منظور از مهندسی سویه چیست؟

صنعت بیوتکنولوژی بریتانیا، قدمتی 4000 ساله دارد (اواخر دوره نوسنگی- Neolithic period) و می‌توان از آن، در تولید آب جو و نوشیدنی‌های الکلی از سلول‌های مخمر یاد کرد. در طول قرن بیستم بود که بیوتکنولوژی، با پیشرفت کاربردهای صنعتی متنوع میکروارگانیسم‌ها، توسعه و گسترش پیدا کرد و پایه و اساس محصولات بیوتکنولوژی نوترکیب حال حاضر دنیا را پی‌ریزی کرد.

در این حین، میکروارگانیسم‌هایی که توانستند در تولید محصولات دارویی، صنعتی و کشاورزی، کارایی مورد نیاز را داشته باشند، شناسایی‌شده و مورد استفاده قرار گرفتند. اما این پایان ماجرا نبود؛ مهندسی ژنتیک سویه و زیست‌شناسی مصنوعی در توسعه سویه‌های متنوع از میکروارگانیسم‌ها روی کار آمد تا محصولات نوترکیب با راندمان کافی و بالا تولید و عرضه شوند.

مهندسی سویه چیست و چه اهدافی دارد؟

مهندسی سویه یک علم بیولوژیکی کاربردی است که با کمک مفاهیم زیست‌شناسی مصنوعی در سیستم‌های بیولوژیکی، برای ایجاد و بهینه‌سازی سویه‌های میکروبی که محصولات/فرایندهای هدف را با کارایی بالا ارائه می‌دهند، استفاده می‌شود. مجموعه ابزار مورد نیاز برای تولید سویه مهندسی‌شده، شامل فناوری‌های بیولوژیکی مولکولی، از فناوری‌های مهندسی ژنتیک دقیق مانند CRISPR تا تکامل هدایت‌شده، جهش‌زایی کلاسیک و تکامل تطبیقی ​​است.

متخصصان این حوزه، با کمک مهندسی ژنتیک سویه، قطعات DNA را طوری طراحی می‌کنند تا عملکردهای جدیدی را به میکروارگانیسم‌های مختلف معرفی ‌کنند. آن‌ها متابولیسم سلول میزبان را برای به حداکثر رساندن تشکیل محصول، بهینه می‌کنند و همچنین سلول‌های میکروارگانیسم را طوری مهندسی می‌کنند که به اندازه کافی، قوی باشند تا در شرایط سخت داخل یک تخمیر صنعتی دوام بیاورند.

اهداف و کاربرد مهندسی ژنتیک سویه در صنعت بیوتکنولوژی

مهندسی سویه و سویه‌های مهندسی‌شده در صنعت بیوتکنولوژی در طیف گسترده‌ای، مانند تولید داروهای نوترکیب، محصولات کشاورزی دست‌ورزی‌شده، افزایش بیان پروتئین نوترکیب و حتی ژن درمانی کاربرد دارد.

·مهندسی ژنتیک سویه برای افزایش بیان پروتئین نوترکیب در باکتری‌ها

ایجاد تغییرات کروموزومی، مانند جایگزینی نوکلئوتید، حذف یا درج ژن و در نتیجه بیان بیش از حد ژن‌های همولوگ یا هترولوگ، همگی می‌توانند بر بیان پروتئین‌های هدف تأثیر بگذارند. تغییرات ژنتیکی را می‌توان به روشی هدفمند در یک مسیر سلولی خاص که در بیوژنز پروتئین نقش دارد، در DNA سویه مهندسی‌شده اعمال کرد. از طرف دیگر، زمانی که علل بیان ضعیف، شناخته ‌نشده باشند، می‌توان کتابخانه‌ای از قطعات ژنی کروموزوم تصادفی را کلون و با پروتئین موردنظر بیان کرد.

همچنین کل ژنوم ممکن است در معرض جهش‌زایی تصادفی قرار گیرد و به دنبال آن، غربالگری برای جداسازی کلون هایی که تولید پروتئین را افزایش می‌دهند، انجام می‌شود. با استفاده از مهندسی سویه، می‌توان پروتئین‌های نوترکیب مورد نیاز صنایع مختلف را با حجم انبوه، کیفیت و کارایی مطلوب و هزینه پایین تولید و عرضه کرد.

·کاربرد سویه مهندسی‌شده در ژن درمانی

یکی از امیدوارکننده‌ترین کاربردهای مهندسی سویه، انجام ژن درمانی برای بسیاری از بیماری‌های ژنتیکی است. در ژن درمانی، DNA یا RNA مهندسی‌شده را می‌توان هدایت و به سلول‌های خاصی که حاوی «ژن‌های عملکردی» هستند، فرستاد و علاوه‌براین، می‌توان ژن‌های جهش‌یافته را غیرفعال کرد. مطالعات متعدد، توانایی عالی سویه مهندسی‌شده ویروس‌های مورد استفاده در ژن درمانی را برای درمان موفقیت‌آمیز بیماری‌ها نشان داده است. ویروس‌های «انکولیتیک»، ویروس‌های دستکاری‌شده ژنتیکی هستند که می‌توانند با از بین بردن سلول‌های سرطانی، سرطان‌ها را درمان کنند. مطالعات، موفقیت مهندسی سویه ویروس‌ها را در از بین بردن موفقیت‌آمیز سلول‌های تومور پس از تزریق و حساس‌تر‌ کردن آن‌ها به شیمی درمانی نشان داده است.

جامع‌ترین دوره‌ی ژن‌درمانی برای نخستین بار در کشور

·تولید واکسن‌ها، برای پیشگیری از بیماری‌ها

کاربرد مهندسی سویه ویروس‌های بیماریزای رایج به این صورت است که می‌توان آن‌ها از نظر ژنتیکی اصلاح کرد تا بیماریزایی کمتری داشته باشند؛ اما همچنان، توسط سیستم ایمنی برای ایجاد یک پاسخ ایمنی قوی در برابر آن شناسایی شوند. علاوه‌بر ایجاد واکسن‌های زنده برای القای یک پاسخ ایمنی محافظتی برای جلوگیری از عفونت‌ها، ویروس‌ها را می‌توان طوری برای تقویت سلول‌های ایمنی برای ساخت آنتی‌بادی‌های مؤثرتر به‌ویژه در مواردی که واکسن‌ها شکست می‌خورد، مهندسی سویه کرد. در مواردی که واکسن‌ها شکست می‌خورند، اغلب به دلیل اختلال در تولید آنتی‌بادی توسط سلول‌های B است حتی اگر آنتی‌بادی‌ها علیه چنین ویروس‌هایی مانند HIV، EBV، RSV و ویروس‌های سرماخوردگی تولید شوند.

در یکی از مطالعات اخیر، دانشمندان با کمک مهندسی ژنتیک سویه استراتژی‌ای را طراحی کردند که منجربه بیان آنتی‌بادی‌های محافظ علیه RSV، HIV، آنفولانزا و EBV در سلول‌های B موش و انسان شد. با اصلاح ژنتیکی جایگاه‌های زنجیره سنگین در این سلول‌های B، آن‌ها می‌توانند توانایی خود را برای انجام پیوند جایگزین برای تولید آنتی‌بادی‌های ترشح‌شده در سطوح محافظتی حفظ کنند. این مهندسی سویه باعث می‌شود تا سلول‌های ایمنی در برابر بیماری‌هایی که در حال حاضر توسط واکسن‌ها قابل پیشگیری نیستند، ایمنی ایجاد کنند.

·مهندسی سویه در محصولات کشاورزی و تولید گیاهان GMO

گیاهان تولیدشده از طریق مهندسی ژنتیکی سویه، یکی از متداول‌ترین نمونه‌های ارگانیسم‌های اصلاح‌شده ژنتیکی (GMOs) هستند. برخی از مزایای مهندسی ژنتیک در کشاورزی عبارتند از: افزایش بازده محصولات، کاهش هزینه‌های تولید غذا یا دارو، کاهش نیاز به آفت‌کش‌ها، افزایش ترکیب مواد مغذی و کیفیت غذا، مقاومت در برابر آفات و بیماری‌ها، امنیت غذایی بیشتر و مزایای پزشکی برای جمعیت رو به رشد جهان است. همچنین در توسعه محصولاتی که زودتر بالغ می‌شوند و آلومینیوم، بور، نمک، خشکسالی، یخبندان و سایر عوامل استرس‌زای محیطی را تحمل می‌کنند، پیشرفت‌هایی حاصل شده‌است که به گیاهان اجازه می‌دهد در شرایطی رشد کنند که در غیر این صورت، ممکن است محقق نشود.

انتخاب سویه مهندسی‌شده باید بر چه اساسی باشد؟

قبل از بررسی هر گونه امکان تولید محصولات بیوتکنولوژی، باید به دنبال سویه‌ مهندسی‌شده صنعتی مناسبی باشیم که بتوانند بسترها را از نظر اقتصادی به محصولات مطلوب تبدیل کنند. فرآیند انتخاب سویه‌های بهبودیافته از سه مرحله اساسی پیروی می‌کند: (1) جهش‌زایی جمعیت برای ایجاد تنوع ژنتیکی (2) انتخاب تصادفی یا غربالگری از جمعیت باقی‌مانده برای یافتن سویه بهبودیافته و (3) شناسایی سویه‌های بهبودیافته از طریق سنجش براث تخمیر برای محصولات. یک سویه مهندسی‌شده مناسب برای تولید محصول و یا انجام فرایندهای بیولوژیکی مورد انتظار باید شرایط زیر را داشته باشد و از این فاکتورها، پیروی کند:

• باید بتواند محصول موردنظر را در مقیاس بزرگ و انبوه تولید کند،
• باید یک موجود زنده شناخته ‌شده باشد،
• باید بتواند سریع‌تر رشد کند و زمان تکثیر کوتاه‌تری داشته باشد،
• باید نگهداری و گسترش آن ایمن باشد،
• باید در محیط‌های رشد حداقل تا متوسط ​​رشد کند،
• باید دمای رشد بهینه‌ای داشته باشد،
• باید از نظر ژنتیکی پایدار و ساده باشد و دستکاری ژنتیکی و مهندسی سویه آن دشوار نباشد،
• سویه مهندسی‌شده باید از طریق روش‌های غربالگری با توان بالا، شناسایی و از جمعیت‌های مختلف میکروبی جدا شوند.

استراتژی‌های مورد استفاده برای تولید سویه مهندسی‌شده در صنعت

برای مهندسی سویه، استراتژی‌های بسیار متفاوتی وجود دارد که بسته به هدف و سویه اولیه، یکی از روش‌های بهینه‌سازی و یا ترکیبی از آن‌ها با هم مورد استفاده قرار می‌گیرد. این استراتژی‌ها بسیار متنوع و مختلف هستند و دارای مسیرهای بیولوژیکی متعددی هستند.

• جهش‌ها

ژنتیک سابقه طولانی در کمک به تولید محصولات میکروبی داشته است. افزایش فوق‌العاده در بهره‌وری تخمیر و کاهش هزینه‌های ناشی از آن عمدتا با جهش‌زایی و غربالگری برای سویه‌های میکروبی با تولید بالاتر به وجود آمده است. با کمک جهش‌ها می‌توان در مهندسی سویه مقاوم به آنتی‌متابولیت‌ها استفاده کرد که یکی از استراتژی‌های تولید سویه مهندسی‌شده بهبودیافته است. حتی می‌توان جهش‌هایی که تغییرات کیفی را در ترکیب محصولات تخمیر نشان می‌دهند برای بهبود سویه‌ها استفاده کرد.

• نوترکیبی ژنتیکی

برخلاف استفاده گسترده از جهش در صنعت، نوترکیبی ژنتیکی در ابتدا چندان مورد استفاده قرار نگرفت که عمدتا به دلیل عدم وجود یا فراوانی بسیار کم نوترکیبی ژنتیکی میکروارگانیسم‌ها در صنعت بوده است. نوترکیبی به‌ویژه زمانی مفید است که با استراتژی‌های جهش مرسوم ترکیب شود تا مشکل ارگانیسم‌های تولیدشده نامناسب و در نتیجه آسیب ژنتیکی انباشته در یک سری از نسل‌های جهش‌زایی را حل کند.

سخن پایانی

استفاده از مهندسی سویه و ایجاد سویه مهندسی‌شده بهبودیافته در دهه‌های اخیر باعث شده‌است که تولید محصولات بیوتکنولوژی در حیطه‌های مختلف پزشکی، دارویی، کشاورزی و… توسعه و گسترش پیدا کند. مهندسی ژنتیک سویه و ایجاد وکتورهای بیانی برای تولید بیان ژن‌های خارجی در باکتری‌ها یکی از مهم‌ترین اهدافی است که این علم کاربردی دنبال می‌کند. تولید محصولات نوترکیب یکی از شناخته‌شده‌ترین کاربردهایی است که می‌توان از مهندسی ژنتیک سویه و زیست‌شناسی مصنوعی یاد کرد.

نویسنده و ویراستار: زینب رضائی

منابع:

1. Gene cloning and DNA analysis: an introduction,7^th ed,2016
2. Comprehensive Biotechnology ,2th ed,2011
3. https://microbialcellfactories.biomedcentral.com/articles/10.1186/1475-2859-10-32
4. https://www.news-medical.net/health/How-Could-a-Virus-be-Genetically-Engineered.aspx
5. https://www.nature.com/scitable/topicpage/genetically-modified-organisms-gmos-transgenic-crops-and-732/
6. https://www.omicsonline.org/fermentation-technology/strain-selection-and-improvement-innovations.php#:~:text=A%20strain%20to%20be%20selected,in%20minimal%20to%20moderate%20growth
7. https://academic.oup.com/femsre/article/30/2/187/2367384