یک پلتفرم جدید که در موسسه تحقیقاتی اسکریپس توسعه داده شده است، تکامل سریع و مقیاس‌پذیر پروتئین را امکان‌پذیر می‌کند – که دریچه‌ای به سوی درمان‌ها و تشخیص‌های جدید و پیش‌بینی جهش‌های مقاومتی در بسیاری از حوزه‌های بیماری می‌گشاید.

به گزارش پایان تیتر به نقل از ساینس دیلی، محققان اسکریپس T7-ORACLE را ایجاد کرده‌اند، ابزاری قدرتمند و جدید که سرعت تکامل را افزایش می‌دهد و به دانشمندان اجازه می‌دهد پروتئین‌ها را هزاران برابر سریع‌تر از طبیعت طراحی و بهبود بخشند. با استفاده از باکتری‌های مهندسی‌شده و یک سیستم تکثیر ویروسی اصلاح‌شده، این روش می‌تواند نسخه‌های جدید پروتئین را در عرض چند روز به جای چند ماه ایجاد کند. در آزمایش‌ها، این روش به سرعت آنزیم‌هایی تولید کرد که می‌توانند در برابر دوزهای بالای آنتی‌بیوتیک‌ها مقاومت کنند و نشان می‌دهد که چگونه می‌تواند به توسعه داروهای بهتر، درمان‌های سرطان و سایر پیشرفت‌ها بسیار سریع‌تر از همیشه کمک کند.

در پزشکی و بیوتکنولوژی، توانایی تکامل پروتئین‌ها با عملکردهای جدید یا بهبود یافته بسیار مهم است، اما روش‌های فعلی اغلب کند و پر زحمت هستند. اکنون، دانشمندان Scripps Research یک پلتفرم زیست‌شناسی مصنوعی توسعه داده‌اند که خود تکامل را تسریع می‌کند — محققان را قادر می‌سازد پروتئین‌هایی با خواص مفید و جدید را هزاران برابر سریع‌تر از طبیعت تکامل دهند. این سیستم که T7-ORACLE نام دارد، در ۷ آگوست ۲۰۲۵ در مجله Science شرح داده شد و نشان‌دهنده پیشرفتی در چگونگی مهندسی پروتئین‌های درمانی برای سرطان، تخریب عصبی و اساساً هر بیماری دیگری توسط محققان است.

پیت شولتز، نویسنده ارشد مشترک، رئیس و مدیرعامل Scripps Research، جایی که او همچنین کرسی ریاست L.S. “Sam” Skaggs را در اختیار دارد، می‌گوید: “این مانند دادن یک دکمه سریع به تکامل است. اکنون می‌توانید پروتئین‌ها را به طور مداوم و دقیق در داخل سلول‌ها تکامل دهید بدون اینکه به ژنوم سلول آسیب برسانید یا نیاز به مراحل پر زحمت داشته باشید.”

تکامل هدایت‌شده یک فرآیند آزمایشگاهی است که شامل معرفی جهش‌ها و انتخاب انواع با عملکرد بهبود یافته در چندین چرخه است. از این روش برای تنظیم پروتئین‌ها با خواص مطلوب، مانند آنتی‌بادی‌های بسیار انتخابی و با میل ترکیبی بالا، آنزیم‌هایی با ویژگی‌های خاص یا خواص کاتالیزوری جدید، یا برای بررسی ظهور جهش‌های مقاومتی در اهداف دارویی استفاده می‌شود. با این حال، روش‌های سنتی اغلب نیاز به دورهای مکرر دستکاری و آزمایش DNA دارند که هر دور یک هفته یا بیشتر طول می‌کشد. سیستم‌های تکامل مداوم – که در آن پروتئین‌ها در داخل سلول‌های زنده بدون دخالت دستی تکامل می‌یابند – با فعال کردن جهش و انتخاب همزمان با هر دور تقسیم سلولی (تقریباً ۲۰ دقیقه برای باکتری‌ها) قصد دارند این فرآیند را ساده کنند. اما رویکردهای موجود به دلیل پیچیدگی فنی یا نرخ جهش متوسط ​​​​محدود شده‌اند.

T7-ORACLE با مهندسی باکتری E. coli – یک ارگانیسم مدل استاندارد در زیست‌شناسی مولکولی – برای میزبانی یک سیستم تکثیر DNA مصنوعی دوم مشتق شده از باکتریوفاژ T7، ویروسی که باکتری‌ها را آلوده می‌کند و به دلیل سیستم تکثیر ساده و کارآمد خود به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است، از این تنگناها عبور می‌کند. T7-ORACLE امکان جهش‌های بیش از حد مداوم و تکامل سریع ماکرومولکول‌های زیستی را فراهم می‌کند و به گونه‌ای طراحی شده است که به طور گسترده برای بسیاری از اهداف پروتئینی و چالش‌های بیولوژیکی قابل اجرا باشد. از نظر مفهومی، T7-ORACLE بر اساس سیستم‌های تکثیر متعامد موجود – به این معنی که آنها جداگانه از ماشین‌آلات خود سلول عمل می‌کنند – مانند OrthoRep در Saccharomyces cerevisiae (مخمر نانوا) و EcORep در E. coli ساخته شده و تلاش‌های انجام شده بر روی آنها را گسترش می‌دهد. در مقایسه با این سیستم‌ها، T7-ORACLE از ترکیبی از جهش‌زایی بالا، رشد سریع، راندمان بالای تبدیل و سهولت ادغام میزبان E. coli و پلاسمید تکثیر حلقوی در گردش‌های کاری استاندارد زیست‌شناسی مولکولی بهره می‌برد.

سیستم متعامد T-7 ORACLE فقط DNA پلاسمید (قطعات کوچک و دایره‌ای از مواد ژنتیکی) را هدف قرار می‌دهد و ژنوم میزبان سلول را دست نخورده باقی می‌گذارد. محققان با مهندسی پلیمراز T7 DNA (آنزیمی ویروسی که DNA را تکثیر می‌کند) به گونه‌ای که مستعد خطا باشد، جهش‌هایی را با سرعتی ۱۰۰۰۰۰ برابر بیشتر از حالت عادی و بدون آسیب رساندن به سلول‌های میزبان، در ژن‌های هدف ایجاد کردند.

کریستین دیرکس، نویسنده ارشد و استادیار شیمی در موسسه تحقیقاتی اسکریپس، می‌گوید: “این سیستم نشان‌دهنده پیشرفت بزرگی در تکامل مداوم است. به جای یک دور تکامل در هفته، هر بار که سلول تقسیم می‌شود، یک دور تکامل وجود دارد – بنابراین واقعاً روند را تسریع می‌کند.”

برای نشان دادن قدرت T7-ORACLE، تیم تحقیقاتی یک ژن مقاومت آنتی‌بیوتیکی رایج، TEM-1 β-lactamase، را وارد سیستم کردند و سلول‌های E. coli را در معرض دوزهای فزاینده آنتی‌بیوتیک‌های مختلف قرار دادند. در کمتر از یک هفته، این سیستم نسخه‌هایی از آنزیم را تکامل داد که می‌توانستند در برابر سطوح آنتی‌بیوتیک تا ۵۰۰۰ برابر بیشتر از نسخه اصلی مقاومت کنند. این اثبات مفهوم نه تنها سرعت و دقت T7-ORACLE، بلکه اهمیت آن را در دنیای واقعی با تکرار چگونگی ایجاد مقاومت در پاسخ به آنتی‌بیوتیک‌ها نشان داد.

دیرکس خاطرنشان می‌کند: “بخش شگفت‌انگیز این بود که جهش‌هایی که دیدیم چقدر با جهش‌های مقاومت در دنیای واقعی که در محیط‌های بالینی یافت می‌شوند، مطابقت داشتند. در برخی موارد، ما ترکیبات جدیدی را دیدیم که حتی بهتر از ترکیباتی که در یک کلینیک می‌بینید، عمل می‌کردند.”

اما دیرکس تأکید می‌کند که این مطالعه به خودی خود بر مقاومت آنتی‌بیوتیکی متمرکز نیست.

او توضیح می‌دهد: “این مقاله‌ای در مورد بتا-لاکتاماز TEM-1 نیست. آن ژن فقط یک معیار به خوبی توصیف شده برای نشان دادن نحوه عملکرد سیستم بود. آنچه مهم است این است که اکنون می‌توانیم تقریباً هر پروتئینی، مانند اهداف دارویی سرطان و آنزیم‌های درمانی را در عرض چند روز به جای چند ماه تکامل دهیم.”

پتانسیل گسترده‌تر T7-ORACLE در سازگاری آن به عنوان بستری برای مهندسی پروتئین نهفته است. اگرچه این سیستم در E. coli تعبیه شده است، اما این باکتری در درجه اول به عنوان مجرایی برای تکامل مداوم عمل می‌کند. دانشمندان می‌توانند ژن‌هایی از انسان، ویروس یا منابع دیگر را به پلاسمیدها وارد کنند که سپس به سلول‌های E. coli وارد می‌شوند. T7-ORACLE این ژن‌ها را جهش می‌دهد و پروتئین‌های متنوعی تولید می‌کند که می‌توانند برای عملکرد بهبود یافته غربالگری یا انتخاب شوند. از آنجا که E. coli به راحتی رشد می‌کند و به طور گسترده در آزمایشگاه‌ها استفاده می‌شود، یک سیستم راحت و مقیاس‌پذیر برای تکامل تقریباً هر پروتئین مورد نظر فراهم می‌کند.

این می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا با سرعت بیشتری آنتی‌بادی‌هایی را برای هدف قرار دادن سرطان‌های خاص تکامل دهند، آنزیم‌های درمانی مؤثرتری را تکامل دهند و پروتئازهایی را طراحی کنند که پروتئین‌های دخیل در سرطان و بیماری‌های عصبی را هدف قرار دهند.

دیِرکس می‌گوید: “نکته هیجان‌انگیز این است که به یک بیماری یا یک نوع پروتئین محدود نمی‌شود. از آنجا که این سیستم قابل تنظیم است، می‌توانید هر ژنی را وارد کنید و آن را به سمت هر عملکردی که نیاز دارید تکامل دهید.”

علاوه بر این، T7-ORACLE با کشت‌های استاندارد E. coli و گردش‌های کاری آزمایشگاهی پرکاربرد کار می‌کند و از پروتکل‌های پیچیده مورد نیاز سایر سیستم‌های تکامل مداوم اجتناب می‌کند.

دیِرکس می‌افزاید: «نکته اصلی که این سیستم را متمایز می‌کند، سهولت پیاده‌سازی آن است. هیچ تجهیزات یا تخصص تخصصی لازم نیست. اگر قبلاً با E. coli کار کرده‌اید، احتمالاً می‌توانید با حداقل تنظیمات از این سیستم استفاده کنید.»

T7-ORACLE منعکس کننده هدف گسترده‌تر شولتز است: بازسازی فرآیندهای کلیدی بیولوژیکی – مانند تکثیر DNA، رونویسی RNA و ترجمه پروتئین – به طوری که آنها مستقل از سلول میزبان عمل کنند. این جداسازی به دانشمندان اجازه می‌دهد تا این فرآیندها را بدون ایجاد اختلال در فعالیت طبیعی سلولی، دوباره برنامه‌ریزی کنند. با جدا کردن فرآیندهای اساسی از ژنوم، ابزارهایی مانند T7-ORACLE به پیشرفت زیست‌شناسی مصنوعی کمک می‌کنند.

دیِرکس می‌گوید: “در آینده، ما علاقه‌مند به استفاده از این سیستم برای تکامل پلیمرازهایی هستیم که می‌توانند اسیدهای نوکلئیک کاملاً غیرطبیعی را تکثیر کنند: مولکول‌های مصنوعی که شبیه DNA و RNA هستند اما خواص شیمیایی جدیدی دارند. این امر امکاناتی را در ژنومیک مصنوعی ایجاد می‌کند که ما تازه شروع به کشف آنها کرده‌ایم.”

در حال حاضر، تیم تحقیقاتی بر تکامل آنزیم‌های مشتق شده از انسان برای استفاده درمانی و بر تنظیم پروتئازها برای تشخیص توالی‌های پروتئینی خاص مرتبط با سرطان متمرکز است.

شولتز می‌گوید: “رویکرد T7-ORACLE بهترین‌های هر دو جهان را با هم ادغام می‌کند. اکنون می‌توانیم طراحی منطقی پروتئین را با تکامل مداوم ترکیب کنیم تا مولکول‌های عملکردی را کارآمدتر از همیشه کشف کنیم.”

مترجم : مرتضی کوکبی

انتهای پیام/