به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، هرساله برترین دانشمندان جهان در سال جدید ابزارها و تکنیک‌هایی را معرفی می‌کنند که میزان پیشرفت و تحول علوم در حوزه‌های مختلف را نشان می‌دهد. در این مطالعه که در مجله nature  منتشر شده است به معرفی برترین‌های آنها پرداخته شده است.

توالی یابی پروتئین تک مولکولی

پروتئوم مجموعه کاملی از پروتئین‌های ساخته شده توسط یک سلول یا ارگانیسم را نشان می‌دهد. پروتئین‌ها از الفبای بزرگتری از بلوک‌های ساختمانی نسبت به اسیدهای نوکلئیک، با تقریباً 20 اسید آمینه طبیعی (در مقایسه با چهار نوکلئوتید که مولکول‌هایی مانند DNA و RNA پیام رسان را تشکیل می‌دهند) ترکیب می‌شوند. این تنوع ترکیبات منجر به تنوع شیمیایی بسیار زیادی در ایجاد پروتئین‌های مختلف می‌شود. برخلاف اسیدهای نوکلئیک، پروتئین‌ها نمی توانند تقویت شوند، به این معنی که روش‌های آنالیز پروتئین باید با هر ماده‌ای که در دسترس است کار کند. بیشتر آنالیزهای پروتئومی از طیف‌سنجی جرمی استفاده می‌کنند، تکنیکی که مخلوط پروتئین‌ها را بر اساس جرم و بار آن‌ها مشخص می‌کند. این پروفایل‌ها می‌توانند هزاران پروتئین را به طور همزمان تعیین کنند، اما مولکول‌های شناسایی شده همیشه نمی‌توانند به طور واضح شناسایی شوند، و پروتئین‌های با فراوانی کم در یک مخلوط اغلب نادیده گرفته می‌شوند. اکنون، فناوری‌های تک مولکولی که می‌توانند بسیاری از پروتئین‌های موجود در یک نمونه، و نه همه آنها را توالی‌بندی کنند، می‌توانند در دوردست باشند ، بسیاری از این فناوری‌های آنالیزی تک مولکولی مشابه تکنیک‌های مورد استفاده برای توالی یابی DNA هستند.

تکنیک fluorosequencing

ادوارد مارکوت، بیوشیمیدان دانشگاه تگزاس در آستین، یکی از این رویکردها را دنبال می‌کند که به نام fluorosequencing شناخته می‌شود. تکنیک مارکوت که در سال 2018 گزارش شد، بر اساس یک فرآیند شیمیایی مرحله‌ به‌گام است که در آن اسیدهای آمینه منفرد به‌ صورت فلورسنت برچسب‌گذاری می‌شوند و سپس یک به یک از انتهای پروتئین جفت‌شده سطحی جدا می‌شوند، زیرا دوربین سیگنال فلورسنت حاصل را می‌گیرد. مارکوت توضیح می‌دهد: «با استفاده از این رویکرد ما می‌توانیم پروتئین‌ها را با رنگ‌های فلورسنت مختلف برچسب‌گذاری کنیم و سپس مولکول به مولکول را در حین جدا کردن آنها تماشا کنیم».

میکروسکوپ الکترونی حجمی

میکروسکوپ الکترونی (EM) به دلیل وضوح فوق العاده‌اش شناخته شده است، اما بیشتر برای دیدن در سطح نمونه‌ها استفاده می‌شود، زیرا مشاهده عمیق‌تر یک نمونه مستلزم برش‌های بسیار نازک است که برای زیست‌شناسان اغلب وقت و زمان کافی برای این کار نیست. لوسی کالیسون، میکروسکوپ الکترونی در موسسه فرانسیس کریک در لندن، توضیح می‌دهد اکنون محققان وضوح EM را به نمونه‌های بافت سه‌بعدی با ابعاد میلی‌متر مکعب ارتقا داده‌اند . پیش از این، بازسازی چنین حجم‌هایی از تصاویر 2 بعدی EM - به عنوان مثال، برای ترسیم اتصال عصبی مغز - شامل یک فرآیند پر زحمت از آماده سازی نمونه، تصویربرداری و محاسبه برای تبدیل آن تصاویر به یک تصویر کلی شامل اتصال چند تصویر بوده است.

تکنیک‌ "volume EM"

 جدیدترین تکنیک‌های "volume EM" اکنون این فرآیند (تصویربرداری و محاسبه میکروسکوپی ) را به شدت ساده می‌کند. این تکنیک‌ها مزایا و محدودیت‌های مختلفی دارند. میکروسکوپ برای تصویربرداری سریالی از یک بلوک بافتی، از یک تیغه لبه الماس برای تراشیدن لایه‌های متوالی نازک از نمونه جاسازی شده با رزین استفاده می کند، این کار نسبتا سریع است و می‌تواند نمونه‌هایی به اندازه یک میلی متر مکعب را کنترل کند و جدا کند. با این حال، وضوح عمق ضعیفی را نیز ارائه می‌دهد. بنابراین میکروسکوپ الکترونی (FIB-SEM) لایه‌های بسیار نازک‌تری را از بافت ایجاد می‌کند  و در نتیجه وضوح عمقی ریزتری را نیز نشان می‌دهد ولی این میکروسکوپ برای نمونه‌های با حجم کمتر مناسب‌تر است.

میکروسکوپ الکترونیCOSEM

میکروسکوپ الکترونی» (COSEM) حجم تصویربرداری شده در یک آزمایش را تقریباً 200 برابر افزایش می‌دهد و در عین حال وضوح فضایی خوبی را حفظ می‌کند. این تیم با استفاده از بانکی از این ماشین‌ها در ارتباط با الگوریتم‌های یادگیری عمیق، توانست اندامک‌های مختلف و دیگر ساختارهای درون سلولی را در حجم کامل سه‌بعدی طیف وسیعی از انواع سلول‌ها تعریف کند. علی رغم اینکه روش‌های آماده‌سازی نمونه دشوار و تسلط بر آن دشوار است و مجموعه داده‌های حاصله نیز بسیار زیاد هستند، اما این تلاش ارزشمند است: کالیسون اکنون با همکارانش کار می‌کند تا امکان سنجی بازسازی کل مغز موش با وضوح بالا را بررسی کند - تلاشی که او پیش بینی می‌کند بیش از یک دهه کار طول بکشد، احتمال می‌رود این کار میلیاردها دلار هزینه داشته باشد و در عین حال نیم میلیارد گیگابایت داده تولید کند. او می‌گوید: "بزرگی این کار به اندازه تلاش برای ترسیم اولین ژنوم انسان است".

CRISPR-Cas9

ابزار ویرایش ژنوم CRISPR-Cas9 به‌طور موجهی به عنوان روشی برای معرفی تغییرات تعریف‌شده در مکان‌های هدف در سرتاسر ژنوم، ایجاد پیشرفت‌هایی در ژن درمانی، مدل‌سازی بیماری و سایر زمینه‌های تحقیقاتی، شهرت به دست آورده است. اما محدودیت‌هایی برای استفاده از آن وجود دارد. اکنون، محققان در حال یافتن راه‌هایی برای دور زدن این محدودیت‌ها هستند. ویرایش CRISPR توسط یک RNA راهنمای کوتاه هماهنگ می‌شود، که آنزیم نوکلئاز Cas مرتبط را به دنباله ژنومی هدف خود هدایت می‌کند. اما این آنزیم همچنین به دنباله ای نزدیک به نام موتیف مجاور پروتوسپیسر (PAM) نیاز دارد. بدون این موتیف، ویرایش احتمالا با شکست مواجه خواهد شد.

ایجاد انواع Cas بدون PAM

در بیمارستان عمومی ماساچوست در بوستون، مهندس ژنوم Benjamin Kleinstiver از مهندسی پروتئین برای ایجاد انواع Cas بدون PAM از آنزیم معمول Cas9 از باکتری Streptococcus pyogenes استفاده کرده است. یک نوع Cas به یک PAM از تنها سه پایه نوکلئوتیدی متوالی با یک نوکلئوتید A یا G در موقعیت وسط نیاز دارد. Kleinstiver می‌گوید: «این آنزیم‌ها اکنون عملاً کل ژنوم را می‌خوانند، در حالی که آنزیم‌های معمولی CRISPR بین 1 تا 10 درصد از ژنوم را می‌خوانند». همچنین بسیاری از گونه‌های Cas به‌طور طبیعی وجود دارند که باید کشف شوند. در طبیعت، سیستم CRISPR-Cas9 یک مکانیسم دفاعی باکتریایی در برابر عفونت ویروسی است و میکروارگانیسم‌های مختلف آنزیم‌های مختلفی را با ترجیحات PAM متمایز ایجاد کرده‌اند. ویروس شناس آنا سرستو و نیکولا سگاتا محقق میکروبیوم در دانشگاه ترنتو در ایتالیا بیش از یک میلیون ژنوم میکروبی را بررسی کرده‌اند تا مجموعه متنوعی از گونه‌های Cas9 را شناسایی و مشخص کنند که تخمین می‌زنند در مجموع می‌توانند بیش از 98 درصد از عوامل بیماری زا را هدف قرار دهند.  با این حال، تنها تعداد انگشت شماری از آنها در سلول‌های پستانداران کار می‌کنند. Cereseto می‌گوید: «ایده ما این است که بسیاری را آزمایش کنیم و ببینیم چه عواملی باعث می‌شوند آنزیم‌ها به درستی کار کنند. Kleinstiver می‌گوید بین بینش‌های به‌دست‌آمده از این مجموعه‌های آنزیمی طبیعی و تلاش‌های مهندسی پروتئین با کارآیی بالا، «من فکر می‌کنم که ما با یک جعبه ابزار کاملاً کامل از ویرایشگرها می‌رسیم که به ما امکان می‌دهد هر جایگاهی را که می‌خواهیم ویرایش کنیم».

مدل‌های جنین آزمایشگاهی

سفر از تخمک بارور شده تا جنین کاملاً تشکیل شده در سطح سلولی برای موش و انسان با جزئیات ترسیم شده است. اما ماشین‌های مولکولی که مراحل اولیه این فرآیند را هدایت می‌کنند هنوز به خوبی شناخته نشده است. اکنون مجموعه‌ای از فعالیت‌ها در مدل‌های "جنین" به پر کردن این شکاف‌های دانش کمک می‌کند و به محققان دید واضح‌تری از رویدادهای اولیه حیاتی می‌دهد که می‌توانند موفقیت یا شکست رشد جنین را تعیین کنند. برخی از پیچیده‌ترین مدل‌ها از آزمایشگاه Magdalena Zernicka-Goetz، زیست‌شناس تکوینی در مؤسسه فناوری کالیفرنیا در پاسادنا و دانشگاه کمبریج، بریتانیا آمده است. در سال 2022، او و تیمش نشان دادند که می‌توانند جنین‌های موش در مرحله لانه گزینی را به طور کامل از سلول‌های بنیادی جنینی (ES) تولید کنند. مانند تمام سلول‌های بنیادی پرتوان، سلول‌های ES می‌توانند هر نوع سلول یا بافتی را تشکیل دهند – اما برای تکمیل رشد جنینی طبیعی نیاز به تعامل نزدیک با دو نوع سلول خارج جنینی دارند. تیم Zernicka-Goetz یاد گرفتند که چگونه سلول‌های ES را برای تشکیل این سلول‌های خارج جنینی متقاعد کنند و نشان دادند که می‌توان این سلول‌ها را با سلول‌های ES کشت کرد تا مدل‌های جنینی را تولید کرد که به مراحلی بالغ می‌شوند که قبلاً در شرایط آزمایشگاهی غیرقابل دستیابی بودند.

مدل‌سازی مراحل اولیه تکوین جنین

میگل استبان و همکارانش در مؤسسه زیست پزشکی و سلامت گوانگژو، آکادمی علوم چین، زیست‌شناس سلول‌های بنیادی روش متفاوتی را در پیش گرفته‌اند: برنامه‌ریزی مجدد سلول‌های بنیادی انسانی برای مدل‌سازی مراحل اولیه تکوین جنین. استبان می‌گوید: «ما با این ایده شروع کردیم که در واقع ممکن است حتی امکان ساخت زیگوت وجود داشته باشد. این تیم کاملاً به آن دست نیافتند، اما آنها یک استراتژی کشت را شناسایی کردند که این سلول‌های بنیادی را به چیزی شبیه جنین هشت سلولی انسان برگرداند. این یک فرایند حیاتی است که با یک تغییر عظیم در بیان ژن مرتبط است که در نهایت باعث ایجاد دودمان سلولی جنینی و خارج از جنین می‌شود. مدل استبان اگرچه ناقص است، اما ویژگی‌های کلیدی سلول‌ها را در جنین‌های هشت سلولی طبیعی نشان می‌دهد و تفاوت‌های مهمی را بین نحوه آغاز گذار به مرحله هشت سلولی توسط جنین انسان و موش برجسته کرده است.  در مجموع، این مدل‌ها می‌توانند به محققان کمک کنند تا نقشه‌برداری کنند که چگونه تنها چند سلول باعث پیچیدگی خیره‌کننده بدن مهره‌داران می‌شوند.

تحقیقات روی جنین انسان

تحقیقات روی جنین انسان در بسیاری از کشورها بیش از 14 روز از رشد جنین محدود شده است، اما پژوهشگران می‌توانند در این محدودیت‌ها کارهای زیادی انجام دهند. استبان می‌گوید که مدل‌های پستانداران غیرانسانی یک جایگزین ممکن را ارائه می‌دهند، و زرنیکا-گوتز می‌گوید که اکنون با دستیابی به استراتژی تولید جنین موش، همچنین می‌توان جنین‌های انسانی تولید کرد که تا روز دوازدهم رشد می‌کنند.

پایان مطلب/.