برمجه الميكروبات للحصول على الوقود الحيوى كيف؟

إن الميكروبات المعدلة وراثياً قادرة على أداء العديد من الوظائف المفيدة، بداية من صنع الوقود الحيوي والأدوية حتى تنظيف النفايات السامة. لكن تصميم المسارات الكيميائية الحيوية المعقدة داخل هذه الميكروبات عملية تستغرق وقتاً طويلاً من التجربة والخطأ.

ويحلُم علماء الأحياء العاملون في ذلك المجال بالتغلب على تلك العقبة عبر الاستفادة من أحدث ما توصلت إليه التكنولوجيا.

ومن هؤلاء العلماء كريستوفر فويت، الأستاذ المساعد في جامعة كاليفورنيا الأمريكية، الذي يأمل في تغيير ذلك باستخدام البرامج الحاسوبية في أتمتة عملية تخليق «الدوائر الجينية» داخل الميكروبات. وهذه الدوائر عبارة عن مسارات الجينات والبروتينات والجزيئات الحيوية الأخرى التي تستخدم الخلايا لتنفيذ مهمة معينة، مثل تكسير السكر وتحويله إلى وقود.

وقام فويت وزملاؤه بتخليق مكونات الدوائر الأساسية داخل بكتيريا الإشريكية القولونية (E. coli.) أو «جرثومة الأمعاء الغليظة» التي تعد أهم أنواع البكتيريا التي تعيش في أمعاء الثدييات.

ويعمل ذلك الفريق العلمي بالتعاون مع شركة «Life Technologies» الأمريكية المتخصصة في أبحاث التكنولوجيا الحيوية لتطوير برمجيات حاسوبية تسمح لمهندسي التكنولوجيات الحيوية بتصميم دوائر جينية كاملة بشكل أكثر سهولة.

ويقول فويت إن تلك الطريقة سهل عملية تصميم ميكروب لمهمة معينة مثل كتابة برنامج حاسوبي جديد.

وكما هو الحال عندما لا يحتاج المبرمجون إلى التفكير في كيفية تحرك الإلكترونات عبر البوابات في الدوائر الإلكترونية المتكاملة، سيتمكن مهندسو التكنولوجيات الحيوية من تصميم دوائر للجينات والبروتينات وغيرها من الجزيئات الحيوية الأخرى.

وأضاف: «إذا ما طبقنا العمليات الحسابية على الأشياء التي يمكن للبكتيريا القيام بها بالفعل، يمكننا التحكم الكامل بصناعة حرير العناكب أو الأدوية أو المواد الكيميائية الأخرى».

فعلى سبيل المثال يمكن أن تساعد أنواع معينة من الدوائر على تنظيم نشاط البكتيريا التي تنتج الوقود الحيوي. وبدلاً من التحكم الخارجي بها، يمكن للدوائر الموجودة داخلها الحفاظ على مستويات المواد الكيميائية وغيرها من الظروف اللازمة لاستمرار البكتيريا في الإنتاج بمعدلات عالية.

وقال فويت: «إننا نحاول جعل الخلية تدرك موقعها، وما ينبغي أن تفعله اعتماداً على إدراكها للبيئة المحيطة بها».

وسوف تستغرق محاولة تصميم دائرة التحكم هذه دون مساعدة الحاسب الآلي الكثير من محاولات التجربة والخطأ.

وتمكن فويت من تخليق أحد أنواع مكونات الدوائر يسمى «بوابة (NOR) «داخل بكتيريا الإشريكية القولونية.

وفي العمل الوارد وصفه في مجلة «Nature» العلمية الأمريكية، أظهر فويت وزملاؤه أنهم قادرون على تحسين نوعية نواتج الدوائر البكتيرية عن طريق ضبطها للعمل معاً بصورة جماعية، وتشكيل دائرة متكاملة من «بوابات (NOR)»، بحيث تكون واحدة منها في كل خلية.

وصمم فويت تلك الدوائر البكتيرية بحيث تصبح قادرة على الاندماج مع نظم التواصل البكتيرية الطبيعية المعروفة باسم «كشف النّصاب» (Quorum sensing)، ومن ثم تكون الخلايا قادرة على انتخاب نتاج ما، وذلك يزيد من جودة العمليات التي يتم إجراؤها.

ويساهم هذا الإنجاز في إحداث علامة جديدة في علم الأحياء التخليقي لما له من أثر كبير على توسيع قدرة العلماء على تخليق سلالات جديدة من البكتيريا تمتاز بالفاعلية والقابلية للبرمجة.