌شود که آن‌ها دارو نباشند. چه می‌شد اگرپروتئین‌هارا با اسید‌های آمینه جدید با چیز‌هایی متصل به آن‌ها می‌شد بسازیم که آن‌ها را از محیطشان محافظت کند، که آن‌ها را از تجزیه شدن یا حذفمحافظت می‌کند، تا بتوانند داروهایبهتری باشند؟ می‌توانیم پروتئین‌ها را با انگشتانکوچک وصل شده که به طور خاص به مولکول‌های دیگروصل شوند، بسازیم؟ مولکول‌های کوچک زیادی در طولتوسعه به عنوان دارو شکست خوردند چون آن‌ها به اندازه کافی خاص نبودند که هدف خود را در محیط پیچیدهبدن انسان پیدا کنند. پس می‌توانیم آن مولکول‌ها را بگیریم وتبدیله آمینواسید‌های جدید کنیم که وقتی در مشایعت یک پروتئینقرار می‌گیرند، توسط این پروتئین به هدف خود هدایت می‌شوند؟
من شرکت بیوتکنولوژی سینتوراکس راتاسیس کردم. مخفف یک ارگانیسم سنتزی با یک X در پایان به این دلیل که کاریکه با شرکت‌های بیوتکنولوژی انجام می‌دهید.
(خنده حضار)
سینتوراکس همسو با آزمایشگاه من کار می‌کند، و آن‌ها به پروتئینی علاقه دارند کهیک گیرنده خاص را در سطح سلول‌های انسان تشخیص می‌دهد. اما مشکل این است که یک گیرنده دیگر را بر روی سطح همان سلول‌ها تشخیص می‌دهد، و آن را سمی می‌کند. بنابراین آیا می‌توانیم یک نوعپروتئین تولید کنیم که در آن بخشی که با آن گیرنده بد دومتعامل دارد پوشش داده می‌شود، با چیزی شبیه به یک چتر بزرگ مسدود می‌شود تا پروتئین تنها با اولین گیرنده خوبتعامل داشته باشد؟ انجام این کار واقعاً دشوار یا غیرممکن خواهد بود که با اسیدهایآمینه معمولی انجام شود، اما با آمینو اسیدها که به طور خاصبرای این هدف طراحی شده اند خیر.
پس به کارگیری سلول‌های نیمه سنتزی برایعمل به عنوان کارخانجات کوچک تولید دارو‌های پروتئینی بهتر واقعاً تنها کاربرد بالقوه جالب نیست،چون یادتان باشد پروتئین‌ها هستند که به سلول‌ها اجازهمی‌دهند کارشان را انجام دهند. اگر سلول‌هایی داریم که پروتئین‌های جدیدرا با عملکرد جدید می‌سازند، می‌توانیم وادارشان به انجام کار‌هایی که سلول‌های طبیعی انجام نمی‌دهند، کنیم؟ به عنوان مثال، می‌توانیمارگانیسم‌های نیمه سنتزی را ایجاد کنیم که وقتی به یک فرد تزریقمی‌شوند سلول‌های سرطانی را جستجو می‌کنند و زمانی که آن‌ها را پیدا می‌کنند، با ترشح پروتئین سمی آن‌ها را بکشد؟ آیا می‌توان باکتری‌هایی ساختکه انواع مختلفی ازنفت را بخورند شاید برای پاک سازی نشت نفتی؟ این‌ها تنها چند نوع داستانهایی هستند که می‌خواهیم ببینیم زندگی با دایره لغات بزرگ می‌تواند به شما بگوید.
پس، به نظر عالی است. درست است؟ تلقیح ارگانیسم‌های نیمه سنتزی به افراد، ریختن میلیون‌ها و میلیون‌ها گالنباکتریمان در اقیانوس یا بیرون از ساحل محبوب شما؟ وای، یک دقیقه صبر کنید، واقعاً ترسناک به نظر می‌آید. درواقع این دایناسور واقعاً ترسناک است. اما آن را به یاد می‌آورم: ارگانیسم‌های نیمه سنتزیمان به منظور بقا، لازم است با مواد اولیه شیمیایی X و Yتغذیه شوند. X و Y کاملاً متفاوت از هر چیزی هستند کهدر طبیعت وجود دارد. سلول‌ها آن‌ها را ندارندیا توانایی ایجاد آن‌ها را داشته باشند. پس وقتی آن‌ها را آماده می‌کنیم، وقتی آن‌ها را در محیط کنترل شدهآزمایشگاه پرورش می‌دهیم، می‌توانیم غذای غیرطبیعی زیادیبه آن‌ها بدهیم. پس، زمانی که آن‌ها را در یک فرد یاخارج از ساحل مستقر می‌کنیم جایی که آن‌ها دیگر دسترسی به غذایخاص ندارند، آن‌ها می‌توانند کمی رشد کنند، شاید فقط بهاندازه کافی برای انجام، برخی از عملکرد‌های مورد نظر، زنده بمانند. اما بعد شروع به غذا نخوردن می‌کنند. شروع به گرسنگی می‌کنند. از گرسنگی می‌میرند وناپدید می‌شوند. پس نه تنها جان می‌گیریم تاداستان‌های جدید تعریف کنیم، به زندگی می‌گوییم که کی و کجا آنداستان‌ها را بازگو کند.
در ابتدای این سخنرانی، به شما گفتم کهدر ۲۰۱۴ ایجاد ارگانیسم‌های نیمه سنتزیرا گزارش کردیم که اطلاعات بیشتری، X و Y را در DNA خود ذخیره می‌کنند. اما از تمام انگیزه‌هایی که راجع به نیازسلول‌ها تا از X و Y برای ساختن پروتئین‌ها استفاده کندصحبت کردیم، پس شروع به کار بر روی آن کردیم. در عرض چند سال، نشان دادیم که سلول‌هامی‌توانند DNA را با X و Y بگیرند و آن را در RNA، کپی DNA کپی کنند. در اواخر سال گذشته. نشان دادیم که می‌توانند از X و Yبرای ساختن پروتئین‌ها استفاده کنند اینجا آن‌ها ستاره‌های نمایش هستند، که اولین موجودات زنده پرکاربردنیمه سنتزی هستند.
(تشویق حضار)
این سلول‌ها سبز هستند چون پروتئینیتولید می‌کنند که به رنگ سبز است، پروتئین خیلی معروفی استدر واقع، از ستاره دریایی که مردم زیادی در فرم طبیعیآن استفاده می‌کنند زیرا به راحتی می‌توان دید که شما آن را ساختید. اما در هر یک از این پروتئین‌ها، آمینو اسید‌های جدیدی وجود دارد که زندگیطبیعی پروتئین‌ها را نمی‌توان با آن ساخت.
هر سلول زنده، هر سلول زنده تا به حال، هر یک از پروتئین‌ها را با استفاده از الفبای ژنتیکی چهارحرفی ساخته است. این سلول‌ها زنده و در حال رشدو تولید پروتئین با الفبای شش حرفی هستند. این‌ها شکل جدید زندگی هستند. این شکل نیمه سنتزی زندگی است.
خب آینده چطور؟ آزمایشگاه من در حال حاضر مشغول گسترشالفبای ژنتیکی سلول‌های دیگر، از جمله سلول‌های انسان است. و آماده‌ایم که روی ارگانیسم‌هایپیچیده بیشتری کار کنیم. به کرم‌های نیمه سنتزی فکر کنید.
آخرین چیزی که می‌خواهم به شما بگویم. مهم‌ترین چیزی است که می‌خواهمبه شما بگویم، این است که زمان زندگی نیمه سنتزی اینجاست.
سپاسگذارم.
(تشویق حضار)
کریس اندرسون: فلوید، واقعا قابل توجه است. من فقط می‌خواستم از تو بپرسم، مفاهیم کاری شما برای این که در مورد احتمال زندگی در جهان، در جا‌های دیگر،  فکر کنیم، چیست؟ به نظر می‌رسد که این خیلی از زندگی است، یا خیلی از مفروضات ما براساس این واقعیت است که البته، آن باید DNA باشند، اما فضای امکان مولکول‌های خود تکرار شونده بسیار بزرگ‌تر از DNA، حتی DNAبا شش حرف است؟
فلوید رومسبرگ: کاملا، فکر می‌کنمکه درست است. و فکر می‌کنم آنچه که کار مانشان داده است، همان طور که اشاره کردم، این است کهاین تعصب اغلب وجود داشته است که به نوعی ما کامل هستیم. ما بهینه هستیم. خداوند اینگونهما را آفرید. تکامل ما را به این شکل تکمیل کرد. ما مولکول‌هایی ساخته ایم که درستکنار عناصر طبیعی کار می‌کنند. من فکر می‌کنم که آن پیشنهاد می‌دهدهر مولکولی که از قوانین اساسی شیمی و فیزیکپیروی کند و آنها را بهینه کنید تا کار‌هایی را انجام دهند که مولکول‌های طبیعی زندگی می‌کنند. در آنجا هیچ جادویی وجود ندارد. فکر می‌کنم که نشان می‌دهد که زندگی می‌تواند به طرق مختلف تکامل یابد. شاید مشابه ما با انواع دیگر DNA، شاید همه چیز اصلاً بدون DNA باشد.
ک ا: منظورم، به عقیده شما، چقدر ممکن است که احتمال این فضاوجود داشته باشد؟ آیا حتی می‌دانیم؟ آیا اکثر چیزها شبیهیک مولکول DNA هستند، یا چیزی کاملاً متفاوت است کههنوزهم می‌تواند خود تولید کننده و بالقوه موجودات زنده را ایجاد کند؟
ف ر: به نظر من کهاگر زندگی جدیدی پیدا کنیم، شاید حتی آن را تشخیص ندهیم.
ک ا: بنابراین این وسواس با جستجویسیارات قفل‌های طلایی دقیقاً در مکان مناسب با آب و هر چیز دیگر، شاید، یک فرض بسیار کوته بینانه است.
ف ر: خب، اگر کسی را برای همصحبتیمی‌خواهی، بعد شاید هم نه، اما فکر می‌کنم که اگر شما فقطدنبال هر شکلی از زندگی هستید، فکر می‌کنم درست است. فکر می‌کنم کهدنبال زندگی زیر نور چراغ می‌گردی.
ک ا: ممنون که ما را متحیر کردید. خیلی متشکرم، فلوید.
(تشویق حضار)