ستيفن أ. بينر

في عام 1984، كان مختبر بينر في جامعة هارفارد أول من أبلغ عن التخليق الكيميائي لجين يُشفّر إنزيمًا، ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]} وذلك بعد تخليق خورانا لجين أقصر خاص بالحمض النووي الريبوزي الناقل (tRNA) في عام 1970. ^{[ 21 ]} وكان هذا أول جين مُصمّم من أي نوع، وهو إنجاز رائد وضع الأساس لهندسة البروتين . ^{[ 22 ]} وتُستخدم استراتيجيات التصميم المُقدّمة في هذا التخليق الآن على نطاق واسع لدعم هندسة البروتين. ^{[ 23 ]}

أُبلغ عن الجهود المبذولة لتحقيق هدف الأنظمة الجينية الاصطناعية لأول مرة من قبل بينر وزملاؤه عام 1989، عندما طوروا أول زوج قاعدي غير طبيعي . ^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]} ومنذ ذلك الحين، طور بينر وزملاؤه نظام معلومات جينية موسع اصطناعياً مكوناً من ستة أحرف يُسمى نظام المعلومات الجينية الموسع اصطناعياً (AEGIS)، والذي يتضمن نيوكليوتيدين إضافيين غير قياسيين (Z وP) بالإضافة إلى النيوكليوتيدات القياسية الأربعة (G وA وC وT). ^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]} ويدعم نظام AEGIS علم الأحياء الجزيئي الخاص به. ^{[ 5 ]} فهو يُمكّن من تخليق بروتينات تحتوي على أكثر من 20 حمضًا أمينيًا مُشفّرًا طبيعيًا، ويُقدم رؤى ثاقبة حول كيفية تكوين الأحماض النووية لبنى مزدوجة، وكيفية تفاعل البروتينات مع الأحماض النووية، ^{[ 32 ]} وكيف يُمكن أن تظهر أنظمة جينية بديلة في الحياة غير الأرضية. ^{[ 33 ]}

يُعدّ بينر واحدًا من بين عدد من الباحثين، بمن فيهم إريك تي. كول ، وفلويد إي. رومسبيرغ، وإيتشيرو هيراو، وميتسوهيكو شيونيا، وأندرو إلينغتون ، الذين ابتكروا أبجدية موسعة من القواعد الاصطناعية التي يمكن دمجها في الحمض النووي (DNA) (وكذلك الحمض النووي الريبي RNA) باستخدام رابطة واتسون-كريك (وكذلك روابط أخرى غير واتسون-كريك). في حين أن معظم هذه القواعد الاصطناعية مشتقة من قواعد A وC وG وT، إلا أن بعضها يختلف عنها. فبينما توجد بعضها في أزواج واتسون-كريك (A/T، C/G)، فإن بعضها الآخر مُكمّل ذاتيًا (X/X). وهكذا، توسّعت الأبجدية الجينية. ^{[ 15 ] [ 25 ] [ 27 ] [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] : 88-98}

يعتمد عدد ثلاثيات النيوكليوتيدات الممكنة، أو الكودونات ، المتاحة في عملية تخليق البروتين على عدد النيوكليوتيدات المتاحة. تُنتج الأبجدية القياسية (G، A، C، وT) 64 كودونًا ممكنًا ( ^4³ )، بينما تُنتج أبجدية DNA موسعة تحتوي على 9 قواعد DNA 729 كودونًا ممكنًا ( ^9³) ، العديد منها كودونات اصطناعية. ولجعل هذه الكودونات مفيدة، تم ابتكار إنزيم أمينو أسيل tRNA سينثيتاز ، بحيث يُمكن لـ tRNA ترميز الحمض الأميني الاصطناعي المحتمل ليرتبط بمضاد الكودون الاصطناعي المقابل له. وقد وصف بينر نظامًا كهذا يستخدم DNA اصطناعيًا من نوع iso-C/iso-G، والذي يستخدم كودون DNA الاصطناعي [iso-C/A/G] الذي يُطلق عليه الكودون 65. يؤدي استخدام الحمض النووي الريبوزي الرسول الاصطناعي مع مضاد الكودون الاصطناعي [iso-G/U/C] مع إنزيم سينثيتاز أمينو أسيل-tRNA الاصطناعي إلى تجربة حيوية يمكنها ترميز حمض أميني اصطناعي يُدمج في عديدات ببتيد اصطناعية ( علم البروتينات الاصطناعي ). ^{[ 38 ] : 100-106}

استخدم بينر الكيمياء العضوية التركيبية والفيزياء الحيوية لإنشاء نموذج "الجيل الثاني" لبنية الأحماض النووية. وقد اقترح جيمس واتسون وفرانسيس كريك نموذج الجيل الأول للحمض النووي DNA ، استنادًا إلى هياكل الأشعة السينية البلورية التي درستها روزاليند فرانكلين . ووفقًا لنموذج الحلزون المزدوج ، يتكون الحمض النووي DNA من سلسلتين متكاملتين من النيوكليوتيدات ملتفتين حول بعضهما البعض. ^{[ 39 ]} ويؤكد نموذج بينر على دور العمود الفقري للسكر والفوسفات في عملية التعرف الجزيئي الجيني. ويُعد العمود الفقري متعدد الأنيونات مهمًا في تكوين البنية الممتدة التي تساعد الحمض النووي DNA على التضاعف. ^{[ 40 ] [ 41 ] [ 42 ]}

في عام 2004، أبلغ بينر عن أول محاولة ناجحة لتصميم جزيء اصطناعي يشبه الحمض النووي قادر على التكاثر الذاتي. ^{[ 22 ]}

في أواخر ثمانينيات القرن العشرين، أدرك بينر إمكانات مشاريع تسلسل الجينوم في توليد ملايين التسلسلات، مما يُمكّن الباحثين من إجراء مسح شامل للبنى الجزيئية في الكيمياء العضوية. وفي أوائل تسعينيات القرن العشرين، التقى بينر بجاستون جونيه ، وبدأ تعاونٌ طُبِّقت فيه أدوات جونيه للبحث النصي على إدارة تسلسلات البروتينات. ^{[ 43 ] [ 44 ]} وفي عام 1990، وبالتعاون مع جاستون جونيه ، قدّم مختبر بينر منصة داروين للمعلوماتية الحيوية. داروين (تحليل البيانات واسترجاعها باستخدام تسلسلات الأحماض النووية والببتيدات المفهرسة) كانت بيئة برمجة عالية المستوى لفحص التسلسلات الجينومية. وقد دعمت مطابقة التسلسلات الجينومية في قواعد البيانات، وولّدت معلوماتٍ تُبيّن كيف يمكن للبروتينات الطبيعية أن تتطور بشكلٍ متباين في ظل قيود وظيفية من خلال تراكم الطفرات والإدخالات والحذف. ^{[ 45 ]} استنادًا إلى نظرية داروين، وفّر مختبر بينر أدواتٍ للتنبؤ بالبنية ثلاثية الأبعاد للبروتينات انطلاقًا من بيانات التسلسل. وقد جُمعت معلوماتٌ حول بنى البروتينات المعروفة وسُوِّقت كقاعدة بيانات تجارية، هي "الفهرس الرئيسي"، من قِبَل شركة بينر الناشئة "إيراجين". ^{[ 45 ]}

أصبح استخدام معلومات التسلسل المتعددة للتنبؤ بالبنية الثانوية للبروتينات شائعًا نتيجةً لأعمال بينر وجيرلوف. ^{[ 46 ] [ 47 ] [ 48 ]} وقد حققت تنبؤات بينر وزملائه بالبنية الثانوية للبروتينات دقة عالية. ^{[ 49 ]} وأصبح من الممكن نمذجة طيات البروتين، والكشف عن المتماثلات البعيدة، وتمكين علم الجينوم البنيوي ، وربط تسلسل البروتين وبنيته ووظيفته. علاوة على ذلك، أشارت هذه الأعمال إلى حدود التنبؤ بالبنية عن طريق التماثل، وحددت ما يمكن وما لا يمكن فعله بهذه الاستراتيجية. ^{[ 45 ]}

فتح نهج بينر آفاقًا جديدة لفهم كيفية عمل الأحماض النووية، بالإضافة إلى أدوات التشخيص وتقنية النانو. وقد وافقت إدارة الغذاء والدواء الأمريكية على منتجات تستخدم الحمض النووي AEGIS في التشخيص البشري. وتراقب هذه المنتجات مستويات الفيروس لدى المرضى المصابين بالتهاب الكبد B والتهاب الكبد C وفيروس نقص المناعة البشرية . ^{[ 50 ]} وشكّل AEGIS أساسًا لتطوير أدوات الكشف المتعدد عن المؤشرات الجينية، مثل الخلايا السرطانية ^{[ 51 ]} وتعدد أشكال النوكليوتيدات المفردة في عينات المرضى. وستتيح هذه الأدوات الطب الشخصي باستخدام التحليل الجيني " عند نقطة الرعاية "، ^{[ 52 ]} بالإضافة إلى أدوات بحثية تقيس مستوى جزيئات mRNA الفردية داخل امتدادات الخلايا العصبية الحية. ^{[ 53 ]}

من خلال تفسير البيانات الجينومية والرجوع إلى سلف جيني مشترك، يُدعى "لوكا"، قدّم مختبر بينر أدواتٍ لتحليل أنماط الحفظ والتنوع باستخدام علم الأحياء البنيوي، ودراسة التباين في هذه الأنماط عبر فروع مختلفة من شجرة التطور، وربط الأحداث في السجل الجيني بأحداث تاريخ المحيط الحيوي المعروفة من الجيولوجيا والأحافير. وقد انبثقت من ذلك أمثلةٌ توضح كيف يمكن فهم أدوار الجزيئات الحيوية في الحياة المعاصرة من خلال نماذج الماضي التاريخي. ^{[ 54 ] [ 55 ]}

كان بينر من رواد مجال علم الوراثة القديمة التجريبي ، حيث تُستعاد الجينات والبروتينات من الكائنات الحية القديمة باستخدام المعلوماتية الحيوية وتقنية الحمض النووي المؤتلف. ^{[ 56 ]} وقد اختبرت الدراسات التجريبية على البروتينات القديمة فرضيات حول تطور الوظائف البيولوجية المعقدة، بما في ذلك الكيمياء الحيوية لهضم المجترات، ^{[ 57 ] [ 58 ] : 209،} وميل البكتيريا القديمة إلى تحمل الحرارة ، والتفاعل بين النباتات والفواكه والفطريات في زمن انقراض العصر الطباشيري . ^{[ 58 ] : 17} وتُسهم هذه الدراسات في تطوير فهمنا للسلوك البيولوجي الذي يمتد من الجزيء إلى الخلية إلى الكائن الحي والنظام البيئي والكوكب، وهو ما يُشار إليه أحيانًا باسم بيولوجيا الكواكب. ^{[ 58 ] : 221}

يهتم بينر اهتمامًا بالغًا بأصل الحياة ، والظروف اللازمة لدعم نموذج عالم الحمض النووي الريبوزي (RNA) الذي يُعد فيه الحمض النووي الريبوزي ذاتي التضاعف سلفًا للحياة على الأرض. وقد حدد الكالسيوم والبورات والموليبدينوم كعناصر مهمة لتكوين الكربوهيدرات بنجاح واستقرار الحمض النووي الريبوزي. ^{[ 59 ]} وأشار إلى أن كوكب المريخ ربما كان يتمتع بظروف أكثر ملاءمة من الأرض للإنتاج الأولي للحمض النووي الريبوزي، ^{[ 60 ] [ 61 ]} ولكنه وافق مؤخرًا على أن نماذج الأرض المبكرة التي تُظهر اليابسة والمياه المتقطعة، والتي طورها ستيفن موجزيس، تُوفر ظروفًا كافية لتطور الحمض النووي الريبوزي. ^{[ 12 ]}

عملت مجموعة بينر على تحديد البنى الجزيئية التي يُحتمل أن تكون سماتٍ عالميةً للأنظمة الحية بغض النظر عن نشأتها، وليست نتاجًا لعمليات غير بيولوجية. تُعرف هذه البنى باسم " البصمات الحيوية "، سواءً للحياة الشبيهة بالحياة الأرضية أو لأشكال الحياة "الغريبة". ^{[ 3 ] [ 62 ] [ 63 ]}

أحد هذه المؤشرات العالمية للحياة طُرح في نظرية البوليمرات الإلكتروليتية للجين . تقترح هذه النظرية أنه لكي يخضع بوليمر حيوي جيني خطي مذاب في الماء، مثل الحمض النووي DNA ، للتطور الدارويني في أي مكان في الكون، يجب أن يكون بوليمرًا إلكتروليتيًا ، أي بوليمرًا يحتوي على شحنات أيونية متكررة . ^{[ 64 ]} ربط بينر هذا المفهوم بنظرة "البلورة غير الدورية" للجين كما اقترحها إرفين شرودنغر في كتابه "ما هي الحياة؟"، وذلك لتكوين رؤية قوية قابلة للتعميم عالميًا للجزيء الحيوي الجيني. ^{[ 65 ]} وقد اقتُرحت هذه الفكرة كإطار عمل يمكن للعلماء من خلاله البحث عن الحياة على أجرام سماوية أخرى غير الأرض. ^{[ 66 ]}