5 نوآوری جالب زیست فناوری در سال 2019
- منتشر شده در دوشنبه, 14 بهمن 1398 07:34
طی سال 2019 تحقیقات گسترده‌ای در زمینه موضوعات پربحث حوزه زیست‌فناوری انجام گرفت که از جمله آن‌ها می‌توان به مطالعه فیزیولوژی با کمک تراشه‌ها، ویرایش ژنوم با کمک فناوری CRISPR/Cas، میزبانان تولید زیستی غیرمدل، موجودات زیست‌الکترونیکی و رآکتورهای زیستی کوچک‌شده اشاره کرد.
برای مثال می‌توان به پیشرفت تراشه‌هایی که در مطالعه فیزیولوژی استفاده می‌شد، اشاره نمود. هم اکنون از این تراشه‌ها می‌توان برای بررسی عملکرد یک اندام کامل استفاده نمود. علاوه بر این، این تراشه‌ها عمومیت بسیار زیادی پیدا کرده و دیگر محدود به بافت یا اندام‌های خاصی نیستند.
همچنین، همانند روند سال‌های گذشته، فناوری CRISPR/Cas همچنان در حال پیشرفت بوده و پروتئین‌های Cas تازه‌ای کشف شده و در مسیر آماده‌سازی برای استفاده در زمینه زیست‌فناوری قرار گرفته‌اند. در این زمینه می‌توان به دستکاری ژن‌های جنین‌های دوقلوی انسان، با هدف مقاوم‌سازی در برابر ویروس HIV، توسط محقق چینی اشاره کرد که بازخوردهای زیادی را به همراه داشت.
به نظر می‌رسد سال 2019 سال پرباری در زمینه پیشرفت تولیدات مرتبط به زیست‌فناوری بوده است. از جمله پیشرفت‌هایی که در این مسیر صورت گرفته است، می‌توان به استفاده از میزبانان تولید زیستی غیرمدل اشاره نمود. با توجه به محدودیت موجودات مدل، طی سالی که گذشت، تحقیقات زیادی در زمینه استفاده از موجودات دیگر برای تولید بهینه‌تر محصولات پیچیده‌تر صورت گرفته است.
با ظهور دانش‌های نوینی همانند زیست‌سازه‌شناسی، مباحث جدیدی در زیست‌فناوری گشوده شده است. برای مثال، طی سال 2019، خبر تولید قارچ زیست‌الکترونیکی و مخمر زیست هیبریدی منتشر شد. کاربرد زیست‌سازه‌شناسی در زیست‌فناوری از مباحث پربحث سال‌های اخیر به شمار می‌آید.
درجهت تلاش برای کوچک‌سازی دستگاه‌ها (همانند استفاده از تراشه‌ها)، برای رآکتورهای زیستی نیز این مسئله مطرح شده است. توسعه این رآکتورها می‌توانند تاثیر اقتصادی بزرگی بر کارخانه‌های مرتبط با صنعت فرآورش زیستی داشته باشد. در این مطلب، نگاهی دقیق‌تر بر این پژوهش‌های نوین و تاثیرگذار خواهیم داشت.
استفاده از تراشه‌ها در مطالعه فیزیولوژی با کمک زیست‌فناوری
طی سالی که گذشت، تراشه‌هایی که در سال‌های اخیر برای مطالعه فرآیندهای زیستی به کار برده می‌شدند، به اندازه‌ای توسعه یافتند که اکنون برای مطالعه عملکرد کل یک اندام می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند.
این مدل‌ها که در مقیاس میکرو، فیزیولوژی بدن انسان را شبیه‌سازی می‌کنند، برای شخصی‌سازی تجویز داروها و دوزبندی، مطالعه روند پیشرفت بیماری و حتی مدل‌سازی پروسه‌های بنیادی که در آن سلول‌های اولیه رشد کرده و به صورت بافت‌های کاربردی درمی‌آیند، مورد استفاده قرار می‌گیرند.
تراشه‌هایی که کل یک اندام را شبیه‌سازی می‌کنند، به دلیل اندازه کوچک، قابلیت تنظیم شدن و قابلیت ترکیب با یکدیگر، فناوری‌های محبوبی برای مطالعه رفتار بافت‌ها و اندام‌ها در خارج از بدن محسوب می‌شوند. استفاده از تراشه‌ها به اندازه‌ای محبوبیت پیدا کرده است که به همه روش‌های مطالعه در شرایط داخل محیط زنده (in vivo) گسترش پیدا کرده و دیگر منحصر به مطالعه و پژوهش در زمینه بافت‌های مرتبط به اندام خاصی نیست.
به طور کلی، از تراشه‌ها با هدف بررسی چگونگی عملکرد سیستم‌های زنده استفاده می‌شود. برای مثال، تراشه‌های مرتبط به التهاب با هدف بررسی این موضوع که چگونه نوتروفیل‌ها طی پروسه‌ی حرکت هجومی (Swarming) تورم را آغاز می‌کنند و همچنین در دستگاه‌های تشخیصی در بالین بیمار، برای تشخیص عفونت در قربانیان سوختگی استفاده می‌شود. (هر چند که دستگاه ایمنی همانند کلیه یا قلب، «اندام» محسوب نمی‌شود) دیگر پروسه‌های فیزیولوژیکی فراتر از چگونگی عملکرد اندام‌ها شامل لخته شدن خون در قلب یا رگ‌ها یا پیری نیز می‌تواند با کمک این تراشه‌ها مورد بررسی و تحقیقات بیش‌تر قرار گیرد.
گسترش تنوع روش‌های ویرایش ژنوم در زیست‌فناوری
در ادامه سال‌های اخیر و توسعه روز افزون فناوری CRIPR/Cas، در سال 2019 نیز انواع جدیدی از پروتئین Cas کشف و رونمایی شد. شناسایی تنوع بیش‌تر از پروتئین Cas می‌تواند به افزایش بازدهی، دقت و اختصاصیت این فناوری بینجامد.
CRISPR (مخففی برای Clustered Regulatory Interspaced Short Palindromic Repeats) خانواده‌ای از توالی‌های DNA است که در ژنوم پروکاریوت‌ها یافت می‌شود. این توالی‌ها از DNAهای قطعه‌ای از باکتریوفاژهایی که قبلاً پروکاریوت‌ها را آلوده کرده‌اند، مشتق شده است و برای شناسایی و تخریب DNA فاژهای مشابه در عفونت‌های بعدی استفاده می‌شود. بنابراین این سیستم نقش مهمی در دستگاه دفاعی پروکاریوت در برابر ویروس‌ها داراست.
پروتئین‌های Cas آنزیم‌هایی هستند که از توالی‌های CRISPR به عنوان راهنماهایی برای تشخیص و برش رشته‌های مخصوصی از DNA که مکمل توالی CRISPR هستند، استفاده می‌کند. آنزیم‌های Cas همراه با توالی CRISPR پایه فناوری CRISPR/Cas محسوب می‌شود که برای ویرایش ژن‌ها در موجودات مختلف مورد استفاده قرار گرفته‌اند.
با وجود این که CRISPR اولین فناوری توسعه‌یافته برای دستکاری ژنوم موجود زنده نبود، خیلی زود به جهانی‌ترین فناوری تبدیل شد و با توجه به قابل تنظیم بودن، راحتی استفاده و جاگذاری آن، به نظر نمی‌رسد که ویرایش ژنوم با کمک فناوری CRISPR تنها یک تب زودگذر باشد. تنها در سال 2018، مقالات زیادی در زمینه استفاده از CRISPR برای ویرایش ژنوم انگل‌ها، محصولات کشاورزی، سیانوباکتری‌ها و ریزموجودات مرتبط به صنعت، سلول‌های توموری و … منتشر شده است.
نویسنده این دیدگاه، مت پاولویچ، معتقد است که پیشرفت قابل ملاحظه‌ای که در فناوری CRISPR/Cas وجود دارد، ناشی از افزایش تعداد نمونه‌هایی که توسط آن ویرایش شده‌اند،نمی‌باشد بلکه اصلاحاتی است که بر روی سیستم اجرا شده تا استفاده از آن را به فراتر از سیستم دفاعی باکتریایی ارتقا دهد.
اولین پروتئین Cas که در ویرایش ژنوم خارجی استفاده شد، پروتئین Cas9 نام داشت که از باکتری Streptococcus pyogenes استخراج شده بود. اما در هفت سال اخیر ده‌ها مورد ژن مشابه به Cas9 مورد استفاده قرار گرفته‌اند که از ریزموجودات دیگر استخراج شده‌اند و هر یک از این ژن‌ها در شرایط متفاوتی و برای اهداف مختلفی (سرعت، اختصاصیت و …) استفاده می‌شود. همانند بسیاری از پروتئین‌های دیگر، Cas9 می‌تواند به گونه‌ای تغییر داده شود که پروتئین ایجاد شده هرگز در طبیعت دیده نشده است ولی کاملاً برای تغییر یک توالی DNA مناسب است.
دنیای CRISPR/Cas منحصر به Cas9 نیست. انواع دیگری از Cas مانند Cas12a (که با نام cpf1 شناخته می‌شود) در سال‌های اخیر شناخته شده‌اند و برای ویرایش ژنوم مورد استفاده قرار می‌گیرند در حالی که Cas13 (که در گذشته C2c2 نامیده می‌شد) RNA را به جای DNA دستکاری می‌کند. پروتئین Cas14 نیز در اواخر سال 2018 شناخته شد، اما هنوز استفاده نشده‌است. این تنوع نشان می‌دهد که سرعت کشف ساز و کارهای مولکولی مرتبط به CRISPR اگر افزایش نیافته باشد، کاهش هم پیدا نکرده است.
استفاده از میزبانان غیرمدل در تولیدات زیستی مرتبط با زیست‌فناوری
یکی از تحولات مهمی که در زمینه تولیدات زیستی در سال اخیر رخ داد، استفاده از گونه‌های غیر مدل برای تولید بهینه محصولات پیچیده‌تر یا غیرمعمول است. موجودات مدل، موجوداتی هستند که در یک سیستم آزمایشگاهی به راحتی حفظ می‌شوند و تولید مثل می‌کنند. از جمله این موجودات می‌توان به مخمر، مگس سرکه و موش اشاره کرد.
تجارت در تولیدات زیستی در چند دهه گذشته به استفاده از چند سویه باکتریایی خلاصه شده بود. برای مثال می توان به موارد زیر اشاره کرد:
باکتری E.coli که به سادگی رشد داده می‌شود و قابل دستکاری است، مخمر نانوایی Saccharomyces cerevisiae که برای مواد و پروسه‌های اندکی پیچیده‌تر، همانند تغییرات پس از ترجمه استفاده می‌شود و سلول‌های تخمدان همستر چینی برای موقعیت‌هایی که نیاز به سلول پستانداران است، برای مثال تولید پروتئین‌های دارویی، استفاده می‌شود.
در چند سال اخیر، استفاده از موجوداتی که به سادگی قابل کشت و دستکاری هستند اما قابلیت تولید محصولات خاص را ندارند کاهش یافته و استفاده از موجوداتی که در جهت نیاز ما اختصاصی‌تر عمل می‌کنند رو به افزایش است. از اولین موجوداتی که در این مسیر مورد استفاده قرار گرفت، می‌توان به برخی میکروجلبک‌ها و سیانوباکتری‌ها مانند گونه‌های Chlorella و Spirulina اشاره کرد که برای تولید رنگدانه‌ها و ترکیبات قندی مورد استفاده قرار می‌گیرند. همچنین غیر از جلبک‌ها، می‌بایست از مخمر قرمز R. toruloides نام برد، که کاروتئونید زیادی را تولید می‌کند.
توسعه موجودات زیست‌الکترونیکی با کمک زیست‌فناوری
شاید عبارت «قارچ فتوستزکننده» در نگاه اول اندکی غیرمعمول به نظر برسد اما با کمک دانش نوین زیست‌سازه‌شناسی، در سال 2019، از دو نمونه از قارچ‌های فتوسنتزکننده، یعنی قارچ زیست‌الکترونیکی و مخمر زیست‌هیبریدی با موفقیت رونمایی شد.
زیست‌سازه‌شناسی (Bionics) عبارت است از تکثیر سیستم‌های زیستی به کمک سیستم‌های الکترونیکی و مکانیکی. اگرچه که ممکن است ایده اولیه آن از داستان‌های علمی‌تخیلی به نظر برسد اما در واقعیت این موجودات مکانیکی تنها سیستم‌های زنده‌ای هستند که تعدادی اجزای معدنی در درونشان تعبیه شده است که عملکرد آنان را بهبود می‌بخشد. از جمله این مثال‌ها می‌توان به کاشت حلزون گوش یا پروتزهای رباتیکی اشاره کرد.
در سال گذشته، از قارچ زیست‌الکترونیکی و مخمر زیست‌هیبریدی، با تغییرات نانوذره‌ای رونمایی شد. هر دوی آن‌ها با قصد افزایش بهره‌وری استفاده از انرژی نوری طراحی شده‌اند اما راه‌ها و اهداف متفاوتی دارند. قارچ زیست‌الکترونیکی به خاطر کلونی سیانوباکتری‌هایی که انرژی نور را جذب می‌کنند و نوار گرافنی که بار الکتریکی را به قارچ منتقل می‌کنند، قادر به فتوسنتز است، در حالی که مخمر به نانوذراتی وابسته است که در سطح سلولی به عنوان گیرنده‌های نور مصنوعی حضور دارند و انرژی لازم برای واکنش‌های شیمیایی را تأمین می‌کنند. فتوسنتز تنها کاربرد مورد بحث در این دوره جدید از زیست‌سازه‌شناسی نیست، بحث‌های زیادی پیرامون کاربرد زیست‌سازه‌شناسی در تولید آنزیم‌های جدید، باکتری‌های شناگر و حتی ربات‌های در ابعاد مولکولی در جریان است.
استفاده از رآکتورهای زیستی کوچک‌شده در صنایع وابسته به زیست‌فناوری
طی سال 2019، پژوهش‌های گسترده‌ای در زمینه کوچک‌سازی رآکتورهای زیستی صورت گرفت. نتایج این تحقیقات، تحولات گسترده‌ای در زمینه فرآورش زیستی با خود به همراه خواهد داشت. با نگاهی مختصر به تحقیقات در حال اجرا در سراسر دنیا، می‌توان متوجه شد که بسیاری از این پژوهش‌ها به کوچک کردن مقیاس ابزارهای ضروری می‌پردازند. دلایل زیادی را می‌توان برای این امر متصور شد؛ از جمله هزینه‌های کم‌تر و راحتی حمل و نقل.
در ادامه تلاش‌هایی که برای کوچک‌سازی در مباحث مختلف زیست‌فناوری صورت گرفته است، باید به رآکتورهای زیستی در مقیاس کوچک اشاره‌ای داشته باشیم. مفهومی در مهندسی شیمی به نام کارخانه آزمایشی وجود دارد که با هدف تجسم چگونگی عملکرد کارخانه در مقیاس بزرگ استفاده می‌شود. به هر اندازه‌ای که بتوان این کارخانه آزمایشی را کوچک ساخت (و همزمان قابلیت‌های نسخه بزرگ‌تر را حفظ کرد) از نظر هزینه‌ها، قابلیت حمل و نقل و عملکرد آسان‌تر بهتر است.
پیشرفت‌هایی که در زمینه تولید قابلیت‌های میکروفلوئیدها حاصل شده، طراحی رآکتورهای زیستی در مقیاس کوچک را ممکن ساخته است. این دستگاه‌ها با دخالت آنزیم‌ها و حتی کاتالیزورهای زیستی تمام سلولی به همراه سیستم‌های استخراجی به تولید محصولاتی با درصد خلوص بالا با سرمایه‌گذاری اندک می‌انجامد. با دسترسی بیش‌تر به چاپ سه بعدی، شاید ایجاد ابزارهایی با مسیر حرکت نامعمول و یا ساخت محفظه‌های کشت (Culture Chambers) اختصاصی شده ممکن باشد.