كريج فنتر حول الحمض النووي(DNA) والبحر

في فترة الراحة، سألني العديد من الناس حول تعليقاتي حول جدل الشيخوخة. وهذا سيكون تعليقي الوحيد حولها. وهو، أنا أفهم أن المتفائلون يعيشون أكثر بكثير من المتشائمين. (ضحك)

ما سأقوم باخباركم به في دقائقي ال 18 هو كيف أننا بصدد الإنتقال من قراءة الشفرات الجينية إلى الخطوم الأولى لبداية كتابة الشفرة بأنفسنا. لقد مرّت 10 سنوات في هذا الشهر عندما نشرنا أول تسلسل لكائن حي حُر، وذلك للانفولنزا المستديمة. أخذ ذلك مشروع الجينوم من 13 سنة إلى أربعة أشهر. يمكننا الآن تنفيذ نفس مشروع الجينوم بمعدل ساعتين إلى ثماني ساعات. إذاً ففي العقد الأخير، تم إضافة عدد كبير من الجينوم: معظم مسببات الأمراض البشرية، العديد من النباتات، حشرات وثديات عديدة ، وتشمل الجينوم البشري. يفكر علم الجينوم في هذه المرحلة من ما يزيد قليلا على 10 عاما وبحلول نهاية هذا العام ، ربما نحصل على ما بين ثلاثة إلى خمسة تسلسلات جينوم. إنه بمعدل عدة مئات. لقد حصلنا للتو على منحة من مؤسسة غوردون وبيتي موري لعمل تسلسلات ل 130 جينوم هذه السنة، كمشروع جانبي للكائنات البيئية. إذاً فمعدل قراءة الشفرة الجينية قد تغيّر.

لكن بينما ننظر، لماذا هناك، فنحن بالكاد نلمس السطح لما هو متاح في هذا الكوكب. معظم الناس لا يدركونها، لأنها غير مرئية، لكن الميكروبات تشكل حوالي نصف الكتلة الحيوية للأرض، حيث تشكل كل الحيوانات حوالي واحد على ألف من الكتلة الحيوية. وربما هو شئ لا يفعله الناس في أوكسفورد دائماً، لكن إن كنت قد ذهبت مرة إلى البحر، وشربت جرعة ماء من البحر، ضع في إعتبارك أن في كل مليمتر حوالي مليون باكتريا ومتسوط 10 ملايين من الفيروسات.

أقل من 5000 من الكائنات المايكروسكوبية تم وصفها خلال السنتين الماضيتين، ولذا فقد قررنا فعل شئ حيالها. وقد بدأنا الرحلة الإستكشافية سوركرر 2، حيث كنا، كما هو حال حملات تصوير البحار الإستكشافية الكبيرة، نحاول أخذ عينات من المحيط كل 200 ميلاً. لقد بدأنا في برمودا لأول إختبارات مشروعنا. ثم انتقلنا إلى هاليفاكس، وعملنا على الساحل الشرقي لأمريكا، والبحر الكاريبي، وقناة بنما، عبر جزر غالاباغوس ، ثم عبر المحيط الهادئ ، ونحن الآن في نعد للعمل في طريقنا عبر المحيط الهندي. إنه عمل صعب للغاية. ونحن نفعل هذا على متن سفينة مبحرة، في جزء منه للمساعدة في إثارة الشباب للخوض في مجالات العلوم. التجارب بسيطة للغاية. نحن نأخذ فقط مياه البحر ونقوم بفلترتها، ونقوم بأخذ أحجام مختلفة على مرشحات مختلفة. ثم نأخذ حمضها النووي (DNA) إلى مختبرنا في روكفيلي، حيث يمكننا سلسلة مئات الملايين من رموز الشفرة الجينية كل 24 ساعة. وبالقيام بهذا، حققنا بعض الإكتشافات المذهلة.

على سبيل المثال، كان يعتقد أن الأصباغ البصرية التي هي في نظرنا -- كان هناك فقط كائن أو أثنين في البيئة لديهم نفس الأصباغ البصرية. لقد أتضح، أن كل الكائنات تقريباً في الجزء العلوي من المحيط في الجزء الدافئ من العالم لديهم نفس هذه المستقبلات للصور، ويستخدمون ضوء الشمس كمصدر لطاقتهم وللتواصل فيما بينهم. من موقع واحد، من برميل واحد من ماء البحر أكتشفنا 1.3 مليون جين جديد وما يصل ل 50،000 كائن جديد.

قمنا بتوسيع هذا إلى الهواء الآن مع منحة من مؤسسة سلوان. نحن نقيس كم من الفيروسات والباكتريا نقوم جميعاً بإستنشاقها يومياً، بالتحديد على الطائرات أو القاعات المغلقة. (ضحك) نقوم بالتصفية بأجهزة بسيطة للغاية. نقوم بالتجميع بمعدل مليار مايكروب من ناتج يوم واحد عبر رشح قمة مبنى في مدينة نيويورك. ونحن في عملية سلسلة كل ذلك في الوقت الراهن.

فقط في جانب تجميع البيانات، تماماً حيث نمر عبر جزيرة غالاباغوس، نحن نجد أنه كل 200 ميل تقريباً، نحن نشهد تنوعاً مذهلاً في العينات في البحر. بعض هذه تقدم تفسيراً منطقياً، بالنسبة لإختلاف تدرج درجات الحرارة . لذا فهذه صور بالأقمار الإصطناعية بناء على درجة الحرارة-- يشير اللون الأحمر إلى الدفء، والأزرق إلى البرودة-- لقد أكتشفنا أن هناك إختلاف شاسع بين عينات المياه الدافئة وعينات المياه الباردة، فيما يختص بوفرة الأنواع. الشئ الآخر الذي فاجأنا بقدر كبير في مستقبلات الصور هذه أنها عثرت على أطوال موجات مختلفة للضوء، ويمكننا التنبؤ بذلك بناء على سلسلة أحماضها الأمينية. وهذا يختلف بشدة من منطقة لمنطقة أخرى. ربما ليس من المستغرب، في أعماق البحار، حيث كل شئ تقريباً أزرق فأن مستقبلات الصور تميل لرؤية الضوء الأزرق. عندما يكون هناك الكثير من الكلوروفيل حولها ، فأنهم يرون الكثير من الضوء الأخضر. لكنها تختلف حتى أكثر ، وربما تتحرك نحو الأشعة تحت الحمراء وفوق البنفسجية في النهايات.

فقط لمحاولة الحصول على تقدير لما كانت عليه ذخيرتنا من الجينات، قمنا بتجميع كل البيانات -- وتشمل كل ما لدينا حينئذ من تلك الرحلة، التي تمثل أكثر من نصف كل البيانات الجينية على الكوكب-- وقد بلغ مجموعها حوالي 29 مليون جين. وقد حاولنا وضع هذه الجينات في عائلات جينية لنعرف ماهية هذه الإكتشافات: هل نحن نكتشف أعضاء جدد لأسر معروفة، أم هل نحن نكتشف عائلة جديدة؟ وقد وضح أن لدينا حوالي 50،000 عائلة جينية رئيسية، لكن كل عينة جديدة نأخذها في البيئة تضيف لنا عائلات جديدة بصورة خطية. لذا فنحن في مراحل مبكرة للإكتشاف حول الجينات الأساسية، العناصر والحياة على هذا الكوكب.

عندما ننظر على ما يسمى بشجرة التطوّر والنشوء، فنحن أعلى في الجزء الأيمن على الناصية مع الحيوانات. من تلك ال 29 مليون جين تقريباً، نحن لدينا فقط حوالي 24،000 في الجينوم خاصتنا. وإذا أخذت كل الحيوانات مجتمعة، فيحتمل أننا نتشارك أقل من 30،000 وعلى الأرجح ربما القليل أو يزيد على عدة آلالاف عائلة جينية. أنا أرى أن هذه الجينات الآن ليس فقط تقوم بتصميم عناصر التطوّر. ونحن نفكّر بوجهة نظر محورها الجين-- ربما نعود مجدداً لأفكار ريتشارد داوكينز-- عوضاً عن وجهة نظر محورها الجينوم، والتي هي هياكل مختلفة لهذه المكونات الجينية.

الحمض النووي الإصطناعي ، والقدرة على توليف الحمض النووي، قد تغيّر بنفس الوتيرة التي مرّ بها تسلسل الحمض النووي خلال العقد أو العقدين الماضيين، وهي تصبح سريعة للغاية ورخيصة للغاية. أول أفكارنا حول الجينوم الإصطناعي جاءت عندما قمنا بسلسلة الجينوم الثاني عام 1995، وذلك من جرثومة ميكوبلازما التناسلية. ولدينا قمصان جميلة للغاية تقول، تعلمون، " أنا أحب جرثومتي التناسلية." هذا في الواقع فقط كائن حي دقيق. لكن لديه تقريباً 500 جين. لدى الأنفلونزا المستديمة 1،800 جين. وقد طرحنا ببساطة سؤالاً، إن كان أحد الكائنات يحتاج 800، وآخر 500، فهل هناك مجموعة أصغر من الجينات التي قد تشكل الحد الأدنى لنظام تشغيل؟

لذا فقد قمنا بعمل طفرات تحويلية. الطفرات هي مجرد قطع صغيرة للحمض النووي التي تضعها عشوائياً في الشفرة الجينية. وإذا تم وضعها في منتصف الجين، فأنها تعطّل وظيفته. لذا فقد أنجزنا خارطة لكل الجينات التي يمكن أن تستقبل طفرات وقد أطلقنا على أولئك " جينات ليست أساسية." لكن وضح أن البيئة هي عامل مهمة للغاية لهذا، ويمكنك فقط تعريف جين أساسي أو غير أساسي بناء على ما هي البيئة بالضبط. وقد حاولنا كذلك أخذ مقاربة مباشرة أكثر ذكاءً مع جينوم ل 13 كائن متربط ببعض، وحاولنا مقارنة كل من أولئك، لمعرفة ماذا لديهم من عوامل مشتركة. وقد حصلنا على تلك الدوائر المتداخلة. وقد عرفنا فقط 173 جين مشتركة ما بين كل ال 13 كائن. وقد توسع الحوض قليلاً إن قمنا بتجاهل طفيل واحد داخل الخلايا. وإنه يتوسع أكثر حتى عندما ننظر في مجموعات أساسية لجينات 310 أو يزيد. لذا فنحن نعتقد أنه يمكننا توسعة أو تضييق الجينوم، إعتماداً على وجهة نظرك هنا، من ربما 300 إلى 400 جين من الحد الأدنى ل 500 جين.

الطريق الوحيد لإثبات هذه الأفكار كانت ببناء كروموسومات إصطناعية تشمل هذه الجينات، وينبغي علينا فعل هذا بطريقة مبنية على الشريط. وقد وجدنا أن توليف حمض نووي دقيق في قطع كبيرة كان صعباً للغاية. هامس سميث وكلايد هوتشوسون، زملائي في هذا الأمر، قاما بتطوير طريقة جديدة مثيرة التي أتاحت لنا بتصنيع 5000 زوج من الفيروسات في فترة أسبوعين فقط التي كانت 100% دقيقة، بالنسبة لتسلسلها وبيولوجيتها. وقد كانت تجربة مثيرة للغاية -- عندما أخذنا القطع الإصطناعية فقط للحمض النووي، وقمنا بحقنه في البكتريا وفجأة، بدأ ذلك الحمض النووي بتقديم إنتاج أجزء الفيروس التي تحولت ثم قامت بقتل البكتريا. كان هذا الفيروس الإصطناعي الأول من نوعه-- كان فيروس بوليو قد صُنع قبل سنة من ذلك -- لكنه كان نشطاً بواحد على عشرة فقط وقد أستغرق ثلاثة سنوات لتنفيذه. هذا رسم كرتوني لشكل Phi X-174. هذه هي الحالة حيث تبني البرمجيات الأجزاء الصلبة خاصتها، وهذه هي الفكرة التي لدينا مع البيولوجيا.

يقفز الناس في الحال لمخاوف حول شئون الحرب البيولوجية، وقد كان لي شهادتي مؤخراً أمام لجنة بمجلس الشيوخ، وقد قامت لجنة خاصة من الحكومة الأمريكية بمراجعة هذا المجال. وأنا أعتقد أنه من المهم وضع الحقيقة في أذهاننا، أمام ما يحدث بخيال الناس. في الأساس، أي فيروس تم سلسلته اليوم -- يمكن صنع ذلك الجينوم. وفي الحال يضجر الناس حول أشياء متعلقة بالإيبولا والجدري، لكن الحمض النووي من هذه الكائنات ليس معدياً. لذا فحتى لو صنع شخص ما جينوم الجدري، فأن الحمض النووي نفسه ليس سبباً في الإصابة بالوباء. المخاوف الحقيقية التي لدى الجهات الأمنية هي مصممي الفيروسات. وهناك بلدين فقط، الولايات المتحدة والإتحاد السوفيتي السابق، كان لديهم جهود كبيرة في محاولة تصنيع عوامل الحرب البيولوجية. إن كانت تلك البحوث بالفعل قد توقفت، فقد يكون هناك قليل من النشاط في معرفة الكيفية تصميم الفيروسات في المستقبل.

أعتقد تصنيع أن الكائنات وحيدة الخلية ممكنة خلال عامين. ومن المحتمل حقيقة النواة، تلك التي لدينا، ستكون ممكنة خلال عقد من الزمان. إذاً فنحن الآن نعمل على عدة أشكال مختلفة، لأنه يمكننا تنويع الشرائط والجينات التي تذهب لهذه الكروموزومات الإصطناعية. الفكرة هي، كيف يمكنك وضع بقية الأخريات؟ نحن نبدأ بهذه الجزئيات، ثم لدينا نظام إعادة تركيب مماثل الذي يجمّع تلك في الكروموزوم.

هذا مستخلص من الكائن الحي، بكتريا deinococcus radiodurans التي يمكن أن تأخذ ثلاثة ملايين شعاع من الأشعة ولا تموت. إنها تعيد تجميع جينومها بعد إنفجار الإشعاع في حوالي 12 إلى 24 ساعة، بعد أن تكون كروموزوماتها حرفياً قد أنفجرت جزئياً. هذا الكائن مطلق الوجود على كوكب الأرض، وهو موجود ربما الآن في الفضاء الخارجي بسبب رحلاتنا إلى هناك. هذا هو كوب زجاجي بعد نصف مليون شعاع من الأشعة. بدأ الكوب في الإحتراق والتصدع، بينما الميكروبات القابعة في الأسف تصبح سعيدة وأكثر سعادةً. ها هي صورة حقيقية لما يحدث: يظهر قمة هذا الجينوم بعد 1.7 مليون شعاع من الاشعاع. هذا الكروموسوم حرفياً قد أنفجر جزئياً. وهنا نفس ذلك الحمض النووي يعاد تجميعه بعد 24 ساعة لاحقاً. إنه حقاً لمذهل أن هذه الكائنات يمكنها فعل ذلك، وعلى الأرجح أن لدينا آلالاف، إن لم يكن عشرات الآلاف من الكائنات المختلفة على هذا الكوكب التي بمقدورها القيام بذلك. بعد تصنيع هذا الجينوم، فأن الخطوة الأولى هي نقلهم فقط إلى خلية بدون جينوم.

لذا فنحن نعتقد أن الخلايا الإصطناعية سيكون لديها قابلية مذهلة، ليس فقط في فهم أساسيات البيولوجي لكن لنأمل للقضايا البيئة والمجتمع. على سبيل المثال، من الكائن الثالث الذي قمنا بسلسلته، Methanococcus jannaschii: إنها تعيش في درجة حرارة غليان الماء، ومصدرها للطاقة هو الهيدروجين ويأتي كل كربونها من ثاني أوكسيد الكربون الذي تحصل عليه من البيئة. إذاً فنحن نعرف الكثير من الطرق المختلفة، آلالاف الكائنات المختلفة الآن تعيش على ثاني أوكسيد الكربون، ويمكنها الحصول عليه مجدداً. لذا فبدلاً عن إستخدام الكربون من النفط لعمليات صناعية، فأن لدينا فرصة إستخدام الكربون والحصول عليه من الغلاف الجوي، تحويل ذلك إلى البوليمرات الحيوية أو غيرها من المنتجات. لدينا أحد الكائنات التي تعيش على أول أوكسيد الكربون، ونحن نستخدمه بشدة لخفض الطاقة لفصل المياة لإنتاج الهيدروجين والأوكسجين. كذلك، هناك طرق مذهلة التي يمكن هندستها لإستقلاب الميثان. ول DuPont مشروع رئيسي مع Statoil في النرويج لإلتقاط وتحويل الميثان من حقول الغاز إلى منتجات مفيدة.

في غضون فترة وجيزة، أعتقد أنه سيكون هناك مجال جديد يسمى علم الجينوم الإندماجي، لأنه مع هذه القدرات الإصطناعية، مجموعة الجينات واسعة ذخيرة هذه وإعادة التركيب المتماثل، نعتقد أنه يمكننا تصميم روبوتات لصنع ربما مليون كروموسوم مختلف يومياً. وبالتالي، كما هو الحال مع بقية البيولوجيا، يمكننا الحصول على إخيار عن طريق الفرز، سواء كنت تفرز من أجل إنتاج الهيدروجين، أو الإنتاج الكيميائي، أو مجرد البقاء فقط. لفهم دور هذه الجينات سيكون في متناول اليد.

نحن نحاول تعديل التركيب الضوئي لإنتاج الهيدروجين مباشرة من ضوء الشمس. التركيب الضوئي متضمن بواسطة الأوكسجين، ولدينا أوكسجين غير حساس للهدرجة التي نعتقد أنها ستغير هذه العملية تماماً. وكذلك نقوم بتجميع السليلوزات، الأنزيمات التي تفتت السكريات المعقدة إلى سكريات بسيطة والتخمير في نفس الخلية لإنتاج الايثانول. إنتاج العقاقير الطبية في طريقه بالفعل في مختبرات كبيرة بإستخدام المايكروبات. هذه الكيمياء من مركبات في البيئة من حيث الحجم أكثر تعقيدا مما يستطيع إنتاجه أفضل علماء الكيمياء لدينا . أعتقد أن مستقبل الكائنات المهندسة قد يكون مصدراً للغذاء، وعلى أمل أن يكون مصدراً للطاقة، إصلاح البيئة وربما إستبدال قطاع صناعة البتروكيماويات.

دعوني فقط أكمل بدراسات سياسة عامة أخلاقية. لقد قمنا بتأخير تجاربنا عام 1999 حتى أكملنا مراجعة أخلاقيات العلوم الحيوية بعد عام ونصف حول هل يجب علينا محاولة صنع كائنات إصطناعية. كل الأديان الرئيسية شاركت في هذا. لقد كانت في الواقع دراسة غريبة للغاية، لأن القادة الدينيون بإختلافهم كانوا يستخدمون كتبهم المقدسة ككتب قوانين، ولم يستطيعوا العثور على اي شئ يمنعهم من صنع الحياة، لذا يجب أن يوافقوا. القلق الوحيد في نهاية المطاف كان في وجهة نشوء حرب بايولوجية ، لكنهم أعطونا الإشارة لبدء هذه التجارب وذلك للأسباب التي كنا نفعلها .

حالياً قامت مؤسسة سلوان بتمويل دراسة بين أكثر من معهد حول هذا، للعمل على ماهية المخاطر والفوائد للمجتمع، والقوانين التي ينبغي على الفرق العلمية مثل فريقي الإلتزام بها في هذا المجال، ونحن نحاول تقديم نماذج جيدة كلما نتقدم. هذه قضايا معقدة. بإستثناء تهديد الإرهاب البيولوجي، فأن هناك قضايا بسيطة من ناحية، هل يمكننا تصميم أشياء لإنتاج طاقة نظيفة، ربما ثورة حول ما تستطيع الدول النامية فعله وتزويدهم بمختلف العمليات البسيطة. شكراً جزيلاً لكم.