جنگ میکروبی، کریسپر را به ما هدیه داد. کشف بزرگ بعدی چه خواهد بود؟

ویرایش ژن و بسیاری دیگر از ابزارهای مفید زیستفناوری حاصل مطالعات روی باکتریهایی هستند که با مهاجمان ویروسی میجنگند. اما دانشمندان تازه شروع به کشف رازهای این نبرد باستانی کردهاند.

در سراسر جهان – در اقیانوسها، خاک و حتی بدن شما – نبردی نامرئی در جریان است. جمعیت عظیم باکتریهای زمین (حدود ۱۰۳۰ عدد) همواره مورد هجوم ارتشی حتی بزرگتر از ویروسها به نام «باکتریوفاژها» قرار دارند. باکتریها برای دفاع از خود راهکارهای متنوعی دارند: آنها اجزای ویروسی را تکهتکه میکنند، مواد کلیدی مورد نیاز ویروس برای تکثیر را مسدود میکنند و حتی با خاموش کردن سیستمهای زیستی خود، با فدا کردن خودشان، از آلوده شدن همنوعانشان جلوگیری میکنند. ویروسها نیز به نوبه خود مکانیسمهای ضددفاعی تکامل میدهند و این مسابقه تسلیحاتی را هرچه بیشتر داغ میکنند.

اگرچه میکروبیولوژیستها تازه شروع به درک ابعاد این نبرد ابدی کردهاند، اما همین مکانیسمهای ایمنی میکروبی الهامبخش فناوریهایی بودهاند که زیستشناسی را متحول کردهاند. کشف آنزیمهای محدودکننده (پروتئینهای باکتریایی که DNA را در نقاط خاصی میبرند) در دهه ۱۹۷۰ زمینهساز ظهور زیستشناسی مولکولی شد و راه را برای مهندسی ژنتیک و پزشکی قانونی DNA هموار کرد. سیستم دفاعی کریسپر-کَس (CRISPR-Cas) که توالیهای خاصی در ژنوم ویروسها را شناسایی و قطع میکند، به دانشمندان قدرت حذف یا ویرایش ژنها با دقت بینظیری داد. این فناوری که در اوایل دهه ۲۰۱۰ توسعه یافت، میلیاردها دلار سرمایه جذب کرد و کاشفان کلیدی آن را در سال ۲۰۲۰ برنده جایزه نوبل شیمی کرد.

کریسپر-کَس و سایر دستاوردهای بزرگ، موجی از علاقه و کشفیات جدید در مورد سیستمهای دفاعی میکروبی را به همراه داشته است. به لطف پیشرفتهای زیستشناسی محاسباتی و توالییابی ژنوم، دانشمندان مکانیسمهای ایمنی متعددی را شناسایی کردهاند که باکتریها و دیگر شکل پروکاریوتی حیات روی زمین، یعنی آرکیها، در نبرد همیشگیشان با ویروسها به کار میگیرند.

یوجین کونین، زیستشناس تکاملی در کتابخانه ملی پزشکی آمریکا در بتزدا، مریلند، میگوید: «جرأت میکنم بگویم باکتریها و آرکیها از هر چیزی که بتوانید تصور کنید برای دفاع استفاده میکنند – و حتی چیزهایی که اصلاً به ذهنتان نمیرسد.»

این کشفیات هماکنون نیز به بهبود ویرایش ژن و سایر فرآیندهای آزمایشگاهی منجر شدهاند. این سیستمهای دفاعی – که برخی از آنها مشابهاتی در سیستم ایمنی انسان دارند – احتمالاً الهامبخش روشهای درمانی جدیدی خواهند بود، بهویژه در حوزه درمان با فاژ (که باکتریهای بیماریزا را از بین میبرند اما برای انسان بیضرر هستند) و آنتیبیوتیکها. اگرچه به نظر نمیرسد هیچ فناوری واحدی در آینده نزدیک بتواند جایگاه کریسپر-کَس را به عنوان یکی از تحولآفرینترین دستاوردهای زیستی این قرن به چالش بکشد، اما هیجان در این زمینه محسوس است.

کونین میگوید: «رقابت با کریسپر کار بسیار دشواری است، اما برخی از این سیستمها کاربردهای بسیار مهمی دارند.»

دفاعی قدرتمند

اگرچه باکتریها، آرکیها و فاژهایشان میلیاردها سال است که درگیر این نبرد هستند، اما میکروبیولوژیستها تا همین یک دهه پیش از تنوع سیستمهای دفاعی آنها بیخبر بودند. روتم سورک، میکروبیولوژیست مؤسسه علوم وایزمن در رحوت اسرائیل، میگوید بخشی از این مسئله به این دلیل بود که روش آسانی برای جستجوی این سیستمها وجود نداشت.

این وضعیت در سال ۲۰۱۱ تغییر کرد، زمانی که کونین، کیرا ماکارووا (زیستشناس تکاملی) و همکارانشان نشان دادند که ژنهای ایمنی در ژنوم میکروبی تمایل دارند در مناطقی به نام «جزایر دفاعی» تجمع کنند. این کشف به دانشمندان امکان داد تا با استفاده از ژنهای دفاعی شناختهشده، ژنهای مشابه احتمالی را در نزدیکی آنها پیدا کنند.

به زودی، نامزدهای جدیدی برای بررسی ظاهر شدند. در سالهای بعد، گروه سورک و دیگران صدها ژن دفاعی بالقوه را گزارش کردند. تاکنون بیشتر تحقیقات بر روی باکتریها متمرکز بوده است، چرا که دانشمندان ابزارهای کافی برای دستکاری ژنهای آنها در اختیار دارند.

برای تأیید یک سیستم دفاعی، دانشمندان میتوانند یک ژن کاندید را انتخاب کرده، آن را به یک سویه استاندارد باکتری آزمایشگاهی وارد کنند و آزمایش کنند که آیا این ژنها به میکروبها امکان مقاومت در برابر فاژهایی را میدهند که قبلاً قادر به مقابله با آنها نبودند. آرتم ایسایف، ایمنیشناس میکروبی در مرکز زیستشناسی مولکولی و سلولی مسکو، میگوید: «در حال حاضر، هر هفته پنج مقاله جدید در این زمینه منتشر میشود و ما حتی وقت بحث درباره همه آنها را نداریم.»

مطالعات، مکانیسمهای ایمنی شگفتانگیزی را آشکار کردهاند، مانند سیستمی که فیلیپ کرانزوش (بیوشیمیدان) زمانی که محقق پسادکتری در آزمایشگاه جنیفر دودنا در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی بود، با آن مواجه شد. کرانزوش که متخصص ویروسشناسی انسانی بود، در اوایل دهه ۲۰۱۰ به پروتئین ایمنی انسانی به نام cGAS علاقهمند شد. این پروتئین DNA خارجی را شناسایی کرده و مولکول سیگنالی تولید میکند که پاسخ اینترفرون (بخشی از سیستم ایمنی) را فعال میکند.

از آنجا که باکتریها نیز آنزیمهایی دارند که مولکول سیگنالی مشابهی تولید میکنند، کرانزوش به این فکر افتاد که آیا مطالعه این آنزیمها میتواند به درک بهتر عملکرد cGAS کمک کند. جالب اینکه، این پروتئینهای باکتریایی ساختاری بسیار شبیه به cGAS داشتند. او به یاد میآورد: «یادم میآید که به دفتر جنیفر دویدم و گفتم: همان ماشین موجود در سلولهای انسان، در باکتریها هم یافت میشود!»

کرانزوش که اکنون در دانشکده پزشکی هاروارد در بوستون آزمایشگاه خود را دارد، به بررسی این سیستم ادامه داد. سورک نیز در حال مطالعه سیستم مشابه cGAS در باکتریها به نام CBASS بود. گروههای آنها نشان دادند که CBASS یک سیستم دفاعی واقعی در میکروبهاست که حتی از همان گیرنده مولکول سیگنالی به نام STING (که در سیستم ایمنی انسان نیز وجود دارد) استفاده میکند.

آنها همچنین نسخههای باکتریایی پروتئینهای ایمنی یوکاریوتی به نام گاسدرمینها را کشف کردند که با ایجاد منافذ در غشای سلولی، سلولهای آلوده را از بین میبرند و تکثیر ویروس را متوقف میکنند. اود برنهایم (میکروبیولوژیست) و همکارانش نیز نسخههای پروکاریوتی ویپرینهای یوکاریوتی را توصیف کردند: این پروتئینها مولکولهایی تولید میکنند که رونویسی ژنهای ویروسی به RNA را متوقف میکنند. گروه سورک همچنین مکانیسم ایمنی میکروبی دیگری به نام تئوریس را توصیف کرده است که شباهتهای زیادی با دفاع گیاهان دارد.

برنهایم که اکنون در مؤسسه پاستور پاریس کار میکند، میگوید: «از دیدگاه تکاملی، این بسیار غیرمنتظره است.» دانشمندان قبلاً تصور میکردند که سیستمهای ایمنی تحت هجوم مداوم ویروسها بهسرعت تکامل یافته و باعث ایجاد تفاوتهای گسترده بین دفاع پروکاریوتیها و یوکاریوتیها شدهاند. اما حداقل در برخی موارد، به نظر میرسد سیستمی که در نیای مشترک پروکاریوتیها و یوکاریوتیها تکامل یافته، طی میلیاردها سال حفظ شده و زیستشناسی موازی در میکروبها و انسانها یا گیاهان ایجاد کرده است.

ساخت ابزارهای جدید

اکنون، زیستفناوران در حال تبدیل این نوآوریهای باستانی به ابزارهای آزمایشگاهی یا بالینی هستند.

اوون تاک، دانشجوی تحصیلات تکمیلی در آزمایشگاه دودنا که روی سیستم دفاعی برشدهنده DNA به نام هاچیمان کار میکند، میگوید در سطح پایه، این سیستمها میتوانند از کشتهای میکروبی ارزشمند محافظت کنند. به عنوان مثال، اگر یک بیورآکتور به فاژها آلوده شود، دانشمندان میتوانند با فعال کردن سیستمهای دفاعی در باکتریها، مهاجمان را نابود کنند.

محققان همچنین در حال ساخت ابزارهای سفارشی هستند. به عنوان مثال، سیستم آرگونات (Argonaute) که ابتدا در یوکاریوتها (ابتدا در گیاهان و سپس در جانوران) شناسایی شد، از RNAهای راهنما برای هدف قرار دادن و تخریب RNAهای دیگر مانند RNAهای ویروسی استفاده میکند. دان سوارتس، بیوشیمیدان دانشگاه واگنینگن در هلند، میگوید در میکروبها، سیستمهای آرگونات به روشهای متنوعتری عمل میکنند. به گفته او، حسگرهای آرگونات ممکن است انتهای آزاد DNA یا فراوانی مولکولهای DNA حلقوی را تشخیص دهند. سپس در پاسخ به عفونت، مکانیسمهای وابسته به آرگونات ممکن است به ژنهای پاتوژن آسیب بزنند یا متابولیتهای حیاتی سلول مانند NAD+ و NADP+ (که در تولید انرژی و سایر فرآیندها نقش دارند) را تخلیه کنند.

محققان از آرگوناتهای میکروبی برای ویرایش ژنوم باکتریها و برش توالیهای دقیق DNA در لولههای آزمایش استفاده کردهاند. همچنین در آزمایشهایی که به دنبال یافتن توالیهای خاص و نادر هستند، از آرگوناتها برای حذف توالیهای رایج اما ناخواسته استفاده شده است تا توالیهای نادر راحتتر شناسایی شوند. سوارتس و تیمش همچنین سیستم تخلیه NAD+/NADP+ (به نام SPARTA) را برای طراحی آزمونهای تشخیصی تطبیق دادهاند که پس از شناسایی توالی هدف، رنگ یا فلورسانس آن تغییر میکند. او میگوید: «اساساً، هر نوع توالی را میتوان با این آرگوناتها تشخیص داد. تاکنون به هیچ محدودیتی برنخوردهایم.»

اگرچه بسیاری از این وظایف را میتوان با کریسپر-کَس انجام داد، اما آرگوناتها ویژگیهای متفاوتی ارائه میدهند. هر دو سیستم به RNA راهنما برای یافتن توالی هدف نیاز دارند، اما آنزیم کَس همچنین به یک توالی اضافی به نام PAM نیاز دارد که به اتصال و باز شدن مارپیچ دوگانه DNA کمک میکند. آرگونات بدون نیاز به PAM کار میکند و توالی RNA راهنما میتواند کوتاهتر باشد که ساخت سیستم را سادهتر میکند. علاوه بر این، سوارتس خاطرنشان میکند که ثبت اختراع برای آرگوناتها آسانتر از ایدههای جدید در زمینه اشباعشده کریسپر-کَس است.

فنگ ژانگ، زیستشناس مولکولی در مؤسسه برود MIT و هاروارد، سیستم دیگری شبیه به کریسپر به نام TIGR-Tas کشف کرده است. مانند کریسپر، این یک سیستم دو بخشی است که توالیهای خاص DNA را تشخیص میدهد و میتوان آن را برای برش در مکانهای مورد نظر برنامهریزی کرد. اما TIGR-Tas به PAM نیاز ندارد و اجزای آن از نظر فیزیکی کوچکتر از کریسپر هستند که میتواند در کاربردهایی مانند ژندرمانی (که در آن فقط مقدار محدودی از مولکولها میتوانند به بافتها تحویل داده شوند) مفید باشد.

سیستم دفاعی دیگری که پتانسیل نوآوری دارد، رترونها (retrons) هستند. این عناصر ژنتیکی در دهه ۱۹۸۰ کشف شدند، زمانی که دانشمندان صدها نسخه از DNAهای تکرشتهای کوتاه را در نمونههای باکتری خاکی Myxococcus xanthus مشاهده کردند. آنها دریافتند که این DNAهای تکرشتهای توسط آنزیم ترانسکریپتاز معکوس (که از روی الگوی RNA، DNA میسازد) تولید میشوند و این نوع سیستم به نام رترون شناخته شد. سث شیپمن، مهندس زیستی در مؤسسات گلدستون و دانشگاه کالیفرنیا، سانفرانسیسکو، در اوایل دهه ۲۰۱۰ هنگام جستجوی راهی برای تولید توالیهای خاص DNA در سلولها، با رترونها در ادبیات علمی مواجه شد. او میگوید: «آنها دقیقاً همان ابزار ایدهآل بودند.»