در دنیای امروز، علم مدرن مرزهای میان طبیعت و مهندسی را هر روز نازک‌تر می‌کند. از تولید گوشت‌های آزمایشگاهی گرفته تا ویرایش DNA، انسان به‌تدریج توانایی کنترل مستقیم موجودات زنده را به دست آورده است. یکی از جدیدترین دستاوردهای علمی در این زمینه، سوئیچ ژنتیکی مصنوعی‌ای است که می‌تواند ویژگی‌های گیاهان را با فرمانی خارجی کنترل کند.
دستاورد محققان دانشگاه ایالتی کلرادو
گروهی از پژوهشگران در دانشگاه ایالتی کلرادو موفق به ساخت ابزاری ژنتیکی شده‌اند که توانایی کنترل صفات گیاهان بالغ را دارد. این دستاورد نخستین استفاده موفق از یک «سوئیچ ژنتیکی مصنوعی» در یک سیستم گیاهی پیچیده به شمار می‌رود.
نقش سوئیچ ژنتیکی در کنترل ویژگی‌های گیاه
ایده‌ای برگرفته از الکترونیک
زیست‌شناسی مصنوعی اغلب از مفاهیم الکترونیکی الهام می‌گیرد. همان‌گونه که یک مدار الکترونیکی می‌تواند با یک سوئیچ چراغ یا کامپیوتر را روشن و خاموش کند، مدارهای DNA نیز می‌توانند رفتار ژن‌ها را بر اساس سیگنال‌های دریافتی کنترل کنند.
چگونه سوئیچ ژنتیکی عمل می‌کند؟
دانشمندان با طراحی قطعات مصنوعی DNA و وارد کردن آن‌ها به ارگانیسم‌ها، مدارهایی می‌سازند که مانند منطق دیجیتال عمل می‌کنند. در پژوهش اخیر، این مدار ژنتیکی به‌صورت «سوئیچی» عمل می‌کند که با دریافت سیگنالی خارجی، ژن‌های خاصی را درون گیاه فعال یا غیرفعال می‌سازد.
تمایز با پروژه‌های گذشته
پیش‌تر، این نوع سوئیچ‌ها فقط در باکتری‌ها و ارگانیسم‌های تک‌سلولی قابل استفاده بودند. اما کاربرد این روش در گیاهی چندسلولی و پیچیده، برای نخستین بار امکان‌پذیر شده است.
چرا این سوئیچ ژنتیکی اهمیت دارد؟
تحول در کشاورزی هوشمند
به گفته‌ی پروفسور «جون مدفورد» از دانشکده زیست‌شناسی، این سوئیچ می‌تواند کشاورزی را دگرگون سازد. کشاورزان با کمک این ابزار قادر خواهند بود که زمان رسیدن میوه یا رشد گیاه را کنترل کرده، به بهره‌وری بالاتر و کاهش ضایعات غذایی دست یابند.
غلبه بر پیچیدگی سیستم‌های گیاهی
گیاهان دارای بافت‌ها، سلول‌ها و ساختارهای مختلفی مانند ریشه‌ها و اندام‌های تولیدمثلی هستند. فعال‌سازی سوئیچی که در سراسر گیاه به‌درستی کار کند، نیازمند سال‌ها تحقیق و توسعه بوده است.
چگونه این سوئیچ طراحی و آزمایش شد؟
ساخت سوئیچ با مدل‌سازی رایانه‌ای
پژوهشگران ابتدا بخش‌هایی خاص از DNA گیاهی را سنتز کردند و سپس با استفاده از مدل‌سازی ریاضی، عملکرد ژن‌ها را به‌صورت مجازی (in silico) در رایانه پیش‌بینی کردند. این روش به آن‌ها اجازه داد تا پیش از آزمایش‌های واقعی، بهترین ترکیب‌های ژنتیکی را شناسایی کنند.
آزمایش‌های زنده روی گیاهان
در نهایت، توالی‌های منتخب به گیاهان زنده منتقل شد و طی ۱۲ روز، واکنش ژن‌ها به سیگنال‌های خارجی زیر نظر قرار گرفت. نتایج به‌خوبی با پیش‌بینی‌ها منطبق بود، که نشان می‌داد می‌توان گیاهان را به‌شکلی قابل پیش‌بینی و برنامه‌پذیر مهندسی کرد.
ترکیب زیست‌شناسی با محاسبات پیشرفته
پروفسور مدفورد به نقش حیاتی همکاری با متخصصان مدل‌سازی مانند پروفسور «آشوک پراساد» اشاره کرد. آن‌ها با ترکیب داده‌های زیستی و الگوریتم‌های پیشرفته، موفق شدند سیگنال‌های کلیدی را از میان حجم زیادی از اطلاعات شناسایی کنند.
کاربرد سوئیچ در سراسر ساختار گیاه
کنترل کامل: از ریشه تا شاخه
نکته شگفت‌انگیز این پژوهش، توانایی سوئیچ در عملکرد در تمامی بخش‌های گیاه بود. محققان نشان دادند که این ابزار می‌تواند بر رشد شاخه‌ها، ریشه‌ها و سلول‌ها در مراحل مختلف تأثیر بگذارد. چنین کنترل جامعی برای کاربردهای دنیای واقعی ضروری است.
امکان مدیریت رشد، مقاومت و مصرف آب
این انعطاف‌پذیری به گیاه امکان می‌دهد تا در برابر تنش‌های محیطی مقاومت کند، آب را بهتر مصرف کند یا حتی رشد خود را با شرایط محیطی هماهنگ نماید. این امر گامی بلند در مسیر زیست‌شناسی برنامه‌پذیر است.
نقش این سوئیچ در مقابله با تغییرات اقلیمی
کمک به کشاورزی در شرایط سخت
به گفته پروفسور پراساد، این ابزار می‌تواند در آینده به کشاورزان کمک کند تا با شرایط اقلیمی نامتعادل سازگار شوند. برای مثال، می‌توان با فعال‌سازی یک سوئیچ، تحمل گیاه در برابر خشکسالی را افزایش داد یا کدوها را زودتر از موعد کشت کرده و اندازه و ارزش غذایی آن‌ها را حفظ کرد.
گستردگی کاربردهای آینده
کاربردهای این سوئیچ فراتر از کشاورزی است. گیاهان برنامه‌ریزی‌شده می‌توانند در پزشکی، علوم مواد یا حتی کشاورزی در فضا نقش ایفا کنند.
آینده مهندسی ژنتیک گیاهی
افقی نو در زیست‌شناسی مصنوعی
این پژوهش سنگ بنایی برای تحقیقات آینده در حوزه زیست‌شناسی مصنوعی است. با بهبود سرعت، دقت و قابلیت سازگاری این سوئیچ در گونه‌های مختلف، امکانات گسترده‌تری در اختیار دانشمندان قرار خواهد گرفت.
لایه‌ای تازه در کنار اصلاح نژاد
این فناوری جایگزین روش‌های سنتی اصلاح ژنتیکی یا پرورش گیاه نیست، بلکه لایه‌ای تازه بر آن می‌افزاید؛ لایه‌ای که در آن صفات ژنتیکی گیاه به‌جای ثابت بودن، به‌صورت پویا و به فرمان انسان فعال یا غیرفعال می‌شوند.
گامی بلند به سوی گیاهان هوشمند
از مدل‌سازی DNA در رایانه تا مشاهده تغییرات زنده در گیاه، این پژوهش نقطه عطفی در زیست‌شناسی مصنوعی به شمار می‌رود. آینده‌ای را تصور کنید که در آن گیاهان می‌توانند به‌فرمان شما فکر کنند، واکنش نشان دهند و تطبیق یابند.
جمع‌بندی
پژوهش محققان دانشگاه ایالتی کلرادو نشان می‌دهد که کنترل دقیق و برنامه‌پذیر ویژگی‌های گیاهی دیگر یک رؤیا نیست. این دستاورد، دروازه‌ای به دنیایی نو باز می‌کند؛ دنیایی که در آن گیاهان نه‌تنها رشد می‌کنند، بلکه بر اساس نیاز انسان و محیط، عملکردی هوشمند و سفارشی‌شده خواهند داشت.
منبع: این مطالعه در نشریه ACS Synthetic Biology منتشر شده است.
