نظام المعلومات الجينية الموسع اصطناعياً

نظام المعلومات الجينية الموسع اصطناعياً ( AEGIS ) هو تجربة تحاكي الحمض النووي الاصطناعي ، وتستخدم بعض أزواج القواعد غير الطبيعية من مختبرات مؤسسة التطور الجزيئي التطبيقي في غينزفيل، فلوريدا ، وتحديداً مختبر ستيفن أ. بينر . يُعد AEGIS مشروعاً ممولاً من وكالة ناسا، ويهدف إلى فهم كيفية تطور الحياة خارج كوكب الأرض . ^{[ 1 ]} وفي مقال نُشر عام 2024 من نفس المختبر، تم توسيع المفهوم ليشمل أنظمة المعلومات الجينية القابلة للتطور من صنع الإنسان ، مع الاحتفاظ بنفس الاختصار. ^{[ 2 ]}

يُعدّ كلٌّ من حمض هاشيموجي النووي (DNA) وحمض هاشيموجي الريبي النووي (RNA ) (من اليابانية八文字hachimoji ، وتعني "ثمانية أحرف") مجموعةً فرعيةً دقيقةً من هذا النظام، وقد طُوِّرا في المختبر نفسه. ^{[ 3 ]} ينتج عن ذلك أربعة أزواج قاعدية مسموح بها : زوجان قاعديان غير طبيعيين مُشكَّلان بواسطة القواعد النيتروجينية الاصطناعية ، بالإضافة إلى الزوجين الطبيعيين. وقد ثَبُتَ وجود قواعد هاشيموجي في كلٍّ من نظائر الحمض النووي DNA والحمض النووي الريبي RNA، باستخدام ديوكسي ريبوز وريبوز على التوالي كسكر أساسي. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}

قد تشمل فوائد نظام الأحماض النووية هذا قدرة محسّنة على تخزين البيانات ، بالإضافة إلى رؤى حول ما قد يكون ممكناً في البحث عن حياة خارج كوكب الأرض . ^{[ 7 ] [ 8 ]}

يُعدّ كلٌّ من Hachimoji DNA وAEGIS من ابتكار الفريق نفسه بقيادة الكيميائي السابق بجامعة هارفارد، ستيفن بينر ، وينتميان إلى مشروع تمويل وكالة ناسا نفسه. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}

الحمض النووي الطبيعي ( DNA) هو جزيء يحمل التعليمات الوراثية المستخدمة في نمو وتطور ووظائف وتكاثر جميع الكائنات الحية المعروفة والعديد من الفيروسات . يُعد كل من الحمض النووي (DNA) والحمض النووي الريبي (RNA) من الأحماض النووية ؛ وإلى جانب البروتينات والدهون والكربوهيدرات المعقدة ( السكريات المتعددة )، تُعد الأحماض النووية أحد الأنواع الأربعة الرئيسية للجزيئات الكبيرة الضرورية لجميع أشكال الحياة المعروفة . يتكون الحمض النووي (DNA) من وحدات أحادية أبسط تُسمى النيوكليوتيدات ، وهو عبارة عن عديد نيوكليوتيدات ؛ وعندما يكون مزدوج السلاسل، تلتف السلسلتان حول بعضهما البعض لتشكيل حلزون مزدوج . ^{[ 14 ] [ 15 ]}

في الحمض النووي الطبيعي، يتكون كل نيوكليوتيد من أحد القواعد النيتروجينية الأربعة ( السيتوزين [C]، أو الجوانين [G]، أو الأدينين [A]، أو الثايمين [T])، وسكر يُسمى ديوكسي ريبوز ، ومجموعة فوسفات . ترتبط النيوكليوتيدات ببعضها البعض في سلسلة بروابط تساهمية بين سكر نيوكليوتيد وفوسفات النيوكليوتيد التالي، مما ينتج عنه هيكل أساسي متناوب من السكر والفوسفات . ترتبط القواعد النيتروجينية في سلسلتي عديد النيوكليوتيد المنفصلتين ببعضها البعض بروابط هيدروجينية ، وفقًا لقواعد اقتران القواعد (A مع T وC مع G)، لتكوين الحمض النووي المزدوج.

يشبه الحمض النووي هاشيموجي الحمض النووي الطبيعي، لكنه يختلف عنه في عدد ونوع القواعد النيتروجينية. ^{[ 3 ] [ 7 ]} تُستخدم قواعد نيتروجينية غير طبيعية، أكثر كراهية للماء من القواعد الطبيعية ، ^{[ 16 ] [ 17 ]} في الحمض النووي هاشيموجي الناجح. يشكل هذا الحمض النووي دائمًا اللولب المزدوج القياسي ، بغض النظر عن تسلسل القواعد المستخدمة. قام الباحثون بتكييف إنزيم ( بوليميراز T7 ) لاستخدامه في المختبر لنسخ الحمض النووي هاشيموجي إلى حمض نووي ريبوزي هاشيموجي، والذي بدوره ينتج نشاطًا كيميائيًا على شكل فلوروفور أخضر متوهج . ^{[ 6 ] [ 7 ]}

يستخدم نظام AEGIS الكامل من 12 إلى 14 قاعدة نووية مختلفة في شفرته الوراثية ، مضيفًا أربعة أنواع من أزواج القواعد فوق زوجي قواعد واتسون-كريك الطبيعيين . ^{[ 1 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 12 ]}

قائمة أزواج قواعد إيجيس (الطبيعية مُظللة)

البيورين			بيريميدين
اسم	اختصار	بناء	بناء	اختصار	اسم
الأدينين	أ			تي pyADA	الزعتر
أمينوأدينين ديامينوبورين	أمينو أيه DAP puDAD
غوانين	جي puADD			ج pyDAA	السيتوزين
إيزوجوانين	آي جي ب بودا			دائرة متكاملة rS pyAAD	إيزوسيتوزين
				دي إس pyAAD	1-ميثيل سيتوزين
زانثين	X puADA			ك pyDAD	2,4-ديامينوبيريميدين
5-أزا-7-ديأزاجوانين	P puAAD			Z pyDDA	6-أمينو-5-نيتروبيريدين-2-ون
4-أمينوإيميدازو[1,2-أ][1,3,5]تريازين-2(1H)-أون	ج puDAA			V PyADD	6-أمينو-3-نيتروبيريدين-2-أول

تُشير أسماء مثل "pyADA" و"puDAD" إلى نظام خاص بـ AGEIS لتسمية القواعد النيتروجينية. يُشير PyADA إلى أن القاعدة هي بيريميدين، وأن سلوك الرابطة الهيدروجينية من الأعلى (5') إلى الأسفل (3') يكون مُستقبلاً، مانحاً، مُستقبلاً. أما PuDAD فيُشير إلى أن القاعدة هي بيورين بنمط مانح-مُستقبل-مانح. في هذا النظام، تُشكّل جميع الأزواج ثلاث روابط هيدروجينية. ^{[ 21 ]}

يتميز نظام الروابط الثلاثية بمرونة كبيرة لإجراء تعديلات إضافية على النيوكليوسيدات. إذ يمكن إضافة مجموعات وظيفية أو إزالتها أو استبدالها على الجانب غير الرابط من القاعدة النيتروجينية دون التأثير على الروابط، تمامًا كما يرتبط اليوريدين (الثايمين بدون مجموعة ميثيل) بالثايمين في النظام الجيني الطبيعي. وقد اقتصرت الصيغة الأصلية (1998) على إمكانية استبدال المجموعات على قواعد pyAAD (dS) وpyADA (T) وpyADD (Z) وpyDAA (V) وpyDAA (C) ^{[ 21 ]} ، ولكن في ورقة بينر البحثية لعام 2014، تبين أن جميع أنواع القواعد الاثني عشر تحتوي على موقع واحد لاستبدال المجموعات ^{[ 22 ]} . كما أشار بينر في تقريره لعام 2012 الصادر عن DITC إلى أن جميع قواعد البيورين الست تحتوي على موقع ثانٍ لإضافة مجموعة وظيفية أخرى ^{[ 23 ] .}

بالإضافة إلى ذلك، يمكن استبدال حلقات البيورين والبيريميدين بأي حلقة ذات حجم مماثل. قد يكون هذا مفيدًا عند الحاجة إلى تقليل التماكب أو أي شكل آخر من أشكال الاستقرار الإضافي. على سبيل المثال، يمكن استبدال الأيزوغوانين بـ 6-أمينو-5-بنزيل-3-ميثيل بيرازين-2-ون. ^{[ 24 ]}

على غرار القواعد النيتروجينية الطبيعية، تستطيع قواعد AEGIS تكوين روابط غير تقليدية. فعلى سبيل المثال، يمكن أن يرتبط البورون (B) مع الثايمين (T) عن طريق التماكب، ويمكن أن يرتبط الزيجوت (Z) مع الجوانين (G) عند درجة حموضة منخفضة (رابطة هيدروجينية بروتونية)، ويمكن أن يرتبط الفوسفور (P) مع السيتوزين (C) عند درجة حموضة منخفضة (رابطة بروتونية أيضًا). إن إنزيم بوليميراز الحمض النووي (DNA polymerase) الذي لا يستطيع الوصول إلى هذه القواعد النيتروجينية غير الطبيعية سيقوم بهذه الروابط، مما يؤدي إلى استبدال القواعد. ^{[ 22 ]}

يمكن تكوين نظير لزوج القاعدة المتذبذب G·U بين أمينو أ و5-ميثيل إيزوسيتيدين (m ⁵ iC). ^{[ 25 ]}

في عام ٢٠٢١، تبيّن أن الإيزوجوانين (B) قادرٌ أيضاً على تكوين أزواج قاعدية مع الجوانين (G) و5-أزا-7-ديأزاجوانين (P) عند إدخاله في الحمض النووي DNA. يتطلب زوج قاعدة البيورين-بيورين مساحةً أكبر من زوج قاعدة البيورين-بيريميدين النموذجي (أزواج واتسون-كريك الطبيعية AT CG وأزواج PZ BS المصممة كلها من هذا النوع)، إلا أن الأخدود الكبير في اللولب المزدوج للحمض النووي DNA وفّر مساحةً كافيةً لحدوث ذلك. يُعزّز هذا الزوج القاعدي "الأوسع" استقرار الحمض النووي DNA. ^{[ ٢٦ ]}

يؤدي اقتران قواعد هوغستين إلى تكوين ثلاثيات في البنية الثلاثية للحمض النووي . ^{[ 27 ]}

مولت وكالة ناسا هذا البحث بهدف "توسيع نطاق البنى التي قد نصادفها أثناء بحثنا عن الحياة في الكون". ^{[ 3 ]} ووفقًا للوري جليز من قسم علوم الكواكب في ناسا، "يُعدّ اكتشاف الحياة هدفًا متزايد الأهمية لبعثات ناسا في علوم الكواكب، وسيساعدنا هذا العمل الجديد [باستخدام الحمض النووي للهاشيموجي] على تطوير أدوات وتجارب فعّالة من شأنها توسيع نطاق ما نبحث عنه". ^{[ 5 ] [ 31 ]} ويشير ستيفن بينر، قائد فريق البحث ، إلى أنه "من خلال التحليل الدقيق لأدوار الشكل والحجم والبنية في الحمض النووي للهاشيموجي، يُوسّع هذا العمل فهمنا لأنواع الجزيئات التي قد تخزن المعلومات في الحياة خارج كوكب الأرض على عوالم أخرى". ^{[ 32 ]}

بحسب الباحثين، ^{[ 3 ]} يمكن استخدام الحمض النووي هاشيموجي أيضًا "لتطوير أدوات تشخيص دقيقة للأمراض البشرية ، وتخزين البيانات الرقمية للحمض النووي ، والترميز الجيني ، والهياكل النانوية ذاتية التجميع ، ولإنتاج بروتينات ذات أحماض أمينية غير عادية . وتقوم شركة فايربيرد للعلوم الجزيئية الحيوية حاليًا بإنتاج أجزاء من هذا الحمض النووي هاشيموجي تجاريًا". ^{[ 3 ] [ 6 ]}

أفاد مختبر بينر في عام 1987 أنه وسّع نطاق القواعد المتاحة لتكوين الحمض النووي الريبوزي (RNA) في مقالٍ حول فرضية عالم الحمض النووي الريبوزي . ولا يزال من غير الواضح ما إذا كان ترتيب أزواج القواعد الستة في نظام AEGIS قد خُطط له بالكامل آنذاك، لأن النص لم يكن متاحًا لمؤلف هذا المقال. ^{[ 33 ]}

أفاد مختبر بينر في عام 1989 أن بوليميراز الحمض النووي الريبي T7 وجزء كلينو ، في صورتيهما غير المعدلتين، قادران على إدخال بقايا إيزوجوانين (iG) عند توجيههما بواسطة قالب الحمض النووي الذي يحتوي على إيزوسيتيدين (iC). وقد مُوّلت هذه الدراسة من قِبل الحكومة السويسرية وشركة ساندوز إيه جي ، وليس من قِبل وكالة ناسا. ^{[ 34 ]}

أفادت مقالةٌ نُشرت عام ١٩٩٠ في مختبر بينر أن بوليميراز الحمض النووي الريبي T7 وجزء كلينو قادران على إدخال ثنائي أمينوبيريميدين ٢،٤ (كابا، κ) مقابل زانثوزين (X). وقد تمكن بوليميراز الحمض النووي الريبي T7 من إدخال X مقابل κ، بينما لم يتمكن جزء كلينو من ذلك. وقد مُوِّل هذا البحث أيضًا من قِبَل منظمات سويسرية. كما يتضمن ترتيب أزواج القواعد الستة لبروتين AEGIS، على عكس المقالة السابقة. ^{[ ٣٥ ]}

أسفر تعاونٌ أُجري عام ١٩٩٢ مع جيم بين وديك تشامبرلين ( جامعة كاليفورنيا، إرفاين ) عن اكتشاف مثالٍ على pyAAD في mRNA وpuDDA في tRNA. ويمكن ترجمة الناتج باستخدام ريبوسوم قياسي لإدخال الحمض الأميني غير القياسي يودوتيروسين . وعند غياب tRNA، يُظهر الريبوسوم انزياحًا في إطار القراءة ويستمر في الترجمة. وتُعد هذه الدراسة الأولى التي حظيت بتمويل من الحكومة الأمريكية، حيث مُوِّل أحد مؤلفيها (كريستوفر سويتزر من جامعة كاليفورنيا، ريفرسايد ) بمنحة من المؤسسة الوطنية للعلوم . ^{[ ٣٦ ]}

تم تمويل مقال نُشر عام 1998 من مختبر بينر من قِبل المؤسسة الوطنية السويسرية للعلوم، ومجلس البحوث العلمية الطبيعية الدنماركي، والمعاهد الوطنية للصحة، ومكتب البحوث البحرية. ويُقدّم المقال لمحة عامة عن أبحاث بينر حتى ذلك الحين. ^{[ 21 ]}

ظهر مصطلح "أيجيس" في ورقة بحثية قصيرة نُشرت عام 2003 من مختبر بينر، أشارت صراحةً إلى وجود صلة محتملة بينه وبين الحياة خارج كوكب الأرض ووكالة ناسا. تتناول هذه الورقة البحثية بشكل أساسي تعديل إنزيم النسخ العكسي لفيروس نقص المناعة البشرية لدمج pyDAD(K)-puADA(X) بدقة أعلى من الحلول السابقة. وتزعم الورقة أيضًا استخدام أيجيس في اختبارات تجارية معتمدة من إدارة الغذاء والدواء الأمريكية لفيروس نقص المناعة البشرية والتهاب الكبد الوبائي سي، بالإضافة إلى استخدامه كأداة للكشف عن فيروس سارس، لكنها لا تذكرها بالاسم. ^{[ 19 ]} وقد تم توسيع نطاق هذه الورقة البحثية في مقال كامل نُشر عام 2004. ^{[ 37 ]} كما يستشهد مقال 2004 بورقة بحثية أخرى نُشرت عام 1997 حول فحص الحمض النووي المتفرع، بدعم من مركز آرون دايموند لأبحاث الإيدز . ^{[ 38 ]}

إلى جانب التفاعل مع الإنزيمات البيولوجية والأنظمة الأخرى، يعمل مختبر بينر أيضًا على تحسين مسار الإنتاج وبنية القواعد نفسها. على سبيل المثال، لم يُبلغ عن تخليق Z وP إلا في عام 2006 ^{[ 18 ]} ، ولم يُكتشف dS إلا في عام 2009 ^{[ 39 ] .}

تصدرت أبحاث مختبر بينر عناوين الأخبار عام 2019، عندما نُشرت تحت اسم جذاب هو "حمض هاشيموجي النووي". لم تذكر الورقة البحثية نظام AEGIS. استخدم النظام نوعًا مُعدَّلًا من بوليميراز الحمض النووي الريبي T7 يُسمى "FAL"، وأنتج حمضًا نوويًا ريبيًا ذا بنية ثانوية. كما أظهرت النتائج أن قواعد AEGIS لا تُشوِّه بنية الحمض النووي خارج نطاقاتها الطبيعية. ^{[ 40 ]}

على الرغم من الشهرة التي حظي بها، سرعان ما توقف مختبر بينر عن استخدام اسم هاشيموجي، مفضلاً بدلاً من ذلك إبقاء خياراته مفتوحة بين جميع القواعد المصممة لـ AEGIS. في مقال نُشر عام 2023، أفاد الفريق عن طريقة لتخليق الحمض النووي (DNA) بجميع قواعد AEGIS الاثنتي عشرة باستخدام إنزيمات متوفرة تجارياً، مما يقلل من تكلفة إنتاجها مقارنةً بالطريقة الكيميائية. كما وصف المقال طريقة لتطبيق تقنية تسلسل النانو المسامي على الحمض النووي المكون من 12 قاعدة. ^{[ 41 ]}

في مقال نُشر عام 2024 من نفس المختبر، تم توسيع المفهوم ليشمل "أنظمة المعلومات الجينية القابلة للتطور من صنع الإنسان"، مع الحفاظ على نفس الاختصار. ^{[ 2 ]}

• التكوين التلقائي للحياة
• علم الأحياء الفلكي
• شوفينية الكربون
• الحياة القائمة على الكربون
• مركز علوم الكشف عن الحياة
• أقدم أشكال الحياة المعروفة
• الحياة خارج كوكب الأرض
• الطبيعة البشرية (فيلم وثائقي عن تقنية كريسبر، 2019)
• أنواع افتراضية من الكيمياء الحيوية
• نظير الحمض النووي
• xDNA
• حمض نووي غريب

• باينز، دبليو (2004). "يمكن استخدام العديد من التركيبات الكيميائية لبناء أنظمة حية" (ملف PDF) . علم الأحياء الفلكي . 4 (2): 137-167 . Bibcode : 2004AsBio...4..137B . doi : 10.1089/153110704323175124 . PMID: 15253836. S2CID : 27477952 .  ورقة بحثية حول الفرضيات.

• مقطع فيديو مُشفّر في الحمض النووي باستخدام تقنية كريسبر: فيديو (01:39) على يوتيوب