زیست شناسان حسگرهای باکتریایی را هک می‌کنند

برای کشف عملکرد یک سیستم دو مؤلفه ای کاملاً جدید، زیست شناسان ترکیبی دانشگاه رایس، مدارهای ژنتیکی را در هفت گونه باکتری بازسازی کردند و بررسی کردند که هر کدام، هنگامی که در معرض 117 ماده شیمیایی منفرد قرار می گیرد، چگونه رفتار می کند. اعتبار: جف فیتلو / دانشگاه رایس
 
زیست شناسان ترکیبی دانشگاه رایس، حسگری باکتریایی را با یک سیستم آماده به کارهک کرده اند که می تواند برای مخلوط کردن و مطابق کردن ده ها هزار ورودی حسی و خروجی ژنتیک مورد استفاده قرار گیرد. این تکنولوژی دارای دلالت های گسترده ای برای تشخیص پزشکی، مطالعه پاتوژن های مرگبار، نظارت بر محیط زیست و موارد دیگر است.
 
در یک پروژه تقریبا شش ساله، جف تابور، مهندس زیستی دانشگاه رایس و همکارانش، هزاران آزمایش را انجام دادند تا نشان دهند که می توانند سیستم های دو مؤلفه‌ای را به طور سیستماتیک بازسیمکشی کنند، که مدارهای ژنتیکی‌ای هستند که باکتری ها برای حس کردن محیط هایشان و گوش سپردن به همسایگانشان مورد استفاده قرار می دهند. کار آنها در یک مطالعه منتشر شده در مجله "زیست شناسی شیمیایی طبیعت" ظاهر شد.
 
گروه تابور خروجی های سنسورهای باکتریای شناخته شده را بازسیمکشی کرد و همچنین سنسورها را  بین باکتری هایی که از دور به هم مرتبط بودند حرکت داد. مهمتر از همه این بود که آنها نشان دادند که می توانند کار یک حسگر ناشناخته را شناسایی کنند.
 
تابور، پروفسور وابسته مهندسی زیستی در مدرسه مهندسی براون رایس و دانشمند راهبر در پروژه، گفت: " بر اساس تحلیل های ژنومی، می دانیم که حداقل 25000 سیستم دو مؤلفه ای در باکتری ها وجود دارد." "با این حال، برای حدود 99٪ از آنها، ما هیچ ایده ای نداریم که آنها چه چیزی را حس می کنند یا چه ژن هایی را در پاسخ فعال می کنند."
 
اهمیت یک ابزار جدید که سیستم های دو مؤلفه ای را باز می کند، با کشف دو نژاد یک باکتری مرگ آور مقاوم به داروهای زیاد در سال 2018 که از یک سیستم دو مؤلفه ای ناشناخته برای سرباز زدن از کُلستین، که آخرین پناه آنتی بیوتیکی است، استفاده می کند مورد تأکید قرار گرفت. اما تابور گفت که استفاده های ممکن این ابزار فراتر از طب است.
 
او گفت: "این بزرگترین گنجینه پیدا شده طبیعت از حسگرهای زیستی است." "بر اساس ویژه گری عالی و حساسیت برخی از سیستم های دو مؤلفه ای که ما درک می کنیم، به طور گسترده ای اعتقاد بر این است که سنسورهای باکتریایی از هر چیزی که انسان ها بتوانند با بهترین تکنولوژی امروز بسازند، بهتر عمل می کنند."
 
تابور گفت که این به این دلیل است که سنسورهای باکتریایی از میان میلیاردها سال تکامل صاف و پالوده شده اند.
 
او گفت: "باکتری ها چیزی تقریباً به پیچیدگی چشم ها، گوش ها یا بینی ندارند، اما آنها بین محیط های بسیار متفاوت مانند برگ و یا روده یا خاک حرکت می کنند و بقای آنها بستگی به توانایی آنها در حس و سازگاری با آن تغییرات دارد."
 
تابور گفت: "سیستم های دو مؤلفه ای روشی است که با آن این کارها را می کنند." "اینها سیستم هایی هستند که آنها برای "دیدن" نور ،" بوییدن " مواد شیمیایی اطرافشان و" شنیدن" آخرین اخبار جامعه، که از توئیت های منتشر شده بیوشیمیایی از همسایگان می آید، استفاده می کنند."
 
باکتری ها شایع ترین شکل زندگی هستند و وجود سیستم های دو مؤلفه ای در تقریبا هر ژنوم باکتریایی که توالی بندی شده است نشان داده شده است. اکثر گونه ها دارای حدود دوازده سنسور هستند و برخی از آنها دارای چند صد سنسور هستند.
 
بیش از شش دسته گسترده از سیستم های دو مؤلفه ای وجود دارد، اما همه آنها به روشی مشابه کار می کنند. آنها یک مؤلفه سنسور کیناز (SK) دارند که برای یک سیگنال از جهان خارج  عمل "گوش کردن" را انجام می دهد، و به محض شنیدن آن یک فرآیند به نام فسفوریلاسیون را آغاز می کند. باکتری ها شایع ترین شکل زندگی هستند و وجود سیستم های دو مؤلفه ای در تقریبا هر ژنوم باکتریایی که توالی بندی شده است نشان داده شده است. این عمل، مولفه‌ی دومی، را فعال می کند که یک تنظیم کننده پاسخ (RR) است که روی ژن مشخصی عمل می کند و آن را مانند یک سوئیچ یا یک کلید روی حالت های روشن و خاموش قرار می دهد.
 
در حالی که کد ژنتیکی برای مؤلفه ها به راحتی بر روی یک اسکن ژنتیکی ظاهر می شود، رمز و راز دوگانه این را برای زیست شناسان تقریبا غیرممکن می سازد که مشخص کنند که یک سیستم دو مؤلفه ای چه کاری انجام می دهد.
 
تابور گفت: "اگر سیگنالی که آن حس می کند را نشناسید و ژنی که رویش عمل می کند را نشناسید، این واقعا سخت است." "ما تنها یکی از ورودی یا خروجیِ حدود 1٪ از سیستم های دو مؤلفه ای را می شناسیم، و همچنان برای تعداد کمتری هر دو ورودی و خروجی را می شناسیم."
 
دانشمندان می دانند که سنسورهای کیناز به طور معمول پروتئین های تراواغشاء هستند، با یک دامنه حسگری، که نوعی آنتن بیوشیمیایی است که از میان پوسته بیرونی کیسه مانند باکتری بیرون می زند. هر دامنه حسگر طراحی شده است تا به یک مولکول سیگنال خاص یا لیگاند متصل شود. هر سنسور کیناز لیگاند هدف خود را دارد، و اتصال با لیگاند همان چیزی است که با آن واکنش زنجیره ای شروع می شود که یک ژن را روشن، خاموش، بالا یا پایین می کند.
 
مهم است که هرچند هر سیستم دو مؤلفه ای برای یک لیگاند خاص بهینه می شود، مؤلفه های سنسور کیناز و تنظیم کننده پاسخ آنها به روش های مشابه کار می کنند. با در ذهن داشتن این موضوع، تابور و مؤلف راهبر همکار در مطالعه، سباستیَن اشمیدل  در اواخر سال 2013 تصمیم گرفتند تبادل دامنه اتصال DNA را امتحان کنند، که بخشی از تنظیم کننده پاسخ است که DNA را شناسایی می کند و ژن هدف مسیر را فعال می کند.
 
تابور گفت: "اگر شما به مطالعات ساختاری قبلی نگاه کنید، دامنه اتصال DNA اغلب مانند محموله ای به نظر می رسد که درست در حال تکان دادن یک سوار از دامنه فسفوریلاسیون است." "به همین دلیل، ما فکر کردیم دامنه های اتصال دهنده DNA ممکن است مانند ماژول های قابل تعویض یا بلوک های لگو عمل کنند. "

 
منبع: دانشگاه رایس