معلومة

هل تم تصميم الأنظمة البيولوجية؟ غالبًا ما يتم إجراء هندسة عكسية لها على المستوى الجزيئي !!

هل تم تصميم الأنظمة البيولوجية؟ غالبًا ما يتم إجراء هندسة عكسية لها على المستوى الجزيئي !!


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

لفهم الأنظمة البيولوجية ، يحتاج علماء الأحياء الجزيئية إلى "هندسة عكسية" لهم. هل هذا دليل على أن الأنظمة صممت أصلاً؟


لا.

لذلك بحثت عن تعريف "الهندسة العكسية". تنص ويكيبيديا على ما يلي:

الهندسة العكسية هي عملية اكتشاف المبادئ التكنولوجية لجهاز أو كائن أو نظام من خلال تحليل هيكله ووظيفته وتشغيله. غالبًا ما يتضمن تفكيك شيء ما (جهاز ميكانيكي أو مكون إلكتروني أو برنامج كمبيوتر أو مادة بيولوجية أو كيميائية أو عضوية) وتحليل طريقة عملها بالتفصيل لاستخدامها في الصيانة ، أو لمحاولة صنع جهاز أو برنامج جديد يقوم بذلك. نفس الشيء دون استخدام أو ببساطة تكرار (دون فهم) الأصل.

وإلا كيف تفترض أن تدرس شيئًا ما؟ اى شى؟

لا أريد أن أجيب على سؤال بسؤال لذا سأواصل. إذا كنت تعمل بنظام معقد ، فستحتاج إلى دراسة الأجزاء الفردية. على الرغم من أنه من المفيد أحيانًا النظر إلى نظام الكل ، فإن القيام بذلك يقدم العديد من المتغيرات التي تجعل من المستحيل معرفة ما يحدث بالفعل.

سيقول البعض أنك بحاجة إلى القيام بذلك لأن الأنظمة البيولوجية معقدة للغاية وأن هذا "دليل" على الخالق. هذا سخيف. يمكنني أن أتفق على أن الأنظمة البيولوجية معقدة ، لكن هذا ليس دليلاً على وجود خالق. التعقيد ليس بالشيء الجيد. أعتقد أحيانًا أن الناس لديهم نظرة ساذجة للخلية بأنها منظمة وأن كل شيء يعمل بشكل مثالي وهناك دقة في كل شيء (أو حتى في الكثير من الأشياء). لكن هذا ليس صحيحا. هذا فوضى. الخلايا فوضوية. إنها غرفة نوم للطالب الجديد. أنا أدرس الربط ، وهي عملية معقدة للغاية. وقد قرأت للتو ورقة بحثوا فيها عن نصوص محفوظة للغاية بدون أشكال إسوية بديلة معروفة. وماذا وجدوا؟ ووجدوا أنه بكميات صغيرة يتم تقطيع كل exon بشكل غير صحيح. بالتأكيد ، تم تقسمها بشكل صحيح في معظم الأوقات. حتى أنهم وصفوها بأنها عالية الدقة. لكن الجين الذي نظروا إليه كان به 5 إكسونات. ضع في اعتبارك أن أكبر جين في البشر يحتوي على أكثر من 300 إكسون ، وإذا تم تقسيم كل هذه الجينات بشكل غير صحيح ، فإنها تضاف. إذا أخطأ exon 1/1000 مرة ، وكان لديك 300 exons ، فهذا يعني أن 1/3 من النصوص الخاصة بك ليست ما تريده. إنه يضيف الكثير من الجهد الضائع من قبل الخلية ، وسيكون بالتأكيد أفضل إذا لم يكن هناك تضفير (أو على الأقل أقل) للجينات الكبيرة.

هذا مجرد مثال واحد ولكن يمكنك حرفياً اختيار أي مكون من مكونات الخلية والعثور على عدم الكفاءة. بالتأكيد ، 1/1000 هو دقة جيدة في الربط ، لكن دعنا نحصل على بعض السياق. بما أننا نتحدث عن المصممين ، فهل يستخدم أي شخص هنا ساعة (صممها مجرد بشر) تتوقف عن العمل دقيقة واحدة من كل ألف؟ كمبيوتر يغلق عشوائيا دقيقة واحدة من كل ألف؟ أنا أيضا.

هل "الهندسة العكسية" دليل على المصمم؟ لا ، إنه دليل على أن الخلايا في حالة من الفوضى ونحن بحاجة إلى فصل الضوضاء عن كل ما نريد دراسته.


لا ، يمكننا إجراء هندسة عكسية للماس ، أو الزيت ، أو الأمواج ، أو صوت الأوراق في مهب الريح. لم يتم تصميم أي من هذه. وبالتالي ، ما إذا كان بإمكاننا إجراء هندسة عكسية لشيء ما أم لا لا يخبرنا بأي شيء عن أصل الشيء.


لا. إذا كنت أرغب في دراسة الشمس ، فقد أبني سفينة فضاء تأخذني إلى هناك. هل هذا يعني أن الشمس وضعت في مكانها بواسطة سفينة فضاء؟ يمكنني دراسة ركبتك بالأشعة السينية ، فهل يعني ذلك أن ركبتك صنعت بالأشعة السينية؟ لا تعني حقيقة أنه يمكنك استخدام الطريقة X لتحليل الكائن Y بأي حال من الأحوال أن الكائن Y تم إنشاؤه باستخدام الطريقة X.

لنأخذ مثالًا آخر ، فكر في موازنة الصخور مثل هذه:

إذا كنت سأدرسهم ، يمكنني أن أتخذ القرار "الذكي" (أنا أستخدم الذكاء بأقصى ما يمكن من معنى للكلمة) لكز الشيء لمعرفة ما إذا كان حقًا متوازنًا أو مرتبطًا بطريقة أخرى. إذا كنت سأفعل ذلك ، فسأقوم بالتمثيل ، باستخدام مصطلحات @ Jason ، "كمهندس يقوم بتدخلات ذكية وليس كمقامر يرمي النرد". سأختار المكان الذي أضع فيه بعناية ، بالقرب من الجزء العلوي ربما ، بحيث يعرض الحد الأقصى من المعلومات المفيدة (السقوط) ، لن أقوم بدفعهم بشكل عشوائي. هل هذا يعني أن الصخرة وضعت من قبل مصمم ذكي؟

للعودة إلى سؤالك الأساسي. بادئ ذي بدء ، لسنا "بحاجة" إلى هندسة الأنظمة العكسية لفهمها ، في الواقع ، مع استثناءات قليلة جدًا ، لا يمكننا عكس هندسة الأنظمة البيولوجية (والتي تعتبر أيضًا "دليلًا" على التصميم الذكي بواسطة الطريقة ، في مثال رائع من ثمل إذا فعلت ذلك ، ثمل إذا لم تفعل ذلك). تتكون معظم تحليلات الأنظمة البيولوجية من المراقبة معهم.

على أي حال ، حتى لو أردنا الهندسة العكسية ، فهذا لا يعني بأي حال من الأحوال أن الأنظمة قد تم تصميمها في المقام الأول. هذا يشبه القول إنني إذا رأيتك تسير على الطريق اليوم ، فهذا يعني أنك بالأمس مشيت للخلف على نفس الطريق. إذا أردنا عكس هندسة نظام بيولوجي بنجاح ، فقد يعني ذلك ذلك نحن ذكية ، لكنها لا تعني شيئًا عن وجود خالق لهذه الأنظمة ، ناهيك عن ذكاء مثل هذا الكائن.


في الهندسة العادية ، يبدأ المرء بخطة لبناء آلة تخدم وظيفة معينة ثم تبني الآلة وفقًا للخطة. على النقيض من ذلك ، في الهندسة العكسية ، يبدأ المرء بآلة منتهية ويحاول تحديد الغرض منها وكيف تم بناؤها.

غالبًا ما يلاحظ سكوت مينيتش ، عالم الأحياء الجزيئية بجامعة أيداهو والمؤيد البارز للتصميم الذكي ، في محاضراته العامة أن الطريقة الوحيدة لعلماء الأحياء لفهم طريقة عمل الخلية هي الاقتراب من أنظمتها المختلفة كمهندس عكسي.

وبالتالي ، قد يأخذ عالم الأحياء الجزيئية نظامًا فعالاً في الخلية ، ويضطربها ، ويرى كيف تتصرف الخلية بشكل مختلف لاستنتاج وظيفة النظام. بدلاً من ذلك ، قد يتدخل عالم الأحياء الجزيئية في نقاط مختلفة في التجميع الذاتي للنظام لتحديد كيفية بناء النظام.

في جميع هذه الحالات ، يعمل عالم الأحياء الجزيئية كمهندس يقوم بتدخلات ذكية وليس كمقامر يرمي النرد. إذا احتجنا إلى علم الهندسة لفهم الأنظمة البيولوجية ، فلن يكون رهانًا غبيًا أن الأنظمة نفسها مصممة. هذا الجواب

أتاح ظهور علم الجينوم الوظيفي للعلوم الحيوية الجزيئية أن تقطع شوطًا طويلاً نحو توصيف المكونات الجزيئية للحياة. ومع ذلك ، فإن التحدي الذي يواجه علم الأحياء بشكل عام هو فهم كيفية عمل الكائنات الحية. من خلال اكتشاف كيفية ظهور الوظيفة في التفاعلات الديناميكية ، تتناول بيولوجيا الأنظمة الروابط المفقودة بين الجزيئات وعلم وظائف الأعضاء. تحدد بيولوجيا الأنظمة التنازلية شبكات التفاعل الجزيئي على أساس السلوك الجزيئي المترابط الذي لوحظ في دراسات "omics" على مستوى الجينوم. يفحص بيولوجيا الأنظمة التصاعدية الآليات التي تنشأ من خلالها الخصائص الوظيفية في تفاعلات المكونات المعروفة. هنا ، نحدد التحديات التي تواجهها بيولوجيا الأنظمة ونناقش قيود المناهج التنازلية والتصاعدية ، والتي ، على الرغم من هذه القيود ، أدت بالفعل إلى اكتشاف الآليات والمبادئ التي تكمن وراء وظيفة الخلية.

نحن نستخدم ملفات تعريف الارتباط للمساعدة في تقديم وتحسين خدماتنا وتخصيص المحتوى والإعلانات. من خلال الاستمرار فإنك توافق على استخدام ملفات تعريف الارتباط .


تخصص الهندسة البيولوجية

بصفتك طالبًا في الهندسة البيولوجية ، ستتعلم الجمع بين قوة مبادئ وتقنيات الهندسة مع علم الأحياء سريع التطور.

من خلال دمج الهندسة وعلم الأحياء ، يمكنك المساعدة في مواجهة بعض أكثر التحديات المحلية والوطنية والعالمية إلحاحًا اليوم. يعمل بعض طلابنا وخريجيننا على ضمان إمدادات غذائية وطاقة آمنة ومستدامة ، وحماية الموارد الطبيعية ، وتطوير أجهزة لمراقبة أو التدخل في آليات الكائنات الحية واستخدام المواد البيولوجية بطرق أخرى جديدة ومبتكرة.

تم اعتماد برنامج BE من قبل لجنة الاعتماد الهندسي لـ ABET ، http://www.abet.org. قد يسعى الطلاب للحصول على ترخيص مهني هندسي بعد التخرج.

تخصص في الهندسة البيولوجية

يركز برنامجنا على حل المشكلات والتصميم من خلال الهندسة البيولوجية. ستكون مستعدًا لمواكبة التطور المستمر في مجال من خلال تطوير أسس شاملة في أساسيات الهندسة وفهم واسع لعلم الأحياء الحديث. ستبني الدورات الدراسية الخاصة بك على قاعدة من سبع دورات أساسية في BE بالإضافة إلى مجموعة واسعة من المواد الاختيارية. ستجد أيضًا فرصًا في جميع أنحاء البرنامج لممارسة المهارات اللينة للعمل الجماعي والتواصل الفني المطلوب في مكان العمل الهندسي الحديث.

يقدم قسم الهندسة البيولوجية والبيئية برنامج درجة البكالوريوس في الهندسة البيولوجية. يتم التركيز بشدة على الرياضيات والعلوم الفيزيائية والبيولوجية وتحليل وتصميم الهندسة. يتبع برنامج الهندسة البيولوجية في BEE المتطلبات الأكاديمية لكلية الهندسة في كورنيل.

تبحث CALS عن الطلاب الذين يحافظون على منهج دراسي صارم في المدرسة الثانوية ويظهرون سجلًا متميزًا من التحصيل الأكاديمي. تشمل شروط القبول:

4 وحدات الرياضيات (بما في ذلك حساب التفاضل والتكامل)

3 وحدات علمية (أحياء ، كيمياء ، فيزياء)

يوصى أيضًا: وحدة إضافية للعلوم

يجب على الطالب الحاصل على بكالوريوس العلوم في برنامج الهندسة البيولوجية استكمال المتطلبات الأكاديمية المدرجة في صفحة المناهج. مطلوب ما لا يقل عن 128 ساعة معتمدة من الدورات.

BEE 3600 - الهندسة الحيوية الجزيئية والخلوية

ينظر إلى التكنولوجيا الحيوية على المستوى الخلوي والجزيئي. سيتم تقسيم التقدم في التكنولوجيا الحيوية إلى أجزائها الوظيفية باستخدام أدوات الهندسة البيولوجية (الديناميكا الحرارية ، والنقل ، وعلم الحركة ، وما إلى ذلك) لفهم كيف ولماذا يعملون مع التركيز على التصميم. تم إيلاء اهتمام خاص للعلاج الجيني والبيولوجيا التركيبية وهندسة البروتين وهندسة الأحماض النووية.

BEE 3500 - عمليات النقل البيولوجية والبيئية

يركز على فهم مبادئ انتقال الحرارة والكتلة في سياق النظم البيولوجية. يؤكد الفهم المادي لعمليات النقل ومعدلات التفاعل البسيطة مع أمثلة تطبيقية من بيولوجيا النبات والحيوان والبشر ، في البيئة الحيوية (التربة / الماء / الهواء) والمعالجة الصناعية للأغذية والمواد الحيوية.

BEE 4550 - هندسة النظم الدقيقة المستوحاة بيولوجيا

يغطي هذا المقرر الآليات الأساسية التي تستخدمها الطبيعة لبناء أنظمة المعيشة والتحكم فيها بمقاييس الطول الدقيقة والنانومترية لتصنيع أمثلة على أجهزة مقياس النانومتر / الميكرو لحل المشكلات المعاصرة في قطاع الصحة والبيئة. ستزود الجلسات المعملية الطلاب بخبرات عملية في زراعة الخلايا ، وجهاز ميكروفلويديك ، وتقنيات تصوير الخلايا الحية.

  • الأنظمة الجزيئية والخلوية
  • النظم البيئية والميكروبية
  • التكنولوجيا الحيوية النانوية
  • الهندسة البيولوجية الحسابية
  • علم الأحياء الاصطناعية
  • المواد الحيوية
  • الاستدامة

• تحديد وصياغة وحل المشكلات الهندسية المعقدة من خلال تطبيق مبادئ الهندسة والعلوم والرياضيات.

• تطبيق التصميم الهندسي لإنتاج الحلول التي تلبي الاحتياجات المحددة مع مراعاة الصحة العامة والسلامة والرفاهية ، فضلا عن العوامل العالمية والثقافية والاجتماعية والبيئية والاقتصادية.

• التواصل بشكل فعال مع مجموعة من الجماهير في الأنماط الكتابية والشفوية والمرئية.

• التعرف على المسؤوليات الأخلاقية والمهنية في المواقف الهندسية وإصدار أحكام مستنيرة ، والتي يجب أن تأخذ في الاعتبار تأثير الحلول الهندسية في السياقات العالمية والاقتصادية والبيئية والمجتمعية.

• العمل بفعالية في فريق يوفر أعضاؤه القيادة معًا ، ويخلقون بيئة تعاونية وشاملة ، ويضعون الأهداف ، ويخططون للمهام ، ويحققون الأهداف.

• تطوير وإجراء التجارب المناسبة ، وتحليل وتفسير البيانات ، واستخدام الحكم الهندسي لاستخلاص النتائج.

• اكتساب المعارف الجديدة وتطبيقها حسب الحاجة ، باستخدام استراتيجيات التعلم المناسبة.


الانتماءات

قسم علم الوراثة ، كلية الطب بجامعة هارفارد ، جامعة هارفارد ، 77 شارع لويس باستور ، بوسطن ، ماساتشوستس 02115 ، الولايات المتحدة الأمريكية.

قسم البيولوجيا والهندسة البيولوجية وقسم الفيزياء التطبيقية ، معهد هوارد هيوز الطبي ، معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (Caltech) ، M / C 114-96 ، باسادينا ، كاليفورنيا 91125 ، الولايات المتحدة الأمريكية.

كلية الطب بجامعة ستانفورد ، 473 عبر أورتيجا ، جامعة ستانفورد ، ستانفورد ، كاليفورنيا 94305 ، الولايات المتحدة الأمريكية.

قسم الهندسة البيولوجية ، مركز البيولوجيا التركيبية ، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) ، 500 ساحة التكنولوجيا ، كامبريدج ، ماساتشوستس 02139 ، الولايات المتحدة الأمريكية.

قسم الهندسة البيولوجية ، قسم الهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر ، مركز البيولوجيا التركيبية ، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) ، NE47-223 ، 500 ساحة التكنولوجيا ، كامبريدج ، ماساتشوستس 02139 ، الولايات المتحدة الأمريكية.

يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

يمكنك أيضًا البحث عن هذا المؤلف في PubMed Google Scholar

المؤلفون المراسلون


مكونات التثبيت الكربوني المعاد توصيله

ملخص

يشير التحليل السابق الذي أجريناه إلى أن الكثير من عدم كفاءة التمثيل الضوئي ينشأ لأن جميع خطوات التمثيل الضوئي الطبيعي تحدث داخل خلية واحدة [41 ، 42]. ببساطة ، خلية واحدة أفضل بكثير في امتصاص الضوء مما هي عليه في تثبيت ثاني أكسيد الكربون2، حتى عندما تكون معبأة بأول أكسيد الكربون2- تثبيت انزيم RuBisCO. تمتص الخلية ضوءًا أكثر بكثير مما يمكن أن تستخدمه لإصلاح ثاني أكسيد الكربون2ويتبدد الفائض على شكل حرارة. هذا يؤدي إلى موازاة غير فعالة لـ CO2- عملية التثبيت ، وتتسبب في انخفاض كفاءة التمثيل الضوئي إلى ما دون الحد الأقصى النظري [41 ، 42].

معدل عدم تطابق بين امتصاص الضوء وثاني أكسيد الكربون2- أدت القدرة على التثبيت في خلية واحدة إلى محاولات لإعادة أسلاك التمثيل الضوئي عن طريق الفصل المكاني لكل مهمة من المهام التي يتم إجراؤها عادةً معًا داخل كائن التمثيل الضوئي واستبدال بعضها بمكافئات غير بيولوجية. غالبًا ما يتم استدعاء هذه المخططات التركيب الكهربائي الجرثوميأو مؤخرًا إعادة تثبيت الكربون. على الرغم من أن الهدف في الأصل هو تمكين التقاط الطاقة الشمسية وتخزينها كوقود حيوي بكفاءات أعلى بكثير من التمثيل الضوئي ، فإن هذا الفصل يتيح استخدام علم الأحياء لتخزين الطاقة من أي مصدر كهربائي. يوضح الشكل 1 مخططًا للمكونات الرئيسية لنظام تثبيت الكربون المعاد توصيله: التقاط الطاقة المستدامة (الشكل 1 أ) فصل الماء (الشكل 1 ب) الكهروكيميائي CO2- التثبيت (الشكل 1 ج) والمزيد من التخفيض البيولوجي (الشكل 1 د) أو ثاني أكسيد الكربون البيولوجي2- التثبيت (الشكل 1 هـ) الانتقال بعيد المدى للإلكترون إلى التمثيل الغذائي البيولوجي (الشكل 1 و) وتخليق جزيئات تخزين الطاقة (الشكل 1 ز). التقاط الطاقة من مصادر الطاقة المستدامة (بما في ذلك الضوء) (الشكل 1 أ) ، وتقسيم المياه (الشكل 1 ب) ، وحتى الخطوات الأولية لثاني أكسيد الكربون2- التثبيت (الشكل 1 ج) يمكن الآن استبداله بعمليات غير بيولوجية ، ولكن التخفيض الكامل للكربون (الشكلان 1 د و هـ) وتخليق الجزيئات المعقدة (الشكل 1 ز) يظل عمل علم الأحياء حصريًا.

نظرة عامة على تقنيات تثبيت الكربون المعاد توصيله لتخزين الطاقة الكهربائية

تم بالفعل إجراء العديد من العروض التوضيحية لتثبيت الكربون المعاد توصيله ، وبعضها يتمتع بكفاءة تفوق كفاءة التمثيل الضوئي الطبيعي [43،44،45]. ومع ذلك ، حتى الآن ، بينما استعرضنا سابقًا بعض القيود التي تواجهها هذه الأنظمة [41] ، لم يقم أحد بإجراء مراجعة منهجية لخسائر الطاقة المحتملة في هذه الأنظمة ، وقام بعمل تقدير أعلى لكفاءة تخزين الطاقة المحتملة لهذه الأنظمة ، أو حدد المقايضات التي يجب أن تقوم بها مكونات هذه الأنظمة. في هذه المقالة ، نسعى إلى تحديد وفهرسة المعلمات اللازمة لإجراء هذا التقدير ، كما نحدد أيضًا مكونات النظام التي يمكن تحسينها بواسطة الهندسة البيولوجية.

نقل الإلكترون بعيد المدى وامتصاصه

نظرًا لأن التثبيت بالكربون المعاد توصيله يفصل العمليات التي تم إجراؤها في السابق داخل خلية واحدة ، فإنه يحتاج إلى آليات لتحريك الإلكترونات والكربون المختزل جزئيًا بين مكونات النظام التي تفصلها مسافات أطول بكثير من خلية واحدة. نقل الإلكترون بعيد المدى وآليات امتصاص الإلكترون من الأيض الذاتي غير المدفوع بالضوء لنقل الإلكترونات من الكاثود إلى المختزلات داخل الخلايا حيث يمكن استخدامها لتقليل الكربون هي السمة المحددة والتحدي الرئيسي لتثبيت الكربون المعاد توصيله. يمكن أن يفتح اختيار آلية نقل الإلكترون فرصًا فريدة لتصميم النظام ، ولكنه أيضًا يضع قيودًا فريدة.

إن الآليات الأكثر بروزًا لنقل الإلكترون بعيد المدى المستخدمة في تثبيت الكربون المعاد توصيله حتى الآن هما نقل الهيدروجين إلى H2- أكسدة الميكروبات [45 ، 46] ونقل الإلكترون خارج الخلية من المصفوفة الصلبة (SmEET) الذي يتم تمكينه بواسطة الشعيرة الموصلة التي تفرزها الميكروبات النشطة كهربيًا [41 ، 47]. ومع ذلك ، فإن هذه الآليات المعروفة تأتي مع عدد من العيوب بما في ذلك المعدل والأمان وقابلية التتبع الوراثي الضعيفة. يمكن أن تحل آليات نقل الإلكترون البديلة التي تعتمد على النقل وأكسدة مركبات الكبريت المختزلة والمصفوفات الموصلة الاصطناعية العديد من هذه القيود.

نقل الهيدروجين والأكسدة

في ظاهر الأمر ، يحتوي الهيدروجين على العديد من الميزات الجذابة كآلية نقل الإلكترون لتثبيت الكربون المعاد توصيله. تتطابق إمكانات الأكسدة والاختزال الخاصة بها جيدًا مع NAD (P) H ، المختزل داخل الخلايا المستخدم في CO2- التثبيت والعديد من تفاعلات التخليق الحيوي (-0.42 فولت مقابل قطب الهيدروجين القياسي (SHE) لمدة 2H + + 2e - / H2 و -0.32 V مقابل SHE لـ NAD (P) + + 2e - / NAD (P) H). يمكن إنتاجه بسهولة كهروكيميائيًا بكفاءة فارادايك عالية (& gt 90٪ [48]) في ظل ظروف مُحسَّنة ، ومن ثم نقله بسهولة إلى مزرعة ميكروبية في الطور الغازي وعلى عكس الوسائط الأخرى المحتملة للأكسدة والاختزال المنخفضة مثل ميثيل فيولوجين [49 ، 50] ليس له تأثير سلبي على سلامة الميكروبات [51].

بالإضافة إلى هذه المزايا الفيزيائية والكيميائية ، H2 يتأكسد في الخلية بواسطة إنزيمات الهيدروجين عالية النشاط التي تفرض حمولة بروتينية منخفضة جدًا على الخلية المضيفة [41]. في H2-الأكسدة ، كو2- إصلاح الميكروب رالستونيا eutropha، ح2 يتأكسد بواسطة هيدروجيناز داخلي مرتبط بالغشاء (MBH) وهيدروجينيز قابل للذوبان في السيتوبلازم (SH). يقوم هيدروجينيز المرتبط بالغشاء بحقن الإلكترونات من H.2- الأكسدة في سلسلة نقل الإلكترون على الغشاء الداخلي ، مما يؤدي في النهاية إلى تقليل O2 وإنشاء التدرج البروتوني ، والذي يستخدم لتوليد ATP [52]. يقلل الهيدروجين القابل للذوبان مباشرة NAD + إلى NADH [53]. R. eutropha يستخدم ATP و NADH لإصلاح CO2 من خلال دورة كالفين وسلسلة أخرى واختزالها إلى بوليمر بولي هيدروكسي بوتيرات تخزين الطاقة (PHB) [54]. يمكن إعادة توجيه هذا المسار لإنتاج أنواع من الوقود مثل الأيزوبيوتانول [43] ، أو الأيزوبروبانول [45] من الهيدروكيميائيات المختزلة2.

نظام تثبيت الكربون المعاد توصيله باستخدام H2 يتم إنتاجه بواسطة قطب كهربي من سبيكة Co-P مع جهد زائد منخفض مقترن بـ CO2- التثبيت وتوليف الوقود الحيوي R. eutropha حققت بالفعل كفاءة قصوى في تحويل الكهرباء إلى الوقود بنسبة 39٪. بافتراض كفاءة الطاقة الشمسية الكهروضوئية بنسبة 18 ٪ ، فإن هذا يتوافق مع كفاءة كحول الطاقة الشمسية إلى نسبة 7.1 ٪ [45]. هذا يتجاوز بشكل كبير كفاءة التمثيل الضوئي في العديد من المواقف العملية ويكاد يطابق الحد الأقصى من الكفاءة النظرية لعملية التمثيل الضوئي للطحالب (الشكل الأكثر كفاءة من التمثيل الضوئي). ومع ذلك ، لا يزال من غير الواضح إلى أي مدى تكون كفاءة هذا النظام عن الحد الأقصى النظري ، ولا توجد خارطة طريق لتحقيق هذه الكفاءة ، لا سيما من خلال الهندسة البيولوجية.

توسيع نطاق H2يطرح تثبيت الكربون المعاد توصيله بوساطة العديد من التحديات. أولاً ، من أجل استخراج أقصى قدر من الطاقة من H2يا2 مطلوب كمتقبل طرفي للإلكترون. يشكل هذا المزيج خطر انفجار كبير يمكن تخفيفه عن طريق تقليل O2 و ح2 التركيزات في النظام إلى ما دون عتبة الانفجار (& lt5٪ H2) ، ولكن هذا يأتي على حساب معدل التشغيل. ثانياً ، العديد من المواد عالية النفاذية لـ H.2 [55] ، مما يشكل تحديًا للسلامة وآلية فقدان الطاقة ، وقد يشكل خطرًا على المناخ العالمي [56]. في حين أن هذه المخاوف المتعلقة بالسلامة والتشغيل يمكن تخفيفها على نطاق المختبر ، فمن غير الواضح ما إذا كان يمكن نشر مثل هذا النظام بشكل موثوق على نطاق الشبكة بتكلفة معقولة.

حتى لو كان من الممكن التحايل على مخاوف السلامة هذه ، فإن قابلية الذوبان المنخفضة لـ H.2 في الماء يشكل تحديًا أكثر جوهرية (0.0016 جم / كجم H2O أو 0.8 مم لـ H.2 مقابل 1.69 جم / كجم H2O أو 38 مم لـ CO2 عند 20 درجة مئوية و 0.1 ميجا باسكال [57]). نموذج بسيط لتثبيت الكربون المعاد توصيله بوساطة H.2 أظهر الانتشار أن مساحات السطح الداخلية العالية للغاية ستكون مطلوبة للاستفادة الكاملة من التيار الناتج عن لوحة شمسية 1 م 2 [41]. سيتطلب هذا على الأرجح بعض الهندسة الإبداعية للحفاظ على كفاءة تحويل عالية للطاقة ، وتقليل خسائر H2، والحفاظ على سلامة مقبولة ، ومنع استهلاك البروتون بسبب تخليق الوقود مما يؤدي إلى زيادة درجة الحموضة في المحلول إلى مستويات لا يمكن السيطرة عليها [41]. في حين أن الحلول المبتكرة لهذه المشكلة موجودة بالفعل ، مثل مفاعل الغاز ذي الألياف المجوفة [58] ، فإن هذه الحلول تأتي على حساب تعقيد التصنيع العالي.

مصفوفة صلبة نقل الإلكترون خارج الخلية والاتصال المباشر

في الطرف المقابل من طيف المحاليل البيولوجية لنقل الإلكترون بعيد المدى توجد آليات مصفوفة صلبة لنقل الإلكترون خارج الخلية (SmEET) تستخدمها الميكروبات النشطة كهربيًا [47]. لاحظ أن التعريف المقبول على نطاق واسع لـ EET يشمل الوسائط القابلة للذوبان مثل الفلافين [59 ، 60] ، لكننا لا نناقشها هنا. يمكن أن تتغلب أنظمة المصفوفة الصلبة هذه على تحديات التصميم الناتجة عن التقلب وقابلية الذوبان المنخفضة لـ H.2 في الماء عن طريق نقل الإلكترونات على طول الأسلاك النانوية الموصلة التي تفرزها الخلية ، أو عن طريق التلامس المباشر لسطح الخلية مع قطب كهربائي [61].

يتضمن SMEET ثلاثة أجزاء: النقل بعيد المدى للإلكترونات غالبًا على أطوال خلايا عديدة من قطب كهربائي إلى سطح الخلية ، نقل الإلكترونات من سطح الخلية إلى سلسلة نقل الإلكترون في الغشاء الداخلي ، وأخيراً ، إنتاج اختزال داخل الخلايا يمكن أن يكون المستخدمة في أول أكسيد الكربون2- التثبيت أو الخفض الإضافي للكربون المختزل جزئياً. من بين هذه الخطوات الثلاث ، ربما تكون الخطوة الثانية ، وهي نقل الإلكترونات من الغشاء الخارجي إلى الغشاء الداخلي باستخدام معقد EET الممتد على الأغشية ، هي أفضل ما يمكن فهمه [62]. على حد علمنا ، كان هناك عرض واحد فقط للتثبيت الهندسي للكربون المعاد توصيله بوساطة SmEET حتى الآن ، والذي يكون فيه ثاني أكسيد الكربون2- تم تمكين إصلاح دورة حمض الكربوكسيليك العكسي (rTCA) في الميكروب النشط كهربائيًا Geobacter sulfurreducens بإضافة جين لياز سيترات المعتمد على ATP [63]. على الرغم من هذا الاختراق ، في وقت كتابة هذا التقرير ، لم تحقق أنظمة تثبيت الكربون المعاد توصيلها بوساطة SmEET نجاح H2أنظمة التوسط. تم اكتشاف عدد قليل من الكائنات الحية ، إن وجدت ، يمكنها امتصاص الإلكترونات وتثبيت ثاني أكسيد الكربون2، وتلبية احتياجات حلقة تصميم وبناء واختبار البيولوجيا التركيبية للنمو غير المتجانسة السريع والتعديل الوراثي السهل. علاوة على ذلك ، فإن تكوين الأغشية الحيوية وإفراز الأسلاك النانوية لا يفسح المجال لحلقة اختبار تصميم-بناء-اختبار قصيرة.

يترك عدم وجود كائن هيكل مناسب طبيعيًا للتثبيت بالكربون المعاد توصيله بوساطة SmEET خيار إنشاء هيكل صناعي عن طريق إضافة SmEET، CO2-تركيب جزيء تخزين الطاقة وتثبيته لمضيف قابل للهندسة للغاية مثل الإشريكية القولونية, الضمة الطبيعية، أو كائن حي به جينوم اصطناعي بالكامل. ال Shewanella oneidensis تمت إضافة كل من مجمع Mtr [64] ودورة كالفين [65] بشكل منفصل إلى بكتريا قولونية وتبين أنها تعمل ، على الرغم من أنها تعمل بمستوى أقل بكثير من مضيفيها الطبيعيين. سيتطلب جعل هذه الأنظمة تعمل بكامل إمكاناتها وبالتناغم في مضيف اصطناعي فهماً أكثر اكتمالاً لفيزياء وكيمياء ووراثة SmEET و CO.2-تثبيت.

تستطيع SMEET نقل الإلكترونات بين المصادر وتغرق عشرات إلى مئات الميكرونات من سطح الخلية عبر أسلاك نانوية ميكروبية [47 ، 61]. تمت دراستها في الأصل لنقل الإلكترون خارج الخلية ولكن يمكنها أيضًا نقل الإلكترونات إلى داخل الخلية. هناك جدل كبير حول آلية نقل الشحنة في الأسلاك النانوية [66 ، 67].

أيد Tender و Bond وزملاؤهم نموذج تدرج الأكسدة والاختزال للتوصيل في الأغشية الحيوية النشطة كهربائيًا ودرس على نطاق واسع في Geobacter الأغشية الحيوية [68،69،70] ، ولكن تمت دراستها مؤخرًا في أفلام المجتمع المختلط [71]. يعتمد هذا النوع من التوصيل على انتشار الأكسدة والاختزال بعيد المدى ، والذي يتم تمكينه عن طريق نقل الإلكترون قصير المدى بين عوامل مساعدة الأكسدة والاختزال المتقاربة والمضمنة في جميع أنحاء المصفوفة الموصلة التي تتكون من وحدات بروتينية ذاتية التجميع [72]. تم إنشاء نموذج التدرج الأكسجيني للتوصيل في دراسات بوليمرات الأكسدة والاختزال والهلاميات المائية التي تحتوي على عوامل مساعدة الأكسدة والاختزال [73]. تم استخدام علاقات التيار والجهد التي تنبأ بها هذا النموذج بنجاح لتلائم قياسات معدل نقل الإلكترون في Geobacter الأغشية الحيوية [68 ، 74]. أحد التنبؤات الرئيسية التي تم التحقق من صحتها تجريبياً لهذا النموذج هو ارتفاع موصلية الفيلم مع زيادة درجة الحرارة [69 ، 70].

ومع ذلك ، في حين أن أي واحد من عدد كبير من السيتوكرومات متعددة الهيم المعروف أن يفرز من قبل Geobacter sulfurreducens يمكن أن يكون مرشحًا محتملًا للعامل المساعد للاختزال المستخدم في توصيل الأغشية الحيوية ، ولا يوجد دليل بنيوي مباشر على التباعد بين الهيم ضمن مسافة قصيرة (≈ 10 Å) اللازمة للتنقل الإلكتروني قصير المدى اللازم لدعم نقل الإلكترون بالمعدل شوهد في أسلاك نانوية معزولة [70]. وبالتالي ، نموذج بديل للتوصيل في G. sulfurreducens تم دعم الأغشية الحيوية من قبل Malvankar و Tuominen و Lovely وزملاؤهم [70 ، 75] التي تعتمد على إلغاء تحديد موقع الشحنة بسبب تفاعلات تكديس pi في G. sulfurreducens بيوفيلم ، على غرار طريقة التوصيل في بوليانيلين. على عكس نموذج تدرج الأكسدة والاختزال ، يتنبأ هذا النموذج بأن الموصلية يجب أن تنخفض مع زيادة درجة الحرارة [75]. ومع ذلك ، في حين تم ملاحظة هذه النتيجة المتوقعة من قبل Malvankar وآخرون. [75] لم تره مجموعات أخرى [70].

يتم عرض مجموعة مختارة تمثيلية من القدرات الزائدة للأنظمة التي تتوسط فيها SmEET في الجدول 2. بالنظر إلى أن إمكانات الأكسدة والاختزال لمركب Mtr EET هي ≈ -0.1 V مقابل SHE [76 ، 77] ، الحد الأدنى من إمكانات الخلية في الكربون المعاد توصيله بوساطة EET نظام التثبيت مع أنود تقسيم الماء هو 1 فولت (-0.1 فولت - 0.82 فولت). تمثل القدرات الزائدة الموضحة في الجدول 2 جزءًا كبيرًا من هذا الحد الأدنى من فرق الجهد ، مما يشير إلى أنها يمكن أن تكون آلية فقدان طاقة كبيرة في تثبيت الكربون المعاد توصيله.

ما هو أدنى جهد زائد ، أو أعلى موصلية بيوفيلم يمكن تحقيقها؟ الحجم الأقصى Geobacter الموصلية الأغشية الحيوية التي لاحظها ييتس وآخرون. كان في حدود 5 × 10 -6S سم -1 عند 30 درجة مئوية (مقاومة 2 × 10 5 Ω سم) [69]. في المقابل ، Malvankar وآخرون. تقرير حجم أكبر بكثير Geobacter موصلية الغشاء الحيوي ≈ 5 × 10 -3 S سم -1 (2 × 10 2 Ω سم) [75]. مصدر هذا التناقض غير واضح. قياسات النجار وآخرون. من المعزولة المجففة S. oneidensis تشير الأسلاك النانوية إلى المقاومة في حدود 1 cm فقط [78]. حسابات Polizzi وآخرون. تشير إلى أن مثل هذه المقاومة المنخفضة في مادة بيولوجية لا يمكن تحقيقها إلا عن طريق نقل الإلكترون مع عوامل مساعدة الأكسدة والاختزال متقاربة للغاية (≈ 10 Å) ، وطاقات إعادة تنظيم منخفضة للغاية [72].

طورت الميكروبات سالبة الجرام معقدًا EET الذي يمتد عبر الفجوة المحيطية وينقل الإلكترونات بين الغشاء الخارجي وسلسلة نقل الإلكترون في الغشاء الداخلي. تم إنشاء هذا النموذج لأول مرة في الميكروب الكهربي S. oneidensis MR-1 ، الذي يستخدم مركب Mtr EET لطرد الإلكترونات من التمثيل الغذائي إلى ركائز خارجية مثل المعادن وأيونات المعادن وحتى الأقطاب الكهربائية في غياب O2، بشكل أساسي يتنفسون عليهم [47 ، 79]. توجد أيضًا أنظمة مماثلة تحتوي على مكونات متماثلة في الميكروبات النشطة كهربيًا التي تتخصص في امتصاص الإلكترون من أكسدة المعادن: مركب أكسدة الحديد الضوئي (Pio) في Rhodopseudomonas palustris TIE-1 [80] و الجراثيم البحرية [81]. في حين م. subterrani قابل للتعديل وراثيًا بسهولة ، فهو غير قادر على إصلاح ثاني أكسيد الكربون2. من ناحية أخرى، R. Palustris و S. lithotrophicus يمكن لكلاهما إصلاح ثاني أكسيد الكربون2، ولكن لا يتم تعديلها وراثيًا بسهولة. على حد علمنا ، لم ينجح أحد في الإقناع S. lithotrophicus في تكوين مستعمرات على أجار ، ناهيك عن نموها بطريقة غير متجانسة ، أو تعديلها وراثيًا. علاوة على ذلك ، روس وآخرون. [82] تمكنوا من إظهار أن مجمع Mtr في S. oneidensis كان قابلاً للعكس ، مما يسمح للإلكترونات المزودة كاثوديًا بتحفيز الاختزال المحيطي للفومارات. قياس إمكانات الأكسدة والاختزال لـ S. oneidensis مجمع Mtr EET بواسطة Firer-Sherwood وآخرون. [76] يشير إلى فرق محتمل بين الغشاء الخارجي للسيتوكروم MtrB وتجمع الكينون الذي يبلغ 0.0885 فولت فقط ، مما يشير إلى أن فقد الطاقة في هذه الخطوة يمكن أن يكون أقل بكثير من نقل الإلكترون من الكاثود إلى سطح الخلية.

تمكين CO2- يتطلب التثبيت نظامًا لتوليد اختزال داخل الخلايا منخفض الإمكانات مع إلكترونات مزودة كاثوديًا. في الطبيعة ، يتم تزويد هذه الإلكترونات عادةً بالميكروبات ذاتية التغذية مثل S. lithotrophicus عن طريق أكسدة الحديد (II) والحديد (II) المحتويان على المعادن. يثير هذا مسألة عدم تطابق الطاقة: في حين أن احتمالية الأكسدة والاختزال لـ NAD (P) + / NAD (P) H هي -0.32 فولت مقابل SHE [83] ، وإمكانات الأكسدة والاختزال لـ Fe (II) والعديد من المعادن المحتوية على Fe في يكون الرقم الهيدروجيني المحيطي أعلى بعدة مئات من المللي فولت [77]. بينما تحبه بعض الميكروبات المؤكسدة للحديد R. Palustris [84] يمكن استخدام الضوء كمصدر إضافي للطاقة للمساعدة في تقليل NAD (P) + ، والبعض الآخر مثل م. subterrani [81] و S. lithotrophicus ES-1 [80] قادر على سحب الإلكترونات من أكسدة معادن الحديد بدون مدخلات طاقة خارجية.

لطالما تم التكهن بأن مؤكسدات الحديد ذاتية التغذية تستخدم النقل الإلكتروني العكسي لتقليل NAD (P) + [85]. باختصار ، يُعتقد أن الميكروبات المؤكسدة بالحديد تستخدم مركب EET لنقل الإلكترونات عبر الفجوة المحيطة بالبلازما وإلى تجمع الكينون ، عند إمكانية الأكسدة والاختزال بحوالي -0.1 فولت مقابل SHE [77]. من هنا ينقسم تيار الإلكترونات الوارد إلى قسمين: يتم توجيه تيار واحد إلى أسفل في الطاقة نحو تقليل O2، لتوليد تدرج بروتون عبر الغشاء الداخلي للخلية. تُستخدم هذه القوة المحركة للبروتون لتوليد ATP ورفع طاقة التيار الثاني من الإلكترونات لتمكين تقليل NAD (P) +. وقد أُطلق على هذه العملية اسم "مسار الصعود" [77]. مؤخرا ، رو وآخرون. [86] قدمت أدلة دامغة على أن الإلكترونات المزودة كاثوديًا يمكن أن تقلل NAD (P) + in S. oneidensis، مما يشير إلى أن هذا الكائن الحي يحتوي بالفعل على مثل هذا المسار.

هل يجب أن يكون وجود طريق صعود في S. oneidensis بالتأكيد ، يتم طرح سؤالين فوريين: ما هي مكونات هذا المسار ، وكيف يتم تنظيم تدفق الإلكترون بين فرعي المسار صعودًا وهبوطًا؟ علاوة على ذلك ، إذا كان من الممكن عزل مكونات هذا المسار واستخدامها في تثبيت الكربون المعاد توصيله ، فما هي التكاليف التي يفرضها هذا النظام على كفاءة النظام الإجمالية؟

نقل الكبريت والأكسدة

ألهمت قيود نقل الهيدروجين و SmEET عمليات البحث عن آليات بديلة لنقل الإلكترون بعيد المدى. تم اقتراح العديد من الخيارات التي يمكن الحصول عليها من مصادر متجددة بما في ذلك الأمونيا (NH3) ، الفوسفيت (HPO3 -) ومركبات الكبريت المختزل (H2S ، S.2ا3 2- ، S.4ا6 2-) [87]. في حين أن الأمونيا لديها قابلية عالية للذوبان في الماء ، فإن منتج الأكسدة الأيضية NO2 - له سمية جرثومية عالية [87]. الفوسفيت ومنتج الأكسدة الخاص به (PO4 3-) ذات سمية منخفضة وكلاهما قابل للذوبان في الماء بدرجة عالية. ومع ذلك ، فإن استخدام الفوسفيت كوسيط للأكسدة والاختزال يأتي مع فقدان كبير للطاقة. يحتوي زوج الفوسفيت / الفوسفات على إمكانية الأكسدة والاختزال بنسبة -0.65 مقابل SHE. ومع ذلك ، يتبرع الفوسفيت بالإلكترونات مباشرة إلى NAD (P) + من خلال نازعة هيدروجين الفوسفيت ، مما يؤدي إلى خسارة مفرطة تزيد عن 300 مللي فولت [88].

يمكن العثور على الكبريت في الطبيعة في مجموعة واسعة من حالات الأكسدة ، من -2 حتى 6 ، مما يسمح له بحمل ما يصل إلى 8 إلكترونات لكل ذرة. يمكن استخدام كل حالة من حالات الأكسدة هذه ، باستثناء الحالات الأكثر تأكسدًا ، كمانح للإلكترون من أجل نمو الميكروبات ذات التغذية الكيميائية. أكثر مركبات الكبريت شيوعًا المستخدمة كمانحين للإلكترون هي كبريتيد الهيدروجين (H2S) ، عنصر الكبريت (S 0) ، رباعي (S.4ا6 2-) ، وثيوسلفات (S.2ا3 2-) [89]. يمكن أن يتأكسد كل من هذه المركبات ميكروبيًا إلى كبريتات (SO4 2-) [89]. مركبات الكبريت المختزلة (باستثناء S 0) قابلة للذوبان في الماء أكثر بكثير من الهيدروجين (2.5 جم / كجم H2O أو 110 ملم لـ H.2S ، 1.4 M لـ Na2س2ا3و 113 ملي مولار لـ Na2س4ا6، مقابل 0.8 ملم لـ H.2 عند 20 درجة مئوية) [90]. بالنظر إلى أن معدل نقل الانتشار يزداد مع تركيز الوسيط ، فإن هذا لديه القدرة على زيادة معدلات الطاقة بشكل كبير ونقل الشحنة إلى التمثيل الغذائي ، وتقليل التعقيد الداخلي لمفاعل التركيب الكهربائي [41]. نظرًا لأن مركبات الكبريت المختزلة تنقل الإلكترونات عن طريق الانتشار ، بدلاً من الاعتماد على مصفوفة صلبة ، فهي مناسبة لدورة التصميم والبناء والاختبار السريعة المستخدمة في البيولوجيا التركيبية. علاوة على ذلك ، فإن كبريتيد الهيدروجين ، وثيوسلفات ورباعي تراثيونات أقل تطايرًا وقابلية للاشتعال من الهيدروجين ، مما يقلل بشكل كبير من مخاوف السلامة التشغيلية [91].

أصبح من الممكن الآن إعادة تدوير الكبريتات كهربائياً ، مما يتيح النقل المستمر للإلكترونات إلى التمثيل الغذائي الميكروبي من الكاثود. أظهر Bilal و Tributsch اختزالًا للكبريتات إلى كبريتيد على قطب الجرافيت بإمكانية مطبقة تبلغ 1.5 فولت مقابل SHE ، مع انحياز 1 فولت ، عند درجات حرارة قريبة من 120 درجة مئوية [92]. يمكن أيضًا اختزال الكبريتات مباشرة إلى رباعي الراثيونات عند تطبيق جهد 1.7 فولت مقابل SHE على قطب كربون زجاجي [93 ، 94]. في حين أن تقليل الكبريتات الكهروكيميائية مباشرة إلى الثيوسلفات يكون أمرًا صعبًا على نطاق المختبر نظرًا لارتفاع طاقة جيبس ​​الحرة لهذا التفاعل (ΔG ≈ 700 كيلوجول مول -1) [95] ، من الممكن أن يتم تحفيز هذا التخفيض بخطوات اختزال متعددة [96 ، 97].

غالبًا ما توجد الميكروبات المؤكسدة للكبريت في منطقة الخلط بين مياه البحر المؤكسجة والسوائل الحرارية المائية المنخفضة بالقرب من الفتحات الحرارية المائية في أعماق البحار. وتشمل الأنواع التي تعيش بحرية ثيوميكروسبيرا و Beggiatoa توجد فوق قاع البحر [98], بينما مثل الأنواع سلفوريموناس توجد تحته [99]. بشكل مثير للدهشة ، غالبًا ما توجد الميكروبات المؤكسدة للكبريت داخل اللافقاريات التي تعيش بالقرب من الفتحات الحرارية المائية ، مما يزودها بالسكر المنتج مباشرةً من ثاني أكسيد الكربون المذاب في مياه البحر [99،100،101].

هناك مساران معروفان لأكسدة الكبريت يمكّنان الكائنات الحية الدقيقة من أكسدة مركبات الكبريت المختزلة بما في ذلك كبريتيد الهيدروجين (الشكل 2) ، ورباعي (الشكل 3) ، وثيوسلفات (الشكل 4) إلى الكبريتات واستخدام الطاقة المستخرجة والشحن لتزويد الطاقة بالتغذية الكيميائية. الأيض. في نظام Sox (أكسدة الكبريت) (الأشكال 2 أ و 3 أ و 4 أ) ، تم إنشاؤه لأول مرة في دراسات باراكوكوس بانتوتروفوس و سلفوريموناس دينتريفيكانس ، يتم تجميد مركبات الكبريت المختزل على بروتين SoxY وتتأكسد بشكل متكرر بواسطة بروتين SoxCD ، قبل الأكسدة النهائية للكبريتات بواسطة SoxB [102 ، 103].

المسارات الأنزيمية لأكسدة كبريتيد الهيدروجين المختزل كهربائياً. في مسار Sox (أكسدة الكبريتيد) (أ) ، الموجود في محيط الكائن الدقيق ، يرتبط الكبريتيد بإنزيم SoxY من خلال ذرة سيستين-كبريت (SoxY-S -) ويتأكسد بالتتابع إلى كبريتات. يُعتقد أن SoxCD يحفز الأكسدة حتى الكبريتيت (SO3 -) ، مع الأكسدة النهائية للكبريتات (SO4 2-) محفز بواسطة SoxB. مسار كبريتيد الكينون أوكسيريدوكتاز (SQR) (ب) ، يتضمن تكوين الكبريت العنصري الوسطي الحر (S 0) ، الكبريتيت (SO3 2-) و APS (أدينوزين-5′-فوسفوسلفات). في هذا المسار ، يتأكسد كبريتيد الهيدروجين أولاً إلى كبريت في تفاعل 2 إلكترون بواسطة كبريتيد: اختزال الكينون (SQR). في Beggiatoa يترسب هذا الكبريت ويتم تخزينه في حبيبات داخل الخلايا.عندما يتم استنفاد إمداد الكبريتيد ، يمكن تحويل عنصر الكبريت مرة أخرى إلى كبريتيد قابل للذوبان وإرساله إلى السيتوبلازم بواسطة اختزال الكبريتيت Dissimilatory sulfite reductase (Dsr) ، وهو غشاء يمتد إلى siroheme. يتأكسد الكبريتيد بشكل أكبر إلى الكبريتيت عن طريق Dsr (rDsr) ، ثم إلى الكبريتات إما عن طريق اختزال APS و ATP sulfurylase ، أو Adenosine 5’-monophosphate (AMP) - مستقل نازع هيدروجين الكبريتيت (Sdh). تكتمل هذه الدورة عندما يتم تقليل الكبريتات كهربائياً إلى الكبريتيد عند الكاثود. تم تجميع هذا الرقم مع معلومات من المراجع [103 ، 104 ، 137 ، 138]

المسارات الأنزيمية لأكسدة رباعي تراثيونات مخفض كهربائيا. رباعي (S.4ا6 2-) يتأكسد بغشاء تيتراثيونات هيدرولاز (TTH) إلى كبريتات وثيوبيروكسيمونوسلفات (S3ا3 2-) التي تتفكك تلقائيًا إلى كبريت (S 0) وثيوسلفات (S.2ا3 2- ). (أ) يتأكسد الثيوسلفات عبر مسار Sox ، على غرار ما هو مبين في الشكل 2 أ. ومع ذلك ، فإن خطوة الأكسدة الإضافية ، التي تم تحفيزها بواسطة SoxB في بداية المسار ، تطلق جزيء كبريتات إضافي ، يمكن أيضًا إعادة تدويره مرة أخرى إلى رباعي السواحل عن طريق تقليل الكاثود. (ب) يتم تحويل عنصر الكبريت إلى كبريتيد بواسطة اختزال كبريتيد Dissimilatory (Dsr) ، ثم باتباع المسار الموضح في الشكل 2 ب ، يتأكسد الكبريتيد إلى كبريتات. تكتمل هذه الدورة عندما يتم تقليل الكبريتات كهربائيًا إلى رباعي الراثيونات عند الكاثود

المسارات الأنزيمية لأكسدة الثيوسلفات المختزلة كهربائياً. على الرغم من صعوبة ذلك ، قد يكون من الممكن اختزال الكبريتات الكهروكيميائية إلى ثيوسلفات (لقد وضعنا في تفاعل الكبريتات إلى ثيوسلفات للإشارة إلى هذه الصعوبة). يمكن أكسدة الثيوسلفات مباشرة إلى كبريتات من خلال نظام Sox (أ). أيضًا ، الثيوسلفات المرتبط بالغشاء: يمكن أن يؤكسد الكينون أوكسيريدوكتاز (TQO) ثيوسلفات ليتراثيونات في تفاعل 2 إلكترون (ب) ، متبوعًا بالأكسدة إلى الكبريتات من خلال مسارات أكسدة رباعي الإيثيونات الموضحة في الشكل 3. وتكتمل هذه الدورة عندما يتم تقليل الكبريتات الكهروكيميائية مرة أخرى إلى ثيوكبريتات عند الكاثود

يمكن أن تحدث أكسدة مركبات الكبريت المختزلة أيضًا من خلال سلسلة من المواد الوسيطة غير الثابتة عبر مسار الكبريتيد الكامل: مسار الكينون أوكسيريدوكتاز (SQR) (الشكل 2 ب) أو أجزاء منه (الشكلان 3 ب و 4 ب). عند البدء بحرف H2S ، الكائنات الحية الدقيقة مثل Thiobacillus denitreficans و Beggiatoa استخدم الكبريتيد أولاً: أوكسيريدوكتاز كينون لأكسدة H2S إلى الكبريت العنصري غير القابل للذوبان (S 0) الذي يتراكم في محيط الخلية [104]. عندما يتم استنفاد إمداد الكبريتيد ، يتم تقليل الكبريت المخزن أولاً إلى H2S - عن طريق اختزال كبريتات الكبريتيت المشتت (Dsr) ، متبوعًا بأكسدة 6 إلكترونات إلى الكبريتيت عند إمكانية الأكسدة والاختزال البالغة -0.16 فولت مقابل SHE بالعكس اختزال كبريتيت مشتت (rDsr) [89 ، 95]. أخيرًا ، يتأكسد الكبريتيت إلى كبريتات مع إطلاق إلكترونين (الشكل 2 ب).

يمكن تجاوز الخطوة الأولى من مسار SQR لتمكين أكسدة رباعي (S4ا6 2-) ، وثيوسلفات (S.2ا3 2-) (الشكلان 3 ب و 4 ب). يتأكسد رباعي تراثيونات أولاً بواسطة تيتراثيونات هيدرولاز (TTH) إلى كبريتات وثيوبيروكسيمونوسلفات (S3ا3 2-). ثم يتفكك Thioperoxymonosulfate إلى ثيوسلفات والكبريت الأولي الذي يتأكسد بواسطة مسار Sox وخطوات SQR اللاحقة لمسار SQR على التوالي (الشكلان 3 أ و ب).

يتأكسد الثيوسلفات أولاً بواسطة ثيوسلفات: كينون أوكسيريدوكتاز (TQO) إلى رباعي تراثيونات والذي يتأكسد بعد ذلك بواسطة TTH لإنتاج الكبريتات وثيوبيروكسيمونوسلفات. كما كان من قبل ، يتفكك ثيوبروكسيمونوسلفات بعد ذلك إلى ثيوسلفات والكبريت الأولي الذي يتأكسد بواسطة مسار Sox وبعد خطوات SQR لمسار SQR على التوالي (الشكلان 4 أ و ب).

في جميع مسارات أكسدة الكبريت ، تتأكسد ركائز البداية إلى كبريتات قبل الأكسدة النهائية للكبريتات. في حين أن إمكانات اختزال الكبريتيت / الكبريتات منخفضة للغاية (E = -515 mV مقابل SHE) [83] ، في وقت كتابة هذا التقرير ، لم نكن على دراية بأي تقارير عن إنزيم يحفز نقل الإلكترونات من الكبريتيت إلى NAD (ف) + [87]. لذلك ، يُعتقد أن الاستخدام الميكروبي لأنواع الكبريت المختزل ينطوي على تدفق الإلكترون العكسي (المعروف أيضًا باسم مسار الصعود). في حالة استخدام أكسدة الكبريت في تثبيت الكربون المعاد توصيله ، فإن تأثير استخدام تدفق الإلكترون العكسي على كفاءة النظام غير معروف. ومع ذلك ، قد يؤدي استخدام تدفق الإلكترون العكسي إلى تجنب الخسائر المفرطة التي تظهر في أكسدة الفوسفيت.

بالإضافة إلى الخصائص الفيزيائية والكيميائية المرغوبة لمركبات الكبريت المختزلة ، فإن هذا النمط من نقل الإلكترون بعيد المدى يأتي أيضًا بمزايا بيولوجية. يتكون كل مسار من مسارات أكسدة الكبريت المعروضة هنا من عدد كبير من الجينات ، وكثير منها معروف ، مما يجعل إعادة التكوين في مضيفات غير متجانسة مثل بكتريا قولونية أو V. natriegens صعب ولكن شبه مؤكد ممكن. علاوة على ذلك ، يوجد عدد كبير من الكائنات الحية التي تستخدم أكسدة الكبريت في مجموعة واسعة من البيئات ذات الأس الهيدروجيني ودرجات الحرارة المختلفة [105]. يعطينا هذا مجموعة كبيرة من الخيارات التي يمكن من خلالها العثور على كائن حي يمكن تتبعه بسهولة وراثيًا والذي يمكن تمييزه للعثور على المجموعة الكاملة من الجينات اللازمة لأكسدة الكبريت وربما واحدًا يلبي احتياجات حلقة تصميم واختبار وبناء البيولوجيا التركيبية ، و نظام تثبيت الكربون المعاد تشغيله بالكامل.

المصفوفات الموصلة الاصطناعية

يمكن معالجة القيود المفروضة على الأغشية الحيوية النشطة كهربيًا التي تحدث بشكل طبيعي أثناء مرحلة النماذج الأولية للبيولوجيا التركيبية وبعد ذلك أثناء التطبيق من خلال بناء مصفوفات موصلة اصطناعية مصممة خصيصًا لتثبيت الكربون المعاد توصيله.

توضح الأعمال الحديثة أن المصفوفات الموصلة غير المركبة بيولوجيًا يمكن أن تعزز إنتاج الطاقة في خلايا الوقود الميكروبية. يو وآخرون. [106] طور مصفوفة موصلة اصطناعية مكونة من جزيئات الجرافيت ملفوفة في سلاسل بوليمر موصلة من البولي بيرول. خلية وقود جرثومية باستخدام S. oneidensis مدمجة في هذه المصفوفة الاصطناعية تنتج طاقة 11 مرة أكثر من خلية مماثلة باستخدام طبيعي S. oneidensis بيوفيلم. إستيفيز كاناليس وآخرون. [107] طور مصفوفة موصلة اصطناعية لـ G. sulfurreducens يتكون من ألياف الكربون اللباد المضمنة في هلام السيليكا. سمح مركب السيليكا والكربون بتغليف سريع لـ G. sulfurreducens، والتي يمكن أن تسمح بالنماذج الأولية السريعة للميكروبات النشطة كهربيًا في المختبر. ومع ذلك ، فإن أيًا من هذه الأساليب غير قابل للتجميع الذاتي والأهم من الإصلاح الذاتي ، والذي من شأنه أن يسمح لنظام تثبيت الكربون المعاد توصيله بالحفاظ على نفسه على مدى فترات طويلة من الزمن.

إن التطورات الحديثة في التصميم الحسابي لجزيئات البروتين التي تتجمع ذاتيًا في هياكل ممتدة تفتح إمكانية إنشاء مصفوفة موصلة بيولوجية اصطناعية. جونين وآخرون. [108] صممت أوليغومرات البروتين المتجانسة التي يمكن أن تتجمع ذاتيًا في مصفوفات بروتين ثنائية الأبعاد بسماكة قصوى من 3 إلى 8 نانومتر ، وبطول أقصى يبلغ 1 ميكرومتر [108]. في هذه الأثناء ، شين وآخرون. صممت مونومرات بروتينية يمكنها أن تتجمع ذاتيًا في خيوط يبلغ طولها عدة ميكرومتر [109].

يمكن تصميم مصفوفة موصلة بيولوجية اصطناعية لاختبار النظريات المتنافسة للتوصيل في الأغشية الحيوية الطبيعية وتحسين موصلية الأغشية الحيوية الموصلة التي تحدث بشكل طبيعي من أجل تقليل فقد الطاقة في تثبيت الكربون المعاد توصيله. يمكن لفئة تصميم واحدة اختبار نموذج تدرج الأكسدة والاختزال للتوصيل الذي شوهد في Geobacter الأغشية الحيوية. يمكن تصميم هذه الفئة من المصفوفة الموصلة باستخدام روابط معدنية متقاربة (& lt10 Å) [110] والتي تعمل كعوامل مساعدة الأكسدة والاختزال لتمكين انتشار الأكسدة والاختزال لمسافات طويلة. يمكن لفئة بديلة من التصميم اختبار نموذج المعدن العضوي للتوصيل. يمكن تصميم هذه الفئة من التصميم بحيث تحتوي على تفاعلات تكديس pi محاذاة لتمكين إلغاء تحديد موقع الشحن. إذا ، مثل Polizzi وآخرون. تخمين [72] ، تم تحسين توصيل الأسلاك النانوية الفردية بشكل كبير بالفعل (معزولة S. oneidensis تمتلك الأسلاك النانوية بالفعل موصلية عالية تصل إلى 1 S cm -1 [78]) ، ولا يزال من الممكن إجراء تحسينات كبيرة في الموصلية السائبة (G. sulfurreducens الأفلام لها موصلية بين (5 × 10 -3 S سم -1 [69] و 5 × 10 -6 S سم -1 [75]) عن طريق زيادة كثافة تعبئة الأسلاك النانوية في مصفوفة موصلة. علاوة على ذلك ، في المستقبل ، قد يكون من الممكن تصميم مصفوفة موصلة تركيبية تكميلية ومركب EET التخليقي مع إمكانات الأكسدة والاختزال المتطابقة جيدًا مع NAD (P) H ، مما يسمح بالاختزال المباشر دون الحاجة إلى مسار صعود.

في تثبيت كربون الخلية

درجة حرارة الغرفة وضغطها ، وتثبيت الكربون بالهواء الحر للكربوهيدرات والهيدروكربونات مدفوعة بفصل الماء المفعل بالضوء أو من مانحين إلكترونيين غير عضويين مثل Fe (II) ، H2، ومركبات الكبريت المختزلة هي واحدة من أكثر السمات جاذبية في علم الأحياء. في حين R. eutropha هو كائن هيكل جذاب للغاية لـ H2تثبيت الكربون المعاد توصيله لأنه يحتوي على كل من H2-الأكسدة وأول أكسيد الكربون2- القدرة على التثبيت ، ونقص ثاني أكسيد الكربون2- القدرة على التثبيت في العديد من الكائنات الحية الأكثر قابلية للهندسة لتثبيت الكربون المعاد توصيله ، مثل بكتريا قولونية, الخامس. ناتريجينز، والكائنات الاصطناعية بالكامل ، يزيد من الحاجة إلى إضافتها. توفير مجموعة كبيرة من ثاني أكسيد الكربون المتطور بشكل طبيعي2- مسارات التثبيت وعدد متزايد من البدائل الاصطناعية المقترحة وحتى المنفذة (الجدول 3) ، وهذا يثير اختيار أي منها يجب إضافته.

في نظام متكامل مثل التمثيل الضوئي الطبيعي ، حيث يقوم ثاني أكسيد الكربون2- يتم إجراء التثبيت والتقاط الضوء في نفس الخلية ، ويمكن أن يتجاوز إمداد الفوتون أقصى معدل ممكن لاستخدام الفوتون [41 ، 111]. هذا يعني أنه بالنظر إلى الاختيار بين الكفاءة الديناميكية الحرارية ومعدل ثاني أكسيد الكربون2-التثبيت ، من المحتمل أن يتداول التطور ببعض الكفاءة لمعدل التثبيت ، حيث يوجد غالبًا إمداد وافر من الفوتونات.

من ناحية أخرى ، في نظام منفصل مثل تثبيت الكربون المعاد توصيله ، يكون ثاني أكسيد الكربون الكلي2- يمكن زيادة معدل التثبيت عن طريق توصيل المزيد من الخلايا. هذا يعني أنه كلما كان نظام نقل الإلكترون بعيد المدى أكثر كفاءة ، زاد اختيار ثاني أكسيد الكربون2- يمكن أن تتحول طريقة التثبيت من طريقة سريعة إلى طريقة فعالة من الناحية الديناميكية الحرارية.

الخيار الأول الأكثر طبيعية لآلية تثبيت الكربون للهندسة في هيكل تثبيت الكربون المعاد توصيله هو دورة Calvin-Benson-Bassham (دورة CBB أو Calvin) (الجدول 3). دورة كالفين هي الوضع السائد لتثبيت الكربون المستخدم في الطبيعة وهي إلى حد بعيد أفضل خصائصها. تم إجراء عدة محاولات لزيادة التعقيد والنجاح في إضافة جزء أو كل دورة كالفن إلى بكتريا قولونية لتحويلها إلى ذاتية التغذية. في الآونة الأخيرة ، أنتونوفسكي وآخرون. [65] أظهر تركيب السكريات من الكربون الثابت مع دورة كالفين في بكتريا قولونية، لكنهم لم يتمكنوا من تجميع الكتلة الحيوية. ومع ذلك ، على الرغم من هذه المزايا ، فإن دورة كالفين لديها متطلبات ATP عالية ومختزل (Ffixin و NAD (P) H) لكل جزيء ركيزة ، وحركية المسار البطيئة (الجدول 3) بسبب الأداء التحفيزي الضعيف للكربوكسيلاز: RuBisCO. بصرف النظر عن بطء ثاني أكسيد الكربون2 معدل التثبيت ، لدى RuBisCO أيضًا تفاعل جانبي غير مرغوب فيه مع O2، لإنتاج جزيء واحد من جليكولات -2 فوسفات (G2P) وجزيء واحد من 3-فوسفوجليسيرات ، بدلاً من جزيئين من 3-فوسفوجليسيرات. إعادة تدوير G2P عن طريق التنفس الضوئي تطلق ثاني أكسيد الكربون2 ويتطلب ATP و NADPH. تحت الغلاف الجوي الحالي CO2 في التركيزات وعند 25 درجة مئوية ، يرفع التنفس الضوئي الحد الأدنى من المتطلبات الكمية لـ C3 التمثيل الضوئي من 8 إلى 13 فوتونًا لكل ثاني أكسيد الكربون2 مستوعب [112]. تشير التقديرات إلى أن ما يصل إلى 30٪ من ناتج التمثيل الضوئي يُفقد من خلال التنفس الضوئي [113]. تقلل بعض الكائنات الحية التي تستخدم دورة كالفن من خسائر الطاقة بسبب التنفس الضوئي باستخدام ثاني أكسيد الكربون2- آليات التركيز مثل خلايا غمد الحزمة في C.4 النباتات و carboxysomes في البكتيريا الزرقاء.

بالنظر إلى هذه القيود ، يمكن أن تكون دورات تثبيت الكربون الأخرى الموجودة في الطبيعة جذابة (الجدول 3). من المتصور ، نظرًا للتطورات الحديثة في التقسيم إلى أجزاء في البيولوجيا التركيبية [115 ، 116] أن المسارات عالية الكفاءة مثل مسار Wood-Ljungdahl التي تتطلب ارتفاع ثاني أكسيد الكربون2 يمكن تنفيذ التركيزات تحت الغلاف الجوي CO2 التركيزات في كائنات تثبيت الكربون المعاد توصيلها باستخدام مقصورات تركيز الكربون الاصطناعية أو الكربوكسيسومات المعبر عنها بشكل غير متجانس [117].

أخيرًا ، أدت القيود المفروضة على دورات ومسارات تثبيت الكربون التي تحدث بشكل طبيعي إلى جهود لتصميم آليات تثبيت الكربون الاصطناعي بمعدلات وكفاءة حركية أعلى من الآليات الطبيعية من خلال مجموعات جديدة من الإنزيمات الطبيعية والاصطناعية. يتم عرض مجموعة تمثيلية من الدورات الاصطناعية الواعدة في الجدول 3.

شركة تنفيذية2- يظل التثبيت في مضيف غير أصلي يمثل تحديًا كبيرًا في البيولوجيا التركيبية ، ولكن تم إحراز تقدم كبير في العقد الماضي. يمكن تحقيق اختراقات مستقبلية في هذا المجال باستخدام أدوات أفضل لتطور ذاتية التغذية ، CO2- إصلاح الكائنات الحية ، وتحسين أدوات بيولوجيا الأنظمة لفهم جينومات الكائنات غير المتجانسة مثل R. eutropha و كلاميدوموناس رينهاردتي [118].


صندوق أدوات موسع لبناء الجينوم والتلاعب به

تتوفر حاليًا مجموعة متنوعة من الأدوات لتعطيل الجينات المستهدفة وتكوينها (الشكل 3). تختلف هذه الأدوات بشكل كبير في كفاءة الاستهداف وسهولة إعادة الاستهداف والفعالية عبر مجموعة متنوعة من الكائنات الحية المختلفة (الجدول الأول). نحن نركز على أولئك الذين لديهم إمكانات أكبر لتمكين إجراء تغييرات واسعة النطاق على جينومات مفردة أو متعددة عن طريق استبدال التسلسلات المتجاورة الكبيرة أو تعديل العديد من المواقع الأصغر بشكل متسلسل أو بالتوازي.

فصل نظام قابل للبرمجة كفاءة مضاعفة أمثلة الكائن الحي
خصوصية موقع البروتين تكامل محدود عالي لا λ-int ، C31 ب ، ف ، م
ريكومبيناز محدود عالي لا كري ، فلب ، آر إم سي إي ب ، ف ، م
إصبع الزنك معتدل عامل يمكن ZF-FokI و ZF-Tn3 ب ، ف ، م
مستجيب TAL متوسط ​​/ مرتفع عامل يمكن TAL-FokI ب ، ف ، م
خصوصية موقع الحمض النووي ريترو ينقول معتدل عامل يمكن Ll.LtrB intron ب
dsDNAHomol. recomb. عالي قليل لا λ-أحمر ، إعادة تعيين (بي ام)
ssDNAHomol. recomb. عالي عالي نعم Redβ، RecT (بي ام)
كريسبر / كاس عالي عامل يمكن كاس 9 بي ام
من جديد نتيجة الجمع بين الطريحة والنقيضة عامل عالي غير متاح غير متاح M. mycoides بي ام
  • الاختصارات: B ، البكتيريا M ، metazoan N / R ، غير ذات الصلة P ، النباتات () ، لم تعمل في جميع الأنواع التي تم اختبارها.

هندسة الجينوم المستهدفة

إعادة التركيب

نظرًا لأن توصيل التركيبات الجينية الكبيرة إلى العديد من أنواع الخلايا أمر صعب ، فإن الطرق عالية الكفاءة لإعادة تجميع الجينوم المضيف مع بنية مقدمة مفيدة للتطبيقات التي تتطلب كميات كبيرة من الحمض النووي الغريب أو استبدال العديد من الجينات المجاورة بمتغيرات معدلة أو اصطناعية. إعادة التركيب عبارة عن إنزيمات مرتبطة بالحمض النووي تحفز تفاعلات ربط الحمض النووي عالية النوعية والفعالة بين موقعين. أدرجت التجارب المبكرة مع recombinases المشتقة من الملتهمة بشكل لا رجعة فيه بنيات دائرية تحتوي على موقع phage attP في موقع attB لجينوم المضيف الذي تستخدمه عادة العاثية (Mizuuchi and Mizuuchi ، 1980). أظهر العمل اللاحق أن هذه "الجمل المتكاملة" يمكن أن تؤدي دورًا مشابهًا في مجموعة متنوعة من الأنواع إذا تم إدخال موقع attB أو attP المناسب في الجينوم بوسائل أخرى (كيلبي وآخرون، 1993) ، أو قد تستخدم بدلاً من ذلك مواقع "pseudo-att" الأصلية للجينوم بكفاءة أقل إلى حد ما (Thyagarajan وآخرون، 2001). recombinase كري ، في الأصل من فج P1 (ستيرنبرغ وآخرون، 1981) ، هو المعيار الذهبي لإعادة التركيب الفعال للمواقع المستهدفة عبر مجموعة متنوعة من الأنواع. ومع ذلك ، فإن الاختلاط المقارن يؤدي إلى تسمم في بعض حقيقيات النوى ، مما يؤدي إلى تطوير Flp recombinase كبديل (Turan وآخرون، 2011). على عكس الجمل المدمجة ، فإن Cre و Flp عبارة عن إنزيمات قابلة للعكس تعيد عادةً تجميع موقعين متطابقين للتعرف على التسلسل المتداخل أو إزالتهما ، ولكن يمكن جعلهما لا رجوع فيهما عن طريق استخدام نصف المواقع `` المسمومة '' التي تولد موقعًا غير نشط عند إعادة التركيب (Schlake و Bode ، 1994 ألبرت وآخرون, 1995 ).

في سياق هندسة مقياس الجينوم ، تكون إعادة التركيب أكثر فائدة لإدخال بنيات DNA كبيرة بكفاءة في الجينوم. من خلال إحاطة تسلسل داخلي مع مواقع التعرف المتعامد من نوعين مختلفين من إعادة التركيب أو موقعين متعامدين معترف بهما نفس إعادة التركيب ، يمكن استبدال التسلسل ببنية مانحة اصطناعية تحتوي على مواقع متوافقة (Schlake and Bode ، 1994 Missirlis وآخرون، 2006 شيرين وآخرون، 2007). من خلال ثلاثة أزواج من المواقع المتعامدة ، يمكن استخدام هذه التقنية لإدخال شرائط كبيرة بشكل متكرر في جينومات العديد من الكائنات الحية المختلفة لا نهاية (توران وآخرون، 2011 Obayashi وآخرون، 2012). لسوء الحظ ، تتطلب عمليات إعادة التركيب مواقع التعرف الموجودة مسبقًا ، والتي يجب تقديمها إلى الموقع المستهدف بطريقة أخرى. على الرغم من أن طرق التطور الموجهة قد أسفرت عن إعادة تكوين قادرة على التعرف على المواقع البديلة (Buchholz and Stewart ، 2001 Sarkar وآخرون، 2007) ، فإن مثل هذه الأساليب حاليًا شاقة للغاية بالنسبة لمعظم المختبرات. قد تؤدي الأساليب الجديدة لأداء التطور الموجه إلى تخفيف هذا القيد (Esvelt وآخرون، 2011). يتضمن البديل الواعد القائم على التصميم استبدال مجال ربط الحمض النووي الأصلي بمجال خارجي يمكن تصميمه بسهولة أكبر لاستهداف سلسلة من الاهتمامات (Akopian) وآخرون، 2003). على الرغم من أن الإنزيمات الكيميرية الناتجة شديدة التحديد ، إلا أنها غير فعالة حاليًا مقارنةً مع إعادة التركيب الطبيعي (Gordley وآخرون، 2009). من المحتمل أن تكون هناك حاجة إلى تطور موجه واسع النطاق لجعل المجال الحفاز مناسبًا لإعادة الاستهداف عن طريق استبدال مجال ربط الحمض النووي.

نوكليازات إصبع الزنك و نوكليازات المستجيب TAL

تتطلب هندسة الجينوم المستهدفة وسيلة للتعرف على تسلسل كل موقع على وجه التحديد ليتم تعديله. تعد أصابع الزنك (ZFs) ومؤثرات TAL (التي تشبه منشط النسخ) فئة من البروتينات المرتبطة بالحمض النووي القابلة للبرمجة والمتعددة الاستخدامات والتي مكّنت البروتينات المستجيبة ، بما في ذلك الإنزيمات المعدلة للحمض النووي ، من أن تستهدف تسلسلات محددة في مجموعة متنوعة من الكائنات الحية. ZFs عبارة عن أشكال قابلة للتكديس تتكون من 30 من الأحماض الأمينية التي تتعرف على ما يقرب من ثلاثة أزواج أساسية من الحمض النووي بخصوصية متفاوتة. على الرغم من أن ZFs التي تتعرف على كل ثلاثة توائم لا يمكن تكديسها ببساطة للتعرف بشكل موثوق على التسلسلات الأطول (Ramirez وآخرون، 2008) تصميمات متنوعة (ساندر وآخرون، 2011b) والقائمة على الاختيار (Maeder وآخرون، 2009) قادرة على توليد روابط DNA محددة. لسوء الحظ ، تظل ZFs المخصصة صعبة نسبيًا ومكلفة للحصول عليها للمختبر النموذجي. يعتبر التعرف على الحمض النووي من خلال مجالات مؤثر TAL أكثر وضوحًا ، حيث يتعرف كل نموذج من 34-aa TAL على زوج أساسي واحد من خلال ملامسات الأحماض الأمينية 12 و 13 ، والمعروفة باسم المتغير الثنائي المتغير (RVD) (Boch وآخرون، 2009). على عكس ZFs ، يتم تكديس مؤثرات TAL بسهولة للتعرف على التسلسلات الطويلة. على الرغم من أن تجميع TALs معقد بسبب حجمها الكبير ومناطق التكرار الوفيرة ، فإن عددًا من الأساليب الموصوفة حديثًا لديها القدرة على التغلب على هذه التحديات (Weber وآخرون، 2011 بريجز وآخرون، 2012 ريون وآخرون, 2012 ).

يتم إنشاء Nucleases ZF و TAL (ZFNs و TALENs) عن طريق اقتران مجال ربط ZF أو TAL DNA بمجال نوكلياز غير محدد من فوكأنا إنزيم التقييد. عندما يرتبط اثنان من المونومرات بالمواقع المجاورة ، فإن نطاقات FokI الخاصة بهما تعمل على تقطيع وتحفيز انقسام الحمض النووي ، مما يتسبب في كسر الشريط المزدوج (DSB) (Kim وآخرون، 1996). يتم إصلاح DSBs بشكل شائع عن طريق إعادة التركيب المتماثل (HR) أو الانضمام النهائي غير المتماثل (NHEJ). يؤدي انشقاق ZFN متبوعًا بالموارد البشرية مع تسلسل مانح يحتوي على مناطق محاطة متجانسة إلى إدخال تسلسل المتبرع بكفاءات ∼1-15٪ (Urnov وآخرون، 2005) ، في حين أن انقسام ZFN متبوعًا بالخطأ NHEJ يؤدي إلى تعطيل الجينات من عمليات الحذف الصغيرة أو الإدخالات ، عادةً بكفاءات أعلى إلى حد ما (Urnov وآخرون، 2010). تم عرض تحرير الجينات المستهدف باستخدام ZFNs في مجموعة متنوعة من أنواع الخلايا ، بما في ذلك الذباب (Bibikova وآخرون، 2003) ، الديدان (وود وآخرون، 2011) ، قنافذ البحر (Ochiai وآخرون، 2010) ، سمك الزرد (Ekker ، 2008) ، دودة القز (Takasu وآخرون، 2010) ، الضفادع (يونغ وآخرون، 2011) ، النباتات (Cai وآخرون، 2009 Osakabe وآخرون، 2010 تشانغ وآخرون، 2010) ، والعديد من الثدييات (Urnov وآخرون، 2005 Geurts وآخرون، 2009 Hauschild وآخرون، 2011). يمكن أن يكون نشاط نوكلياز سامًا في بعض أنواع الخلايا ، ربما بسبب نشاط خارج الهدف ، ولكن يمكن تخفيف هذه المشكلة عن طريق استخدام متغيرات "نيكاز" أقل سمية والتي تقطع خيطًا واحدًا فقط (كيم وآخرون، 2012 راميريز وآخرون، 2012). تتوفر ZFNs المخصصة تجارياً ، وإن كان ذلك بتكلفة كبيرة. يمكن أن تستهدف نوكليازات المستجيب TAL (TALENs) بسهولة أكبر مجموعة متنوعة من التسلسلات بفضل التعرف الأكثر مرونة المستند إلى RVD. على الرغم من أن TALENs أحدث وأقل تمت دراسته بدقة ، إلا أنه يبدو أن لها تأثيرات بعيدة عن الهدف وسمية أقل من ZFNs المقابلة (موسولينو وآخرون، 2011). أدوات التصميم متاحة مجانًا (Doyle وآخرون، 2012) مع مواقع انقسام قابلة للحياة متوقعة كل 35 زوجًا أساسيًا في جينومات الثدييات في المتوسط ​​(Cermak وآخرون، 2011). ضعفهم الأساسي هو صعوبة تجميع وتقديم مثل هذه التسلسلات الكبيرة والمعرضة للتكرار. تم تطبيق TALENs بنجاح في العديد من الكائنات الحية بما في ذلك الخميرة (Li وآخرون، 2011) ، الذباب (Liu وآخرون، 2012) ، سمك الزرد (ساندر وآخرون، 2011a) ، النباتات (Li وآخرون، 2012) ، الفئران (تيسون وآخرون، 2011) ، والخلايا البشرية (Hockemeyer وآخرون، 2011) مع كفاءات تعطيل الجينات تصل إلى 25٪ (Miller وآخرون, 2011 ).

المجموعة الثانية intron retrotransposition

بعض الإنترونات من المجموعة الثانية هي عناصر وراثية أنانية تخضع للتبديل الجيني من خلال الحمض النووي الريبي الوسيط. نظرًا لأن الاستهداف يتم تحديده بشكل أساسي من خلال تفاعلات الاقتران الأساسي مع intron RNA ، يمكن إعادة استهداف هذه الينقولات العكسية الخاصة بالموقع لإنجاز كل من تعطيل الجينات وإدخال الجينات. يستخدم نظام Targetron المتاح تجاريًا ناقل حركة خلفي قادر على إدخال ما يصل إلى 1.8 كيلو بايت في الجينوم (Karberg وآخرون، 2001). تختلف كفاءات التحويل الرجعي للإنترون من 1 إلى 80٪ اعتمادًا على الموقع والأنواع (Perutka وآخرون، 2004). يتم العثور على التسلسلات المناسبة للإدخال كل بضع مئات من القواعد في المتوسط ​​، مما يسمح بتعطيل معظم الجينات. علاوة على ذلك ، فإن النظام نشط في مجموعة متنوعة من الميكروبات ، مما يوفر معالجة وراثية للأنواع التي لا يمكن تعديلها باستخدام طرق أخرى (Yao and Lambowitz ، 2007). والجدير بالذكر أن عمليات إدخال مواقع التعرف على إعادة التركيب قد تسمح لاحقًا بتبادل الكاسيت بوساطة إعادة التركيب. قد تكون كفاءة الاستهداف عالية بما يكفي للسماح بتعديلات تعدد الإرسال ، على الرغم من أن هذا لم يتم إثباته بعد. ومن المثير للاهتمام ، أنه يمكن أيضًا استخدام إنترونات المجموعة الثانية لتوليد DSBs (Karberg وآخرون، 2001) ، مما يشير إلى استخدام محتمل في تعزيز الموارد البشرية إذا كان من الممكن تصميمها أو تطويرها لتعمل بكفاءة في حقيقيات النوى.

إعادة توحيد

تستخدم إعادة التركيب (أو الهندسة المؤتلفة) مسار الموارد البشرية المشتق من الملتهمة لإعادة توحيد خيط DNA المتبرع بتسلسل متماثل في المضيف البكتيري. بالنظر إلى مناطق كافية من التماثل المرافقة (& gt500 bp) ، فإن الموارد البشرية الذاتية ، والتي يتم توسطها عادةً بواسطة مسار RecA / Rad51 ، قادرة على دمج التسلسلات في جينوم أي خلية تقريبًا. ومع ذلك ، فإن الكفاءة المنخفضة لآلية الموارد البشرية الأصلية تحد من استخدام هذه التقنية دون توصيل وانتقاء فعال للحمض النووي. إعادة التركيب هي طريقة محسنة تستخدم بروتينات الملتهمة (RecET ، λ-Red) لزيادة ترددات الموارد البشرية بشكل كبير عبر الجينوم بأكمله (Zhang وآخرون، 1998 Datsenko and Wanner، 2000 Yu وآخرون، 2000). في بكتريا قولونية، HR by λ-Red مستقل عن RecA ويعتمد بدلاً من ذلك على ثلاثة بروتينات: Exo و Beta و Gam (Muyrers وآخرون، 2000 يو وآخرون، 2000). Exo عبارة عن نوكلياز خارجي 5 → 3 يهضم الحمض النووي الخطي المزدوج الشريطة (dsDNA) ، تاركًا 3 وسيطة أحادية الجديلة تعمل بعد ذلك كركائز لإعادة التركيب اللاحق (Maresca وآخرون، 2010). بيتا عبارة عن بروتين مرتبط بالحمض النووي أحادي الجديلة (ssDNA) يسهل إعادة التركيب عن طريق تهجين الجزء الخطي إلى مكمله الجيني. يعمل Gam على تثبيط نشاط RecBCD في الجسم الحي لمنع تدهور شظايا dsDNA الخطية الأجنبية. على الرغم من أن إعادة التركيب لا تزال تتطلب خطوة اختيار ، فإن النظام الشبيه بالأحمر λ سيعمل مع ما لا يقل عن 40 نقطة أساس من التماثل الذي يحيط بشظايا الحمض النووي للمانحين المزدوج الذين تقطعت بهم السبل والتي يصل طولها إلى عدة كيلوبايت ، وهو حد يفرضه مزيج من التحول و كفاءات إعادة التركيب. وبالتالي ، فإن تضخيم PCR البسيط لشريط قابل للتحديد (عادةً مقاومة للمضادات الحيوية أو الجين الأيضي) ، مع بادئات تحتوي على متواليات متماثلة مرافقة للموقع المستهدف ، يتيح إعادة كتابة محدودة لأي منطقة من الجينوم (Sharan وآخرون، 2009). استخدم مثال اندماجي حديث لهذه التقنية ، وهو Trackable Multiplex Recombineering ، مواد أولية مشتقة من مصفوفات DNA الدقيقة لتوليد مجموعات من أشرطة dsDNA المشفرة التي يمكن أن تستهدف مواقع مختلفة عبر الجينوم (Warner وآخرون، 2010). يمكن أيضًا استخدام ssDNA القصير في إعادة التركيب ، وهي عملية لا تتطلب سوى بروتين بيتا بيتا. نناقش فائدة مثل هذه الأساليب لإعادة التجميع المتعدد في القسم التالي. على الرغم من تطوير أنظمة إعادة التركيب للعديد من أنواع البكتيريا (فان كيسيل وهاتفول ، 2007 سوينجل وآخرون، 2010a van Pijkeren and Britton، 2012) ، هناك حاجة إلى مزيد من العمل لتوسيع المنهجية لتشمل الكائنات الحية الأخرى. لا يزال البحث جاريًا عن إنزيمات شبيهة بالأحمر λ مشتقة من العاثيات والفيروسات التي تصيب الكائنات الحية الأخرى (داتا) وآخرون, 2008 ).

نوكليازات كريسبر الموجهة بالـ RNA

إن نظام كريسبر (CRISPR) (التكرار المتناوب القصير المتباعد بشكل منتظم) الذي يستهدف الحمض النووي لديه إمكانات كبيرة لتعديل الجينوم في العديد من الكائنات الحية. تحمي أنظمة كريسبر البكتيريا والعتائق من غزو العاثيات والبلازميدات عن طريق تحلل الحمض النووي الريبي الموجه (Wiedenheft) وآخرون، 2012). في أنظمة كريسبر من النوع الثاني ، يحدد بروتين Cas9 تسلسل "بروتوسفاسر" للحمض النووي المتماثل مع تسلسل "المباعد" في CRISPR RNA (crRNA) والتحقق من الاقتران الكافي لقاعدة الحمض النووي RNA و DNA (Jinek وآخرون، 2012). عند تحديد تسلسل المطابقة الذي يحتوي أيضًا على نموذج مجاور مناسب (PAM) ، يشق الإنزيم كلاً من خيوط DNA ∼3 bp من بداية PAM ، مما يتسبب في DSB (Gasiunas وآخرون، 2012). تسلسل PAM قصير جدًا (NGG (Deltcheva وآخرون، 2011) ، NGGNG (Horvath وآخرون، 2008) ، NNAGAAW (Deveau وآخرون، 2008) ، و NAAR (van der Ploeg ، 2009) حتى الآن) ، مما يسمح باستهداف معظم التسلسلات. يبدو أن ما لا يقل عن 12 نقطة أساس من التماثل التام ، بالإضافة إلى PAM ، ضروري لنشاط نوكلياز كريسبر (Deveau وآخرون، 2008 Sapranauskas وآخرون، 2011 جينك وآخرون، 2012 مالي وآخرون، 2013 كونغ وآخرون، 2013). في مواضع CRISPR البكتيرية ، عادةً ما تكون مناطق المباعدة لـ crRNAs محاطة بتكرارات مباشرة من نفس الحجم والتي تعتبر ضرورية للتعرف والمعالجة بواسطة Cas9 و RNaseIII (Deltcheva وآخرون، 2011) ، ولكن تقليد اصطناعي لوظيفة crRNA الناضجة بشكل جيد في المختبر (جينك وآخرون, 2012 ).

لقد أثبتنا نحن وآخرون مؤخرًا أنه يمكن استخدام Cas9 في هندسة جينومات الثدييات (مالي وآخرون، 2013 كونغ وآخرون، 2013). يمكن توجيه Cas9 لكسر أي تسلسل باستخدام PAM متوافق - في هذه الحالات NGG - من خلال التعبير عن محاكاة RNA خيالية (مالي وآخرون، 2013) أو صفيف فاصل مع tracrRNA المطلوب للمعالجة (Cong وآخرون، 2013). يتم إجراء تعديل الجينات عبر الموارد البشرية المحفزة بـ DSB عن طريق التعبير ببساطة عن Cas9 وشريط كاسيت يولد RNA مع فاصل يطابق التسلسل المستهدف في الخلية المرغوبة. أدى استهداف موقعين متجاورين إلى حذف المنطقة المتداخلة بشكل فعال ، مما يدل على محدودية قدرات تعطيل الجينات متعددة الإرسال. أدى التخلص من أحد مجالات نوكلياز Cas9 إلى تحويل الإنزيم إلى نيكاز قادر على تحفيز الموارد البشرية بكفاءة مماثلة مع تقليل تواتر NHEJ. الأهم من ذلك ، يبدو أن كل من اضطراب الجينات ومعدلات الموارد البشرية قابلة للمقارنة أو أكبر من تلك التي تم تحقيقها باستخدام ZFNs و TALENs التي تستهدف نفس الموقع.

ومن المثير للاهتمام ، أنه يمكن استخدام نشاط Cas9 المستمر لتعزيز الموارد البشرية في نفس الوقت أثناء الاختيار ضد الخلايا التي تحتفظ بالمنطقة المستهدفة ، مما قد يؤدي إلى تجنب الحاجة إلى علامات الاختيار الإيجابية. سيكون هذا النهج ممكنًا في الجينومات المهندسة للتعبير عن Cas9 بشكل أساسي ، والذي يمكن تحريره لاحقًا ببساطة عن طريق توصيل كاسيت المانح المناسب و crRNA. يجب أن يركز التطوير الإضافي لتقنيات هندسة الجينوم بوساطة CRISPR على زيادة الخصوصية إلى ما بعد تسلسل 12bp + NGG الحالي ، والذي من المحتمل أن يؤدي إلى بعض القطع غير المقصود غير المقصود ، وتمكين التسلسلات الجينية مع PAMs البديلة ليتم استهدافها. نظرًا لسهولة استخدامه بشكل كبير ، يمثل استهداف الجينات بوساطة Cas9 طريقة جديدة وواعدة لتحرير الجينوم ، خاصة في أنظمة الثدييات.

هندسة الجينوم المضاعف

تعد القدرة على تعديل الجينات المفردة خطوة مهمة نحو هندسة جينومات كاملة. إن انفجار التعديلات التي تم تحقيقها باستخدام ZFNs و TALENs مدهش بشكل خاص نظرًا لندرة البدائل السابقة لمعظم الكائنات متعددة الخلايا. ومع ذلك ، فإن الحجم الهائل حتى لأصغر الجينومات البكتيرية يجعل التعديل المتسلسل ذا فائدة محدودة للمساعي الهندسية على نطاق الجينوم حقًا. هناك حاجة ماسة إلى طرق فعالة تتيح تحرير الجينوم المتعدد.

لسوء الحظ ، فإن التقنيات التي تولد DSBs لتحفيز الإصلاح الموجه بالتماثل قد يكون من الصعب تعدد الإرسال بسبب سمية الفواصل المتعددة المتزامنة والمعدل المرتفع لـ NHEJ ، مما قد يؤدي بسهولة إلى إعادة ترتيب غير مقصودة. تمثل إعادة التركيب ذات الكفاءة العالية ZF أو TAL بديلاً محتملاً واحدًا ، على الرغم من أن التوليد السريع لأعداد كبيرة من ZFs أو TALs يمثل تحديًا إضافيًا. قد يتضمن خيار آخر دمج بروتين Cas9 المعطل نوكلياز في المجال التحفيزي لإعادة التركيب ، على الرغم من صعوبة الاحتفاظ بوظيفة. قد تكون الإنترونات من المجموعة الثانية متعددة من أجل تعطيل الجينات ، لكنها تترك مواقع ندبة لا مفر منها ، وتقتصر على سعات شحن صغيرة ، ولم يتم إثبات فعاليتها في حقيقيات النوى. وفي الوقت نفسه ، فإن الكفاءة المنخفضة لإعادة التركيب المزدوج التي تقطعت بها السبل λ-Red بوساطة تحد أيضًا من استخدامها في هندسة مقياس الجينوم متعدد الإرسال. ومع ذلك ، فإن البروتينات الشبيهة بالأحمر λ تسهل أيضًا إعادة تركيب شظايا ssDNA الأصغر. على أساس العمل السابق (Ellis وآخرون، 2001) ، وصفنا مؤخرًا نهجًا يُعرف باسم هندسة الجينوم الآلي المتعدد (MAGE) الذي يستخدم أليغنوكليوتيدات ssDNA القصيرة (oligos) بدلاً من أشرطة dsDNA للتوسط في تعديل الجينوم المستهدف (Wang and Church، 2011 Wang وآخرون، 2009). على وجه التحديد ، يتم دمج oligos المكملة للخيط المتأخر من الجينوم المتماثل في جينوم الابنة بكفاءة عالية ، على الأرجح عن طريق محاكاة شظايا Okazaki في شوكة النسخ المتماثل (Yu وآخرون، 2003). يبدو أن Oligos التي تستهدف السلسلة الرائدة تتمتع بكفاءة تأسيس أقل بمقدار 50 ضعفًا.

يمكن لـ MAGE هندسة أي موقع في الجينوم بدقة عن طريق إدخال قليل يطابق التسلسل المطلوب. يتم دمج Oligos التي تتراوح من 30 إلى 100 قاعدة بكفاءة طالما أن هناك أذرع تماثل كافية لتسهيل عملية تلدين ssDNA للهدف (Ellis وآخرون، 2001). في مركز القلة ، يمكن تصميم تسلسلات جديدة (تصل إلى 30 قاعدة على طول 90 قاعدة صغيرة) وإدخالها في الجينوم على أنها مضاعفة مضاعفة ، والتي يتم حلها إلى أليلات متحولة بالكامل خلال الجولات اللاحقة من انقسام الخلية. في بكتريا قولونية، يتم زيادة دمج oligo & gt1000 مرة بواسطة بروتين λ-Beta المرتبط بـ ssDNA. إزالة آلات إصلاح عدم التطابق الداخلية (على سبيل المثال ، Δكتم) (Costantino and Court، 2003) أو التهرب من إصلاح عدم التطابق من خلال القواعد المعدلة (Wang وآخرون، 2011) يمكن أن يزيد بشكل كبير من كفاءة دمج oligo إلى مستويات و gt30٪ لكل ذرية قابلة للحياة (Wang وآخرون، 2009). يمكن أن يؤدي استخدام علامة قابلة للتحديد المشترك إلى زيادة الكفاءة إلى & gt70٪ (Carr وآخرون، 2012 وانج وآخرون، 2012 ب).

هناك عدة عوامل تجعل منهج MAGE بوساطة oligo جذابًا بشكل خاص لهندسة مقياس الجينوم. أولاً ، كفاءة تحويل oligos القصيرة عالية مقارنة بالبلازميدات أو أشرطة dsDNA ، مما يسمح لمجمعات كبيرة من oligos ذات أهداف جينومية مختلفة بالدخول في وقت واحد إلى الخلية والخضوع للدمج. نظرًا لأنه لا يتم دمج كل oligos في كل خلية ، يتم إنشاء مجموعات من الطفرات من خلال هذه العملية. مع كفاءات التضمين التي تزيد عن 70٪ ، يمكن عزل الخلايا التي تحتوي على طفرات مستهدفة و GT10 بعد تحول واحد (Lajoie وآخرون، 2012) ببساطة عن طريق فحص 100 مستعمرة باستخدام تفاعل البوليميراز المتسلسل متعدد الأليل الخاص بأليل (Wang and Church ، 2011). ثانيًا ، يمكن تكرار البروتوكول بشكل متكرر على مجموعة من الخلايا ذات 2-3 ساعات فقط من نمو الانتعاش المطلوب بين الدورات. يتيح التدوير التكراري مزيدًا من مضاعفة الإرسال وإثراء المسوخات التي توجد بخلاف ذلك في الترددات المنخفضة في السكان ، والتي يمكن تشغيلها تلقائيًا (Wang وآخرون، 2009). ثالثًا ، يمكن تصنيع oligos بسهولة وبتكلفة زهيدة باستخدام البائعين التجاريين واستخدامها مباشرة في تفاعلات MAGE دون الحاجة إلى مزيد من المعالجة ، على عكس أشرطة dsDNA التي تتطلب خطوات إضافية لتضخيم وتنقية PCR. علاوة على ذلك ، يمكن أن تعمل المصفوفات الدقيقة للحمض النووي عالية الكثافة كمصادر محتملة لتجمعات كبيرة من تسلسلات الحمض النووي الفريدة لتوسيع نطاق هندسة الجينوم المتعدد. أخيرًا ، من المحتمل أن تعمل مناهج هندسة الجينوم بوساطة قلة مثل MAGE في مجموعة متنوعة من الكائنات الحية بفضل البساطة الميكانيكية. حتى الآن ، تم إثبات استبدال أليلي بوساطة قليلة في البكتيريا سالبة الجرام (سوينجل وآخرون، 2010b) ، البكتيريا موجبة الجرام (فان Pijkeren and Britton ، 2012) ، وخلايا الثدييات (Rios وآخرون, 2012 ).

الجينومات شبه الاصطناعية والاصطناعية

منذ التوليف الكيميائي للجين الأول في عام 1972 (أغاروال وآخرون، 1972) ، انخفضت تكلفة تخليق الحمض النووي بشكل حاد مع ارتفاع الإنتاجية ، مما أتاح بناء وتجميع الجينات والجينومات من جديد (كار أند تشيرش ، 2009). يتم تصنيع شظايا الحمض النووي الفردية بحجم الجينات بسهولة تجاريًا وتجميعها في أوبراز أكبر (Kodumal وآخرون، 2004 تيان وآخرون، 2009). الجهود المبذولة لبناء فج (تشان وآخرون، 2005) والجينوم الفيروسي (Blight وآخرون، 2000 تشيلو وآخرون، 2002) ، ذراعي الكروموسومات S. cerevisiae (ديموند وآخرون، 2011) ، والأكثر إثارة للإعجاب ، الجينوم بأكمله لـ M. mycoides (جيبسون وآخرون، 2008). تستمر التقنيات الجديدة التي تمكن من تخليق قليل النوكليوتيد في المصفوفات الدقيقة للحمض النووي في تقليل التكلفة وزيادة الإنتاجية لبناء الجينات الاصطناعية والجينومات (Tian وآخرون، 2004 كوسوري وآخرون، 2010 كوان وآخرون, 2011 ).

يتوقف السؤال حول متى يكون من الأفضل اعتماد نهج تحرير أو شبه اصطناعي أو تركيبي لهندسة الجينوم على موثوقية التصميم. بدون القدرة على التقييم الدقيق لأعداد كبيرة من التصاميم المحتملة في السيليكو، يجب أن نبنيها ونختبرها تجريبيًا. حاليا ، على نطاق واسع من جديد يتطلب تخليق الجينوم مستوى أكبر بكثير من الموارد والجهد من التحرير المباشر للجينوم الموجود. وبالتالي ، قد يكون نهج تحرير الجينوم هو الأمثل عند توليد الجينوم بدرجة معتدلة من التغييرات المحددة (على سبيل المثال ، ≦ 100 ثانية من التغييرات ، & lt100 bp لكل منهما) ، كما هو مطلوب لضبط الشبكات التنظيمية (Wang وآخرون، 2009 ، 2012 ب) أو تغيير تسلسل البروتين (Wang وآخرون، 2012 أ). أ من جديد من المرجح أن يكون نهج التوليف مناسبًا للتعديلات واسعة النطاق مثل تحسين الكودون (Welch وآخرون، 2009) أو إعادة بناء ديون (Chan وآخرون، 2005 تيم وآخرون، 2012) غير المعتادة لتقنيات تحرير الجينوم.

يمكن أن يكون بناء جينوم اصطناعي كامل أمرًا صعبًا ومكلفًا وعرضة للفشل. ولوحظ مثال توضيحي لمثل هذه القضايا أثناء بناء 1.1 ميغا بايت الاصطناعية M. mycoides الجينوم ، عندما يكون هناك حذف أساسي واحد في الجين الأساسي الحمض النووي منع تكوين خلية قابلة للحياة (جيبسون وآخرون، 2010). فقط عندما تم تبديل القطع الاصطناعية المختلفة بتسلسلات طبيعية ، حدد الباحثون مصدر الخطأ ، مما يسلط الضوء على أهمية الاختبار المباشر. قد يكون من الصعب تقييم عيوب التصميم الأساسية لأنها قد تؤثر على فسيولوجيا الخلية بطرق غير خطية ومعرفية.وبالتالي ، فإن البناء التدريجي والاختبار للوسائط المعدلة تدريجيًا سيكون نهجًا حاسمًا لمعظم الجهود الهندسية على نطاق الجينوم حتى يمكن تقليل معدل فشل التصاميم البيولوجية الهندسية إلى مستويات مقبولة. وبالتالي ، ستكون هناك حاجة إلى طرق قادرة على التجميع السريع وتبادل أجزاء الجينوم المركبة بشكل فردي والتي تم اختبارها بشكل منفصل. تشمل الأمثلة الحالية في المختبر طرق التجميع الأنزيمية (Li and Elledge ، 2007 Engler وآخرون، 2008 جيبسون وآخرون، 2009 تشانغ وآخرون، 2012) وهندسة جينوم التجميع المتقارن في الجسم الحي (اسحق وآخرون، 2011) (الشكل 4). لقد وصفت الدراسات الحديثة بالفعل حالات من الجينومات المستنسخة أو الهجينة التي تم إنشاؤها عن طريق تحويل أو تجميع جينوم المتبرع في خلية متلقية تحتفظ بجينومها الخاص. بينما ال عصية-متزامن الهجين الجينوم (إيتايا وآخرون، 2005) و S. cerevisiae استنساخ يحتوي على نسخة من أ. جينوم الليلاوي (كاراس وآخرون، 2012) لم تسفر حتى الآن عن أنماط ظاهرية جديدة مفيدة ، فهي توضح المتانة الخلوية لإدخال الجينوم على نطاق واسع. ستوفر الدراسات التي تقيم آثار المبادلة أو إعادة هيكلة العوامل الأساسية معلومات ذات صلة مباشرة أكثر بتقييم جدوى التصميمات الجديدة. بشكل أكثر عمومية ، التطورات التي تجمع بشكل أكبر بين الأساليب التركيبية وشبه الاصطناعية والهجينة ستؤدي إلى فهم أعمق لحدود التصميم العقلاني والتحسين للأنظمة البيولوجية المهندسة.


محتويات

يحتاج المهندسون عادةً إلى نوع من الشهادات المهنية ، مثل تلبية متطلبات تعليمية معينة واجتياز اختبار ليصبح مهندسًا محترفًا. عادة ما يتم تنظيم هذه الشهادات وتسجيلها على المستوى الوطني ، ولكن هناك أيضًا حالات يكون فيها وجود هيئة ذاتية الإدارة ، مثل الرابطة الكندية للمهندسين المحترفين. في كثير من الحالات ، يكون حمل لقب "مهندس محترف" محميًا قانونًا.

نظرًا لأن BME مجال ناشئ ، فإن الشهادات المهنية ليست معيارية وموحدة كما هو الحال في المجالات الهندسية الأخرى. على سبيل المثال ، لا يتضمن اختبار أساسيات الهندسة في الولايات المتحدة قسمًا للهندسة الطبية الحيوية ، على الرغم من أنه يغطي علم الأحياء. غالبًا ما يمتلك مهندسو الطب الحيوي شهادة جامعية كمؤهلاتهم. ومع ذلك ، فإن بعض البلدان تنظم مهندسين الطب الحيوي ، مثل أستراليا ، ولكن يوصى بالتسجيل عادةً ، ولكن ليس دائمًا شرطًا. [1]

كما هو الحال مع العديد من المجالات الهندسية ، عادة ما تكون درجة البكالوريوس هي الدرجة الدنيا والأكثر شيوعًا لمهنة في BME ، على الرغم من أنه ليس من غير المألوف أن تكون درجة البكالوريوس بمثابة نقطة انطلاق للدراسات العليا. يقوم ABET باعتماد برامج البكالوريوس في هذا المجال. [2] ومع ذلك ، حتى هذا ليس مطلبًا صارمًا لأنه مجال ناشئ وبسبب صغر سن العديد من البرامج.

يختلف المنهج الدراسي لبرامج BME اختلافًا كبيرًا من مؤسسة إلى أخرى وغالبًا ضمن برنامج واحد. بشكل عام ، تعتبر مناهج الهندسة الأساسية ، بما في ذلك الرياضيات من خلال المعادلات التفاضلية والإحصاءات والفهم الأساسي لعلم الأحياء والعلوم الأساسية الأخرى هي السمات المميزة لبرنامج BME.

العديد من برامج BME لديها سلسلة من المسارات التي تركز على مجال معين من الدراسة داخل BME. في كثير من الأحيان ، تتطابق المسارات أيضًا مع مجال هندسي أو علمي معين. تتضمن أمثلة المسارات ما يلي:

    : يشمل التركيز الأجهزة الطبية ونمذجة النظم البيولوجية وميكانيكا الكائنات الحية. يتفاعل هذا المسار مع الهندسة الميكانيكية وعلم وظائف الأعضاء في كثير من الأحيان.
  • الأجهزة الحيوية / الأنظمة الكهربية الحيوية: يشمل التركيز الأجهزة الطبية ونمذجة الأنظمة البيولوجية ، ولا سيما نظائر الدوائر للجهاز العصبي والظواهر الكهربية الحيوية ومعالجة الإشارات. واجهات هذا المسار مع الهندسة الكهربائية.
  • هندسة الخلايا والأنسجة والجزيئات الحيوية: غالبًا ما يكون هذا المسار متنوعًا تمامًا ، مع التركيز على الأنسجة الاصطناعية ونمذجة الأنظمة البيولوجية وتوصيل الأدوية والهندسة الوراثية والهندسة الكيميائية الحيوية وإنتاج البروتين. يمكن أن يتفاعل هذا المسار مع الهندسة الكيميائية والهندسة الميكانيكية والبيولوجيا الجزيئية وعلم وظائف الأعضاء وعلم الوراثة وعلوم المواد وغيرها من المجالات.
  • البصريات الطبية: التركيز على التشخيص الطبي والتكنولوجيا البصرية الطبية. واجهات هذا المسار مع البصريات والفيزياء والهندسة الكهربائية.

قد توجد العديد من المسارات الأخرى ضمن برامج محددة بالإضافة إلى مجموعات من مسارات متعددة.

ميزة أخرى مشتركة للعديد من برامج BME هي مشروع تصميم تتويجا حيث يشارك الطلاب في البحث وتطوير التكنولوجيا في هذا المجال. في بعض المدارس ، بلغ هذا ذروته في إنشاء الأجهزة الطبية والنماذج الأولية. غالبًا ما تتضمن مشاريع تصميم Capstone أيضًا التعرض لقضايا مثل التمويل والقضايا التنظيمية وغيرها من الموضوعات المتعلقة بالمهن في هذا المجال.

من السمات المهمة للعديد من البرامج تضمين البحث و / أو الخبرة الصناعية في المناهج الدراسية أو الأعمال اللامنهجية التي يقوم بها الطلاب. نظرًا لأن وظائف BME غالبًا ما تركز على البحث أو التطبيقات الصناعية للمجال ، فقد رأت العديد من البرامج أنها مناسبة إما للتشجيع أو تتطلب في بعض الأحيان خبرة خارج متطلبات المناهج القياسية. تقدم العديد من الجامعات البحثية فرصًا للطلاب للمشاركة في أبحاث أعضاء هيئة التدريس على المستوى الجامعي. المدارس الأخرى لديها تدريب عملي صناعي أو تعاونيات لمنح الطلاب خبرة العمل ذات الصلة قبل التخرج.

غالبًا ما يرى الطلاب الذين يشاركون في البحث أو الصناعة أثناء الدراسة مزايا عند دخولهم سوق العمل ، حيث يفضل العديد من أصحاب العمل المرشحين ذوي الخبرة أو يقدمون رواتب أعلى لمن لديهم خبرة سابقة. أيضًا ، غالبًا ما تكون الخبرة البحثية أو الصناعية عاملاً في القبول في الدراسات العليا.

في الآونة الأخيرة ، قامت العديد من الجامعات ، مثل جامعة كيس ويسترن ريزيرف بتنفيذ مبادرات جديدة إما لإنشاء أو التوسع في برامج البكالوريوس في BME. ويرجع ذلك جزئيًا إلى زيادة الطلب في قطاع التكنولوجيا الحيوية والاهتمام المتزايد بالبحوث البيولوجية. درجة في BME تحدد على الفور المرشح على أنه تلقى تدريبًا في كل من الهندسة التقليدية وكذلك العلوم البيولوجية ، والتي أصبحت مؤهلاً مرغوبًا بشكل متزايد حيث تتغلغل جوانب علم الأحياء في الصناعات الأخرى.

نظرًا لأن BME مجال متنوع ، فإن العديد من البرامج لها منهج واسع حيث يختار الطلاب عادةً التخصص في جانب معين من BME. ومع ذلك ، نظرًا للتنوع ، قد يجد بعض حاملي الدرجات العلمية أن تعليمهم يفتقر إلى التركيز العميق ، مما قد يدفع إلى مواصلة الدراسة في مدرسة الدراسات العليا أو من خلال التعلم من خلال التجربة.

توجد تصنيفات عديدة لبرامج BME للطلاب الجامعيين على أسس متفاوتة للغاية لكل تصنيف. كما هو الحال مع العديد من الدرجات العلمية ، قد تكون سمعة البرنامج عاملاً في الرغبة في الحصول على درجة علمية سواء للتوظيف أو قبول الخريجين. [3] ترتبط سمعة العديد من الدرجات الجامعية أيضًا ببرامج الدراسات العليا أو البحثية بالمؤسسة ، والتي لها عوامل ملموسة أكثر في التصنيف ، مثل تمويل البحث والحجم والمنشورات والاستشهادات.


بدء التشغيل في المختبرات

في سينجولون، نحن نعمل بشكل وثيق مع الجامعات لتطوير تقنياتنا وتحسينها. نركز أيضًا على إنشاء بيانات قابلة للنشر تتعلق بإنتاج البكتيريا وتفاعلاتها داخل الشبكات الميكروبية. نحن "بدء التشغيل في المختبرات"، مما يعني أن أعضاء فريقنا يجرون أبحاثًا مباشرة في المختبرات الشريكة لنا ولديهم ارتباط قوي بالبحث الأكاديمي. بهذه الطريقة ، يمكننا العمل مباشرة مع شركائنا الأكاديميين في مختبراتهم الخاصة ، مما يتيح لنا علاقة قوية بالبحث والتطوير مع الحفاظ على سريتنا.

حاليًا ، لدينا تعاون مستمر مع المعامل التالية:

  • باسكال هولز (الجامعة الكاثوليكية في لوفان)
  • Laurence van Melderen (Université libre Bruxelles)
  • Bruno André (Université libre de Bruxelles)
  • رودي واتيز (جامعة مونس)
  • فرانك ديلفين (Gembloux Agro-Bio Tech & # 8211 Université de Liège)
  • فيتور بينيرو (كلية لندن الجامعية)
  • كريس بارنز (كلية لندن الجامعية)

عضو في وحدة الكيمياء الحيوية والهندسة الحيوية وعلم الوراثة للكائنات الدقيقة في LIBST في UCLouvain ، يدرس الدكتور هولز علم الوراثة والتمثيل الغذائي وعلم وظائف الأعضاء وديناميكيات السكان لبكتيريا حمض اللاكتيك (غرام +). بالإضافة إلى ذلك ، يعمل حاليًا على التحكم في مسببات الأمراض البكتيرية ، والهندسة الأيضية ، والتعديلات الجينية غير المعدلة وراثيًا وتطوير الكائنات الحية المجهرية. أظهر مختبره مؤخرًا وجود صلة مباشرة بين التحول الطبيعي (قابلية التطور) والافتراس البكتيري (عن طريق البكتريوسينات) في العقدية اللعابية ، متعايش سائد من الأمعاء البشرية. يعمل مختبر الدكتور هولز كقاعدة لدراستنا للبكتريوسينات من البكتيريا موجبة الجرام.

Laurence van Melderen، Université libre de Bruxelles

يدرس الدكتور فان ميلديرين التكيف البيئي البكتيري والآليات الجزيئية الكامنة وراء هذا التكيف من خلال دراسة أنظمة مضادات السموم (TA) وصلتها بالثبات ، والتنظيم العالمي للتعبير الجيني عن التمثيل الغذائي للكربون المركزي وتكوين الأغشية الحيوية. يتداخل عملنا لأن البكتريوسينات يمكن أن تتصرف بشكل مشابه لأنظمة TA كلاهما ينتج مركبات قادرة على قتل المضيف أو الخلايا الأخرى ، وفي كلا النظامين ، يحمي الترياق (أو بروتين المناعة في حالة البكتيريا) الخلية المنتجة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن فهم التفاعل بين البكتيريا والأغشية الحيوية سيسمح لنا بزيادة فاعلية نظامنا. نحن نعمل مع مختبر الدكتور فان ميلديرين لدراسة البكتريوسينات من البكتيريا سالبة الجرام.

برونو أندريه ، جامعة بروكسل الحرة - فسيولوجيا الخلية الجزيئية

يستخدم الدكتور أندريه الخميرة لفك شفرة الآليات التفصيلية الكامنة وراء الوظائف الخلوية. يطبقون أحدث تقنيات البيولوجيا الجينومية والبروتينية والخلوية لدراسة بروتينات غشاء البلازما المشاركة في اكتشاف ونقل الجزيئات من البيئة خارج الخلية ، بما في ذلك دور يوبيكويتين في تنظيم حركة المرور بين الخلايا لنقل الغشاء البروتينات. ووجدوا بالمثل أن أحد أفراد عائلة البروتين هذه أصبح متخصصًا كناقل للأحماض الأمينية. مختبر الدكتور أندريه هو شريكنا في استخدام البكتريوسينات في خميرة.

رودي واتيز ، جامعة مونس - Protéomique et Microbiolgie

الدكتور واتيز خبير في علم البروتينات. تدرس مجموعته دور عديد الببتيدات لفهم الآليات الخلوية للبكتيريا في سياق أحادي أو متعدد الخلايا. يستخدمون أحدث التقنيات ، مثل قياس الطيف الكتلي عالي الدقة ، لفهم الجوانب الوظيفية للخلية بالكامل. يسمح لنا مختبر الدكتور واتيز باستخدام التحليل البروتيني لفهم التأثير البيولوجي لأنظمتنا.

فرانك ديلفين ، جامعة جيمبلو للتكنولوجيا الحيوية الزراعية ، جامعة لييج - معمل العمليات والتفاعلات الميكروبية (MiPI)

الدكتور فرانك ديلفين خبير في التقنيات الحيوية الميكروبية ، ويعمل على توسيع نطاق أنظمة الاستزراع وتنقية المستويات الصناعية نظرًا لقيود الميكروب ، وفهم سلوك المجموعات الميكروبية في المفاعلات الحيوية على مستوى الخلية المفردة . نحن نعمل مع معمل الدكتور ديلفين من أجل توسيع نطاق تقنيتنا للتطبيقات الصناعية.

فيتور بينيرو ، كلية لندن الجامعية & # 8211 معهد البيولوجيا الهيكلية والجزيئية

يستخدم مختبر الدكتور فيتور بينيرو نهج البيولوجيا التركيبية لفهم كيفية معالجة المعلومات على جميع مستويات العقيدة المركزية للبيولوجيا الجزيئية ، من المكونات الفردية إلى الأنظمة التي تتكون منها ، وحتى مستوى المبادئ العامة للبيولوجيا. يستخدم الدكتور بينهيرو التطور الموجه لتطوير الأحماض النووية الاصطناعية والرموز الجينية البديلة مع وظائف كيميائية غير متعارف عليها. نحن نعمل مع الدكتور بينهيرو لتطبيق مناهج البيولوجيا التركيبية على ضبط وتصميم بكتريوسينات جديدة غير موجودة في الطبيعة.

يعتبر الدكتور كريس بارنز رائدًا في مجال الأنظمة والبيولوجيا التركيبية ، ويقوم بإجراء أبحاث حول العمليات البيولوجية وعلاقتها بالمرض باستخدام النمذجة الرياضية والأساليب الإحصائية. بهذه الطريقة ، يشتمل بحثه على ثلاثة محاور: نمذجة العمليات الطفرية في الجينوم ، والهندسة العكسية لأنظمة الإشارات ، وتصميم أنظمة بيولوجية تركيبية للنُهج العلاجية ، ولا سيما هندسة بكتيريا الكائنات الحية المجهرية. نحن نعمل مع دكتور بارنز لاستخدامها نهج النمذجة لفهم والتنبؤ بتأثير البكتريوسينات على التجمعات الميكروبية الصناعية.


نظرة على مقررات الهندسة البيئية ونتائجها

الهندسة البيئية مجال واسع يركز على استخدام المبادئ الهندسية للتحكم في البيئة الطبيعية وإفادة السكان في كل مكان في نهاية المطاف. في UCR ، يركز تخصص الهندسة البيئية داخل MSE بالكامل على موارد وأنظمة المياه.

الحصول على المياه النظيفة بعيد كل البعد عن أن يكون أمراً مفروغاً منه في أجزاء كثيرة من العالم ، حيث يفتقر 780 مليون شخص إلى مصدر مياه محسن وفقًا لليونيسف ومنظمة الصحة العالمية. يمكن أن يساعد عمل المهندسين البيئيين في معالجة هذه المشكلة الشاملة مع تحسين أنظمة المعالجة الحالية أيضًا.

مثل تخصص الهندسة الحيوية ، تتميز الهندسة البيئية بأربع دورات أساسية مطلوبة:

  • كيمياء المياه في النظم الطبيعية والهندسية - يغطي هذا المقرر التوازن الكيميائي في أنظمة معالجة المياه الطبيعية والبشرية. سيقوم الطلاب بدراسة خصائص جودة المياه وتعلم كيفية إجراء التجارب الكيميائية على غرار الكمبيوتر.
  • عمليات المعالجة البيولوجية - تستكشف هذه الفئة التلوث البيولوجي للمياه جنبًا إلى جنب مع عمليات المعالجة المحددة ، ومن أمثلة هذه الأخيرة طرق الغشاء المعلق والثابت. سينظر طلاب MSE أيضًا في التفاعلات البيولوجية من حيث تفاعلاتهم الحركية والديناميكية الحرارية والكيميائية.
  • عمليات الفصل الفيزيائية والكيميائية - في هذا الفصل ، يلقي الطلاب نظرة على عمليات الفصل بين الأنظمة الطبيعية والمنظمة. تشمل الموضوعات التي يتم تناولها الكيمياء الغروانية ، وآليات الترسيب والتخثر وإزالة الجسيمات من مرشحات المياه.
  • أنظمة العلاج المتقدمة - يغوص الطلاب في هذه الدورة في التقنيات التي تدعم المعالجة اليومية لمياه الشرب ومياه الصرف الصحي. بعض التقنيات المحددة التي تم فحصها تشمل التناضح العكسي والأكسدة والترشيح الغشائي.

مع MSE مع تخصص في الهندسة البيئية ، يكون الخريجون على استعداد لمتابعة المناصب التي تعزز نظافة المياه والهواء. ومن أبرز الاحتمالات عالم الهيدرولوجيا ومهندس معالجة مياه الصرف ومهندس جودة الهواء.

توقع BLS أن عدد وظائف الهيدرولوجيين سينمو بنسبة 10 في المائة من 2016 إلى 2026 ، وهو أسرع من المتوسط ​​لجميع المهن. يتقاضى علماء الهيدرولوجيا أيضًا أجرًا مرتفعًا نسبيًا يبلغ حوالي 80 ألف دولار. بالنسبة لمهندسي البيئة كمجموعة ، تتوقع BLS نموًا بنسبة 8 بالمائة من 2016 إلى 2026 وحتى متوسط ​​تعويض أعلى يزيد عن 86000 دولار سنويًا.


الساعات الذكية تطلق الجينات المعدلة وراثيا في الخلايا البشرية (+ أخبار أخرى في البيولوجيا التركيبية هذا الأسبوع)

عندما تلتقي الأجهزة القابلة للارتداء بالبيولوجيا التركيبية ، فلديك وصفة للنجاح في وادي السيليكون. قد يكون هذا هو الحال ، على الأقل ، بالنسبة لدراسة جديدة نشرت هذا الأسبوع في اتصالات الطبيعة: استخدم الباحثون ضوء LED الأخضر على ساعة Apple Watch - والذي يستخدم عادة لتتبع معدل ضربات القلب وضغط الدم وأنماط النوم - لتحفيز إطلاق بروتين علاجي في الخلايا البشرية.

كيف تعمل: تبدأ الدراسة بـ T. ثيرموفيلوس، البكتيريا المتطرفة التي يمكن أن تنمو عند 82 درجة مئوية. تحتوي هذه البكتيريا على بروتين يسمى carH يعمل على إسكات الجينات المشاركة في التخليق الحيوي للكاروتينويد. CarH عبارة عن مركب homotetramer (مركب بروتيني يتكون من أربع وحدات فرعية متطابقة) والذي ، عند تعرضه للضوء ، يتفكك إلى مونومرات. تتطلب CarH أنزيم ، فيتامين B12 ، ليعمل بشكل صحيح.

في هذه الدراسة ، أخذ الباحثون الوحدة الفرعية لفيتامين B12 من carH وصهروها في عامل نسخ اصطناعي. بدون ضوء ، يحمل carH عامل النسخ عن كثب ، مما يمنعه من تشغيل الجينات. ولكن عندما تنفجر الخلية بالضوء ، تتفكك carH ويتحرر عامل النسخ. أدى ذلك إلى إطلاق عامل النسخ ثم يتم عرضه عبر الخلية وتشغيل الجين.

في هذه الورقة ، قام الباحثون - بقيادة مارتن فوسينجر من ETH زيورخ ، سويسرا - بتصميم carH لتشغيل جين ، على وجه التحديد ، يشفر الببتيد 1 الشبيه بالجلوكاجون ، وهو بروتين يمنع إفراز الجلوكاجون ويخفض مستويات السكر في الدم. أطلقوا على نظامهم نظام التحكم في الوهج (نظام التحكم في الساعات الذكية الذي يعمل بالضوء الأخضر).

قام الفريق بزرع 10 ملايين خلية HEK293T في الفئران التي تم تصميمها للتعبير عن carH وعامل النسخ الاصطناعي. ثم ربطوا ساعة آبل بظهر تلك الفئران.

عندما قام الفريق بتشغيل الضوء الأخضر لـ Apple Watch ، استجابت خلايا HEK293T بإطلاق الببتيد 1 الذي يشبه الجلوكاجون في الحيوانات. خفضت الفئران التي تحتوي على الجينات العلاجية المحورة وراثيا + Apple Watch مستويات الجلوكوز في الدم وفقدت الوزن بعد 12 يومًا.

لماذا يهم: ربما لن يتم تصميم عشاق Apple باستخدام جينات علاجية في أي وقت قريب. لكن هذه الورقة لا تزال مثيرة للاهتمام لأنها تظهر أن البيولوجيا التركيبية يمكن أن تتداخل مع الأجهزة الإلكترونية. ربما يمكن تنشيط البكتيريا المهندسة ، المدمجة في الملابس ، بالمثل باستخدام ساعة ذكية لإنتاج جزيئات عند الطلب.

الفيروسات عجائب بيولوجية. تتجمع العشرات أو المئات من البروتينات معًا وتتكاتف معًا ، وتحيط بها قطعة من الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي (RNA) التي تشفر المزيد من تلك البروتينات. إنها رقصة جزيئية تطورت عبر مليارات السنين.

الآن ، تمكن الباحثون من تطوير بروتينات ، في المختبر ، يمكن أن تشكل "كبسولات شبيهة بالفيروس" تأخذ وتخزن جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) التي تشفر المزيد من البروتينات الخاصة بها.

كيف تعمل: للدراسة الجديدة ، في علم، طور الباحثون بروتين نوكليوكابسيد من Aquifex aeolicus. يشكل هذا البروتين بشكل طبيعي حاويات نانوية ، تتكون من 60 وحدة فرعية فردية ، ولكنها لا تتعرف على الأحماض النووية.

قام الفريق ، بقيادة مجموعة دونالد هيلفيرت في ETH زيورخ ، سويسرا ، بإرفاق ببتيد غني بالأرجينين إلى aeolicus البروتين (يتعرف هذا الببتيد على شكل حلقة جذعية للحمض النووي الريبي يسمى BoxB ويربطه) ثم يستخدم التطور الموجه. يمكن لـ 1 في 8 من البروتينات المتطورة مع الببتيد الغني بالأرجينين التقاط نسخ mRNA المحاطة بعلامات BoxB.

لتحسين تصميمهم ، استخدم الفريق بعد ذلك تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR) المعرض للخطأ لتطفير الجين الذي يشفر البروتين المتطور.أثناء تحوير الحمض النووي ، أصبحت البروتينات أصغر وأصغر ، ولكنها أيضًا أصبحت أفضل وأفضل في التعرف على أشكال BoxB الخاصة بـ RNA. كتب الباحثون أن البديل الأفضل ، "لديه تسع طفرات جديدة". شكلت البروتينات المتطورة ، في النهاية ، 240 وحدة فرعية مكونة من قفيصة عشرية الوجوه يمكنها استيعاب وتغليف تسلسل الحمض النووي الريبي المشفر الخاص بها بنسبة 64 في المائة من الوقت. يعد هذا تحسنًا كبيرًا مقارنةً بـ "القفيصات الشبيهة بالفيروسات" التي صنعها علماء الأحياء الاصطناعية.

لماذا يهم: من خلال هندسة البروتينات ثم تطويرها لتشكيل nucleocapsids التي يمكن أن تأخذ ترميز تسلسلات RNA الخاصة بها ، يمكن للباحثين دراسة كيفية تطور الفيروسات بشكل طبيعي. يمكن للعلماء أيضًا استخدام هذه التقنيات ، على الأرجح ، لتحسين النانو لتوصيل الأدوية.

المفطورة التناسلية هي بكتيريا تحتوي على 538 جينًا فقط ، 482 منها مشفرة للبروتين. يحتوي على أصغر جينوم من أي كائن حي حر معروف.

بسبب مكانتها الصغيرة ، M. genitalium هي "نقطة انطلاق" ملائمة لتحديد أقل مجموعة من الجينات الضرورية للحياة. لقد أحرز معهد J. Craig Venter بالفعل تقدمًا على هذا الصعيد التركيبي M. genitalium الكائن الحي ، اعتبارًا من عام 2016 ، لديه 473 جينًا فقط.

لسوء الحظ ، يتطلب بناء الحد الأدنى من الجينومات في المختبر مقدارًا طويل زمن. لتسريع العملية ، يستخدم الباحثون غالبًا في السيليكو، نماذج حسابية للتنبؤ بمجموعة فرعية من الجينات من M. genitalium مطلوبة مدى الحياة.

لدراسة جديدة في علم الأحياء الاصطناعية ACS، قام الباحثون بقيادة مجموعات Lucia Marucci و Claire Grierson في جامعة بريستول بإنجلترا ، باختبار عشر مجموعات مختلفة من "مجموعات الجينات الدنيا" من أجل M. genitalium باستخدام نموذج حسابي كامل الخلية.

كيف تعمل: تراوحت مجموعات الجينات العشر إلى حد كبير في الحجم ، فأصغر "جينوم نظري" ، صممه أنتوني فورستر وجورج تشيرش في عام 2006 ، يحتوي على 89 جينًا فقط. تحتوي أكبر مجموعات الجينات ، من معهد فينتر ، على أكثر من 250 جينًا.

أجرى الباحثون عمليات محاكاة حسابية على كل مجموعة من مجموعات الجينات باستخدام نموذج الخلية الكاملة المتاح مجانًا من Markus Covert. وجدوا أن أيا من مجموعات الجينات ، كما تم وصفها ، يمكن أن تنتج خلايا قابلة للحياة.

لذلك بدأ الباحثون ، في هذه الدراسة ، بإضافة جينات إلى كل مجموعة من المجموعات العشر. في النهاية ، تمكنوا من جعل "الحد الأدنى" من الخلايا تنقسم في عمليات المحاكاة الخاصة بهم. أصغر جينوم "نظري" قابل للحياة يحتوي على 259 جينًا ، وهو ما يشبه إلى حد بعيد تنبؤات معهد فينتر منذ ما يقرب من عقدين من الزمن.

لماذا يهم: هذه الدراسة حسابية بالكامل ، وهناك حاجة إلى عدد كبير من التجارب لتحديد أصغر جينوم مطلوب لخلية وظيفية مقسمة. هذه الدراسة مثيرة للاهتمام ، لأنها تسلط الضوء على التطورات البيولوجية السريعة التي حدثت في العقد الماضي.

تم تقديم جميع الجينومات النظرية التي تمت محاكاتها في هذه الورقة في عام 2013 أو قبل ذلك. على هذا النحو ، فإن جميع مجموعات الجينات قد تخلت عن غير قصد عن الجينات التي يعرف العلماء الآن أنها ضرورية ، بما في ذلك الجينات لفصل الكروموسوم وإنتاج الجلايسين. مع تقدم علم الأحياء بطرق أساسية ، كذلك تقدم البيولوجيا التركيبية.

التجميع الذاتي الديناميكي لأنابيب الحمض النووي النانوية المجزأة. اتصالات الطبيعة (الوصول المفتوح). وصلة

التصنيع الحي للمواد البوليمرية الوظيفية شبه المتداخلة. اتصالات الطبيعة (الوصول المفتوح). وصلة

المستشعرات الحيوية للخلايا الكاملة الميكروبية: التطبيقات الحالية والتحديات ووجهات النظر المستقبلية. أجهزة الاستشعار الحيوية والإلكترونيات الحيوية. وصلة

نظام تطور اصطناعي بوساطة الحمض النووي الريبي في الخميرة. بحوث الأحماض النووية (الوصول المفتوح). وصلة

(منظور) نحو نظرية هندسية للتطور. اتصالات الطبيعة (الوصول المفتوح). وصلة

جزيئات غير شرعية لعمليات ملفات أكثر ذكاءً في تخزين البيانات القائمة على الحمض النووي. اتصالات الطبيعة (الوصول المفتوح). وصلة

تحديد بنية الجينوم بدقة زوج القاعدة. طبيعة سجية. وصلة

مكتبة الخميرة على نطاق الجينوم مع التعبير المحرض عن الجينات الفردية. بيولوجيا النظم الجزيئية (الوصول المفتوح). وصلة

(طباعة مسبقة) الحشرات المعدلة وراثيًا مع اختيار الجنس وعدم التوافق الجيني تمكن من قمع السكان. bioRxiv (الوصول المفتوح). وصلة

(طباعة مسبقة) هندسة إجهاد قائمة على تقنية CRISPR قابلة للتطوير وآلية باستخدام قطرات ميكروفلويديك. bioRxiv (الوصول المفتوح). وصلة

التوليف الأنزيمي لأوليغنوكليوتيدات الحمض النووي الكيميري بواسطة في المختبر النسخ باستخدام dTTP و dCTP و dATP و 2′-Fluoro Modified dGTP. علم الأحياء الاصطناعية ACS. وصلة

تصميم مفتاح استقلابي لا رجعة فيه للحث القابل للتطوير للإنتاج الكيميائي الميكروبي. اتصالات الطبيعة (الوصول المفتوح). وصلة

تصميم استشعار النصاب الاصطناعي لتحقيق توقيت الحث - تثبيت إشارة مستقل للهندسة الأيضية الديناميكية بكتريا قولونية. علم الأحياء الاصطناعية ACS. وصلة

إنتاج مكون حليب الأطفال 1،3-أوليين-2-بالميتين في نبات الأرابيدوبسيس thaliana بذور. هندسة التمثيل الغذائي. وصلة

(طباعة مسبقة) استخدام المستشعرات الحيوية القابلة للاستبدال من الناحية الهيكلية لتطوير التوليفات الحيوية القلوية المحسنة. bioRxiv (الوصول المفتوح). وصلة

(ما قبل الطباعة) التخليق الحيوي لحمض الأوليفيتوليك القنب عن طريق التغلب على خطوات تحديد المعدل في الهندسة الوراثية يارويا ليبوليتيكا. bioRxiv (الوصول المفتوح). وصلة

تطوير شبكة تنظيم ديناميكية مقترنة ومتعددة الطبقات لتحقيق التوازن بين عقدة malonyl-CoA لتعزيز (2س) -Naringenin biosynthesis in الإشريكية القولونية. هندسة التمثيل الغذائي. وصلة

الجمع بين هندسة الأيض و Monoterpene Synthase ل من جديد إنتاج كحول المونوتربين في الإشريكية القولونية. علم الأحياء الاصطناعية ACS. وصلة

إنتاج الوقود الحيوي عالي الإنتاجية المستند إلى Terpene في كبسولات رودوباكتر. علم الأحياء الاصطناعية ACS. وصلة

هندسة نفاذية الهالوموناس الزرقاء عزز خصائص هيكلها. هندسة التمثيل الغذائي. وصلة

بناء أدوات الحمض النووي لفرط التعبير في مارشانتيا البلاستيدات الخضراء. علم الأحياء الاصطناعية ACS (الوصول المفتوح). وصلة

(ما قبل الطباعة) تحدد مواقع استخدام السكريات في Bacteroides لياقة السكان والتفاعلات على مستوى المجتمع. bioRxiv (الوصول المفتوح). وصلة

(طباعة مسبقة) نظام تفاضل خفيف قابل للضبط لإنشاء والتحكم في اتحادات الخميرة. bioRxiv (الوصول المفتوح). وصلة

بروتين جسر مصمم هندسيًا مع تقارب مزدوج للبروتين التشكل العظمي -2 والكولاجين يعزز تجديد العظام من أجل اندماج العمود الفقري. تقدم العلم (الوصول المفتوح). وصلة

تحليل مقارن لثلاث دراسات تقيس التألق من التركيبات الجينية البكتيرية المهندسة. بلوس واحد (الوصول المفتوح). وصلة

(ما قبل الطباعة) التمييز بين نماذج التعبير الجيني للثدييات: النماذج الشبيهة بالتلغراف مقابل النماذج الميكانيكية. bioRxiv (الوصول المفتوح). وصلة

(ما قبل الطباعة) توصيف النمو غير الأسي وتوزيعات حجم الخلية ثنائية النسق في Schizosaccharomyces pombe: نهج تحليلي. bioRxiv (الوصول المفتوح). وصلة

(طباعة مسبقة) قد يؤدي الحصول على حلقات تغذية مرتدة إضافية إلى تحسين استجابة استشعار النصاب وتسريعها. bioRxiv (الوصول المفتوح). وصلة

(طباعة مسبقة) تتنبأ نمذجة الخلية الكاملة في الخميرة بقيود البروتين الخاصة بالمقصورة التي تقود استراتيجيات التمثيل الغذائي. bioRxiv (الوصول المفتوح). وصلة

(ما قبل الطباعة) تنبثق الديناميات العالمية للمجتمعات الميكروبية من قواعد التفاعل المحلية. bioRxiv (الوصول المفتوح). وصلة

(ما قبل الطباعة) نموذج Monod غير كافٍ لشرح نمو الكتلة الحيوية في تخمير الخميرة المحدود بالنيتروجين. bioRxiv (الوصول المفتوح). وصلة

تصميم جرنا الرشيد استنادًا إلى بيانات ربط عامل النسخ. علم الأحياء الاصطناعية (الوصول المفتوح). وصلة

(مراجعة) التحكم البصري في تدهور البروتين المستهدف. بيولوجيا الخلية الكيميائية. وصلة

(مراجعة) موجه من محرر الجينوم في الجسم الحي تنويع المكتبات. بيولوجيا الخلية الكيميائية. وصلة

استهدف Cas9 إثراء العناصر المتنقلة باستخدام تسلسل nanopore. اتصالات الطبيعة (الوصول المفتوح). وصلة

تصوير النسخ الأصلية وديناميات النسخ في الجسم الحي باستخدام بروتين الأرجونوت الموسوم. بحوث الأحماض النووية (الوصول المفتوح). وصلة

تطبيق القوة المنظم على المستقبلات الخلوية باستخدام المحركات الجزيئية. اتصالات الطبيعة (الوصول المفتوح). وصلة

(منظور) المشهد الناشئ لتقنيات تسلسل البروتين أحادي الجزيء. طرق الطبيعة (الوصول المفتوح). وصلة

(ما قبل الطباعة) مجموعة أدوات Komagataeibacter (KTK): نظام استنساخ معياري للتركيبات متعددة الجينات وإفراز البروتين المبرمج من البكتيريا المنتجة للسليلوز. bioRxiv (الوصول المفتوح). وصلة

(مراجعة) التكنولوجيا الحيوية من أجل تصاميم آمنة للاحتواء الحيوي في اقتصاد حيوي ناشئ. الرأي الحالي في التكنولوجيا الحيوية (الوصول المفتوح). وصلة

(مراجعة) الاتجاهات المعلوماتية الحيوية في التكنولوجيا الحيوية للعنب والنبيذ. الاتجاهات في التكنولوجيا الحيوية (الوصول المفتوح). وصلة

(ما قبل الطباعة) إثبات صحة الخلايا البشرية باستخدام وظائف فيزيائية غير قابلة للاستنساخ. bioRxiv (الوصول المفتوح). وصلة

GENE SILENCER: يمكن لأداة كريسبر الجديدة تغيير الإيبيجينوم للخلايا البشرية ، وإيقاف التعبير الجيني لأشهر. نطاق. وصلة

مستقبل التكنولوجيا الحيوية: ما التالي بالنسبة للتكنولوجيا الحيوية؟ جورج تشيرش لديه قطعة أرض من التنبؤات ، من عزل الكربون إلى توليف المصفوفة لإنتاج إنزيمات جديدة بشكل جماعي. التكنولوجيا الحيوية الطبيعة. وصلة

الحمض النووي لـ HOPPIN: يحدث نقل الجينات الأفقي في الفقاريات ، ولا يفهم العلماء السبب دائمًا. مجلة كوانتا. وصلة

السيتوكينات الاصطناعية: تقوم شركة تدعى Synthekine بتصميم السيتوكينات لتكون أكثر تحديدًا ، وبالتالي تقليل الآثار الجانبية العلاجية. التكنولوجيا الحيوية الطبيعة. وصلة

ستارتوبس السويسرية: تزدهر الشركات السويسرية الناشئة في مجال التكنولوجيا الحيوية. هذا المقال يرسم المشهد. Labiotech.eu. وصلة

النباتات الأولية: تتحسن كفاءة وخصوصية المحررين الرئيسيين بسرعة في النباتات ، ويرجع الفضل في ذلك جزئيًا إلى مختبر Caixia Gao في الأكاديمية الصينية للعلوم. طبيعة سجية. وصلة

مهنة: تقوم شركة Empress Therapeutics بتعيين عالم أحياء اصطناعية لمقرها الرئيسي في كامبريدج ، ماساتشوستس. قدم هنا.


13 الاستنتاجات

يمكن نقل الجينات بنجاح من كائن حي إلى آخر ، ويمكن تغيير مستوى التعبير الجيني والنشاط باستخدام محفزات مختلفة و / أو نسخ أرقام من الجينات أو موازنة معدلات التحلل. يجعل نظام تحرير الجينات كريسبر التغييرات الجينية سهلة [15] (حتى مع تقديم مجموعات تجارية إلى السوق المحلية (على سبيل المثال ، [64]).

لا تزال هناك تحديات في عدة مجالات. أحد أكثر الجوانب التي يتم التغاضي عنها في أنظمة المعيشة هو مقدار الضوضاء المتأصلة. في الجهود المبذولة لبرمجة الكائنات ذات التركيبات الجينية المصممة بدقة ، غالبًا ما تكون الحالة أن البناء لا يعمل على النحو المنشود ، بسبب التباين الذي ينتج عن الكائن الحي المضيف. يتمثل أحد التحديات على هذه الجبهة في فهم كيفية تعديل أو التحكم في الضوضاء المتأصلة إلى مستوى مقبول (إن أمكن) أو فهم كيفية استخدام الضوضاء المتأصلة لصالح النظام. يرتبط بهذا التحدي كيفية إنتاج أنظمة مستدامة معدلة وراثيًا باستخدام عناصر جينية قياسية مثل البلازميدات. يمكن للدوائر الجينية أن تعمل في خلية مضيفة لدقائق إلى أيام قبل أن يصبح النظام معطلاً ، عادةً بسبب فقدان البلازميدات بمرور الوقت. قد يسمح تطوير آليات التغذية المرتدة المتطورة بوظيفة مستدامة للبنى الجينية بمرور الوقت. مرتبط مرة أخرى بالتحديات المذكورة أعلاه هو التحدي المتمثل في فهم التأثير السلبي على لياقة الكائن المهندَس. كيف يظهر عبء التمثيل الغذائي نفسه ، وما هي الآليات الأساسية ، وهل التأثيرات مضافة؟

يستمر التقييس والنمطية في لعب دور أساسي في صقل أبحاث وممارسات البيولوجيا التركيبية. مع تطوير الأدوات والتقنيات في البيولوجيا التركيبية ، قد تصبح الأسئلة الأعمق في علم الأحياء قابلة للتجربة: على سبيل المثال ، طبيعة الضوضاء ، والحالات الجاذبة ، والتجسيد ، وأنظمة الطفرات ، والتحسين البيولوجي ، ونقل المعلومات ، على سبيل المثال لا الحصر. حتى الآن ، يتم النظر في معظم هذه الاعتبارات بشكل مناسب للمقاييس الزمنية القصيرة ، على سبيل المثال ، من ساعات إلى أيام من الوظائف. لم يتم تحديد الرؤى طويلة المدى للتلاعب الجيني بوضوح ، على الرغم من مناقشتها. على الرغم من أن البيولوجيا التركيبية توفر مزيدًا من التحكم في الأنظمة الجينية ، إلا أن حدود مقدار الهندسة الممكنة في الأنظمة البيولوجية لم يتم توضيحها بعد.


شاهد الفيديو: الهندسة العكسية Geomagic u0026 3d scan (ديسمبر 2022).