بررسی سیستم‌های حیات در شرایط سخت با استفاده از مهندسی ژنتیک

تعریف حیات

در این مقاله نگاهی به آزمایش‌ها و تحقیقاتی می‌اندازیم که دانشمندان در شرایط سخت مانند ایستگاه فضایی بین‌المللی انجام می‌دهند تا دانش بشر را در رابطه با سیستم‌های حیات روی سیاره‌ی زمین و حتی حیات فرای آن افزایش دهند.

• شناخت حیات فقط با بررسی یک موجود زنده دشوار است. تفاوت موجود زنده با غیرزنده چیست؟ به نظر می‌رسد بین موجود زنده و غیرزنده مرز مشخصی وجود ندارد. در بسیاری از تعاریف حیات بر ویژگی‌های زیر تأکید کرده‌اند:
• ارگانیسم‌های زنده از سلول‌هایی با غشای نیمه‌ تراوا ساخته می‌شوند.
• ارگانیسم‌های زنده دارای متابولیسم هستند، یعنی مکانیسم‌هایی که به یاری آنها انرژی آزاد محیط اطراف را جذب کرده و به مصرف می‌رسانند تا بتوانند به اتم‌ها و مولکول‌ها آرایش نوینی بدهند و آنها را به ساختارهای پویا و پیچیده‌ای که برای ادامه حیات به آنها نیاز دارند، تبدیل کنند.
• ارگانیسم‌های زنده می‌توانند با تکیه بر هومئوستاز یا تعادل شیمیایی و استفاده از اطلاعات محیط‌های داخلی و خارجی، مکانیسم‌های واکنشی خود را با محیط‌های متغیر سازگار کنند.
• ارگانیسم‌های زنده قادرند با کاربرد اطلاعات ژنتیکی، رونوشت‌های دقیقی از خود بسازند.
• البته این رونوشت‌‌ها با اصل خود، تفاوت‌های ناچیزی نیز دارند. به این ترتیب بعد از گذشت چند نسل مشخصات موجود زنده تغییر می‌کند و می‌تواند با محیط‌های متغیر سازگار شود.

بررسی انواع کاربرد مهندسی ژنتیک در مطالعه سیستم‌های حیات در شرایط سخت:

آنالیز ژن‌ها در فضا

چندین سال است که مطالعات زیستی در فضا در حال انجام است و هدف اصلی آن ایجاد درک بهتر از نحوه‌ی تأثیر پروازهای فضایی بر سیستم‌های زنده در فضاپیماها مانند ایستگاه فضایی بین‌المللی یا آزمایش‌های زمینی است که جنبه‌های پروازهای فضایی را تقلید می‌کنند. این آزمایش‌ها شامل بررسی نحوه‌ی تنظیم یا سازگاری گیاهان، میکروب‌ها و حیوانات با زندگی در فضا می‌شوند که فرایندهای متابولیسم، فیزیولوژیکی، رشد و پاسخ به استرس در آنها مورد بررسی قرار می‌گیرد. همچنین اینکه چگونگی ترمیم در میکرواورگانیسم‌ها در شرایط کم‌ جاذبه و چگونگی دفاع از خود در برابر عوامل بیماریزا و عفونی در آن شرایط و در حضور تابش‌های کیهانی، از موضوعات مهم مطالعات زیستی در فضاست.

فرایند کشت سلول و پرورش گیاه در ایستگاه فضایی بین‌المللی

WetLab-2 یک پلتفرم تحقیقاتی است که برای مطالعه آزمایش‌های کمّی PCR برای آنالیز بیان ژن‌ها  در ایستگاه فضایی بین‌المللی انجام می‌شود. این سیستم، مطالعات ژنومیک پرواز‌های فضایی را امکان‌پذیر می‌کند که شامل انواع گوناگونی از نمونه‌های زیستی در شرایط میکروگرانش می‌شود. ماژول آزمایشی وت‌لب ۲ به دانشمندان اجازه می‌دهد تا DNA و RNA را از ساختارها و بافت‌های سلولی ایزوله کنند.

حالا چرا دانشمندان به ‌خود زحمت می‌دهند نا در شرایط بی‌وزنی چنین آزمایشاتی را انجام دهند؟ هدف این آزمایش‌ها چیست؟ زیست‌شناسان در سراسر جهان  به‌صورت متداول آنالیزهای بیان ژن را انجام می‌دهند تا سیستم‌های زندگی را  بهتر درک کنند. آنالیز بیان ژن انواع و مقادیر مولکول‌هایی را که توسط ژن‌ها در سلول‌ها ساخته می‌شوند، نشان می‌دهد و به ما می‌گوید کدام ژن‌ها در یک زمان مشخص فعال هستند و کدام نه. این کار به ما اطلاعات ارزشمندی درباره‌ی حالت‌های درونی بسیار پویای سلول‌ها در سیستم‌های حیات می‌دهد. وت‌لب۲ برای دانشمندان ایستگاه فضایی این امکان را فراهم می‌آورد تا بیان ژن را در نمونه‌های زیستی در فصا اندازه‌گیری کنند و نتایج حاصل از تحقیقات را به زمین بفرستند.

کریسپر و DNA

اخیرا سرعت کشفیات در رشته بیوتکنولوژی با پدیدار شدن تکنولوژی جدیدی به‌نام کریسپر (خوشه‌های پالیندروم تناوبی کوتاه با میان‌ فاصله‌های منظم) شتاب هیجان‌انگیزی گرفته است. این تکنولوژی راه‌های ارزان و دقیقی را برای ویرایش DNA نوید می‌دهد. در واقع اساس این تکنولوژی میلیارد‌ها سال پیش شکل گرفته است. دانشمندان نمی‌دانستند که چگونه باکتری‌ها مکانیسم‌های بسیار دقیقی برای مقابله با یورش ویروس‌ها دارند. باکتری‌ها چگونه ویروس مهلک را تشخیص می‌دهند و سپس آن را خلع سلاح می‌کنند؟ دانشمندان دریافتند که باکتری‌ها قادرند تهدید‌ها را تشخیص دهند چون این تهدید‌ها بریده‌ای از ماده ژنتیکی ویروس را حمل می‌کنند مثل تصاویری که پلیس از چهره‌ی تبهکاران می‌گیرد، باکتری‌ها می‌توانند با استفاده از آن ویروس متخاصم را شناسایی کنند. همین که باکتری رشته‌ی ژنتیکی و در نتیجه ویروس را تشخیص دهد، آن را درست در مکانی می‌بُرد که خنثی شود و نتواند مسیرش را آلوده سازد.

تحقیقات دانشمندان درباره مطالعات DNA در فضا با استفاده از سخت‌افزار مینی ‌PCR در ایستگاه فضایی، نمونه‌ای از تلاش‌های محققان در جهت افزایش دانش درباره بلوک سارنده ارگانیسم‌ است. مطالعه ترمیم DNA کلیدی برای اکتشافات فضایی آینده است که می‌تواند انسان را از خطر تخریب DNA توسط تابش‌های زیان‌آور کیهانی حفظ کند. به لطف تیمی از محققان برای اولین بار از تکنیک ویرایش ژن کریسپر در ایستگاه بین‌المللی فضایی برای مطالعه DNA استفاده شد. این گروه توانستند توالی DNA یک مخمر را بشکنند و توالی‌های دوباره سرهم‌بندی‌شده‌ی DNA را مرتب کنند تا ببینند آیا نظم و ترتیب اصلی DNA دوباره برقرار شده‌است یا نه. این نتایج به‌ طرز حیرت‌انگیزی جعبه‌ابزار مطالعات زیست‌شناسی مولکولی در ایستگاه بین‌المللی فضایی را گسترش می‌دهد. با استفاده از کریسپر دانشمندان می‌توانند در ناحیه‌های مشخصی از DNA برش ایجاد کنند و خطرهای احتمالی را حذف کنند.

کنجکاوی، بشریت را به سمت کاوش و تسخیر فضا سوق داده است. هرچند امروزه تحقیقات فضایی دیگر فقط به خاطر کنجکاوی نیست بلکه یک نیازست. برای پشتیبانی از خدمه‌ای که راهی اکتشافات فضایی می‌شوند تأمین مایحتاج چه به‌صورت ارسال از زمین چه آماده‌سازی کوتاه‌ مدت به وسیله روش‌های فیزیوشیمیایی در ایستگاه بین‌المللی فضایی الزامی است. برای ساخت یک اکوسیستم فرازمینی مصنوعی لازم است به‌ دنبال سوپرارگانیسم‌هایی با سازگاری بالا که مستعد رشد در محیط‌های خشن فضا هستند، بگردیم. در حقیقت تعدادی ارگانیسم برای کشت در فضا مطرح شده‌اند. استفاده از دست‌ورزی‌های ژنتیکی برای افزایش پتانسیل فتوسنتز و تحمل استرس می‌تواند انجام شود. دستکاری‌های ژنتیکی و غربالگری گیاهان، میکروجلبک‌ها و سیانوباکتری‌ها در حال حاضر موضوعات شگفت‌انگیزی برای مهندسی فضایی به ‌شمار می‌رود‌. مطالعه ماشین فرگشت در سیاره‌ی زمین به ما کمک می‌کند تا ارگانیسم‌های سبز را برای ساخت اتمسفر مصنوعی به‌علاوه زنجیره غذایی در فضا مهندسی معکوس ژنتیکی کنیم. برای مثال آنزیم‌های فتوسنتزی نیرومند ارگانیسم‌های فتوسنتزی سخت ‌‌دوست باستانی می‌توانند در غنی‌سازی ذخایر ژنتیکی گیاهان و میکروجلبک‌ها در فضا کمک شایانی بکنند.

نمونه‌هایی از میکرواورگانیسم‌های سخت‌زی؛ تصویر سمت راست، تاردیگرید یا خرس آبی و تصویر سمت چت، داینوکوکوس رادیوس.

مزیت‌های مهندسی ژنتیک برای انسان در آینده:

با توجه به استفاده‌ی بی‌رویه از منابع زمینی و فعالیت‌های خطرساز بشر که منجربه ‌افزایش دمای زمین شده‌است، این سیاره احتمالا به‌ مکانی غیر قابل سکونت برای انسان تبدیل خواهد شد. از مزیت‌هایی که مهندسی ژنتیک می‌تواند برای ما به ارمغان بیاورد این است که می‌توانیم بدن‌مان را از لحاظ زیست‌شناختی قوی کنیم تا در سیاره‌ای با گرانش قوی‌تر زندگی کنیم. این امکان توسط دانشمندان همزمان با کشف ژنی پیشنهاد شد که سبب رشد عضلات می‌شود. این ژن نخستین‌ بار زمانی که جهش ژنتیکی سبب عضلانی ‌شدن موش‌ها گردید، یافت شد. رسانه‌ها آن را «ژن موش قوی» نامیدند. بعد‌ها گونه‌ی انسانی این ژن کشف و «ژن شوارتزینگر» نام‌گذاری شد. برای ما که می‌خواهیم سیاراتی را کشف کنیم که میدان‌های گرانشی‌شان از میدان گرانشی زمین قوی‌تر است یا به کاوش اعماق اقیانوس‌های زمین و دیگر سیاره‌ها بپردازیم، توانایی کنترل عضلات حائز اهمیت است. تاکنون اخترشناسان تعداد زیادی سیارات زمین‌سان پیدا کرده‌اند (سیارات صخره‌ای که در منطقه‌ا‌ی سکونت‌پذیر قرار دارند که چه بسا اقیانوس هم داشته باشند). این سیاره‌ها نامزد‌های احتمالی سکونت‌گاه انسانی به شمار می‌آیند، به جز اینکه میدان گرانشی آنها می‌تواند ۵۰ درصد بیشتر از میدان گرانشی زمین باشد و این حکایت از آن دارد که لازم است ما عضلات و استخوان‌هایمان را قوی‌تر سازیم تا بتوانیم در این سیارات زندگی کنیم.

مهندسی ژنتیک در فضا در آزمایش Space-6

در سال 2013 میلادی ستاره‌شناسان ماموریت کپلر گزارش دادند، سیاره‌ای فراخورشیدی (خارج از منظومه‌ی شمسی) همانند زمین موجود است که قابل سکونت است. دانشمندان می‌گویند این سیاره که به‌نام  Kepler-69cنامیده شده‌است، در کمربند حیات ستاره‌ی خود قرار گرفته است. از بین سیارات فراخورشیدی دیگری که نامزد میزبان حیات هستند، می‌توان به Gliese 667cc، Kepler 22b، Kepler 442b و Kepler 62f اشاره کرد. برخی از این سیارات ممکن است تحت آسیب شراره‌های ستاره‌ی مادر خود باشند که با وجود قرار گرفتن‌شان در محدوده‌ی کمربند حیات اندکی شرایط زیستن را برای موجودات زمینی دشوارتر می‌کند و این موضوع ضرورت استفاده از مهندسی ژنتیک در اخترزیست‌شناسی را برای ایجاد سازگاری با شرایط سخت در موجودات زمینی  و به‌ویژه انسان بیان می‌دارد.

سیاره‌ی گلیز Cc667

اخلاق مهندسی زیستی:

پیشرفت بیوتکنولوژی به قدری سریع است که پرسش‌های اخلاقی در این زمینه فراوان هستند. تاریخ نکبت‌بار بهسازی نژادی از جمله آزمایش‌هایی که نازی‌ها برای خلق نژاد برتر انجام دادند، داستان هشداردهنده‌ای برای هر کسی است که بخواهد نژاد انسان را تغییر دهد. اکنون این امکان وجود دارد که سلول‌های پوست موش را اصلاح ژنتیکی کنند تا به سلول‌های تخمک و اسپرم تبدیل شوند و آنگاه آنها را با هم لقاح دهند تا موش سالمی خلق شود. دست‌ آخر این فرایند را می‌توان درباره‌ی انسان نیز به ‌کار برد. این فرایند می‌تواند تا حد زیادی تعداد افراد نازا را افزایش دهد که می‌توانند فرزندان سالم به دنیا بیاورند اما از سویی هم به این معنی است که مردم می‌توانند سلول‌های پوست یکدیگر را بدون اجازه از هم به دست بیاورند و نسخه‌هایی از یکدیگر بسازند.

سخن آخر:

بشر برای رسیدن به پاسخ سوالاتش دست به هر کاری می‌زند، آینده‌ی انسان به‌شدت به مهندسی ژنتیک، هوش مصنوعی و فیزیک گره خورده است. اکتشافات فضایی هم یکی از راه‌هایی است که می‌توان به کنجکاوی‌ها و بزرگ‌اندیشی‌ها جنبه‌ی دیگری داد. متاسفانه فیزیولوژی بدن انسان برای بقا در این گوی آبی کوچک سازگاری یافته و بهره‌‌گیری از مهندسی ژنتیک می‌تواند توان استقامت و بقای انسان و چه ‌بسا دیگر جانداران در سفر‌های فضایی را افزایش دهد. دست‌ورزی‌های ژنتیکی با رشد تکنولوژی‌ها و هوش مصنوعی کاربردی‌تر می‌شوند و کلونی‌سازی سیاره‌ها و قمر‌های سامانه‌ی خورشیدی و فراتر از آن برای ادامه‌ی حیات آسان‌تر خواهد شد. تا آن زمان ما به رویاپردازی‌ها و تخیلات خودمان ادامه می‌دهیم و چه کسی می‌داند شاید آنها را به واقعیت تبدیل کنیم.

نویسنده: مهران عظیمی

گردآورنده: فاطمه جلائی‌زاده

منابع

Content://com.android.chrome.FileProvider/offline-cache/48f2adfb-7cd7-4c7a-9d99-7a436ea281a2.mhtml

Content://com.android.chrome.FileProvider/offline-cache/840c9ddd-1e74-48c5-b72a-1f7921f4f34d.mhtml

Content://com.android.chrome.FileProvider/offline-cache/f7a60ae7-079e-457c-b3d5-7d07bf15cc5b.mhtml

Kaku,Michio. The Future of Humanity: Terraforming Mars, Interstellar Travel, Immortality, and Our Destiny Beyond Earth, 2018

Christian,David. Origin Story: A Big History of Everything, 2018