مولکول دی ان ای از چهار نوکلئوسید ساخته شده که هر کدام از آنها با حروف A، G، C و T نشان داده می‌شود. با وجود اینکه ساختار دی ان ای برای نخستین بار در سال ۱۹۵۳ رمزگشایی شده، اما از آن زمان تا به امروز دانشمندان چندین گونه‌ی مختلف را شناسایی کرده‌اند که اغلب به رشته‌های دی ان ای افزوده شده و با یکی از این چهار حرف متدوال جایگزین می‌شوند.
به گزارش خبرگزاری دانا،گونه‌های مختلف دی ان ای ممکن است توسط دسته‌های متداولی از نوکلئوسیدها دستکاری شده باشند و اغلب هم به سلول‌ها در کنترل اینکه چه ژن‌هایی فعال یا غیرفعال شوند کمک می‌کنند و از آنها با عنوان نشانه‌های پس‌زایشی (اپی‌ژنتیک) در دی ان ای نام برده می‌شوند. در باکتری‌ها، این گونه‌ها همچنین برای حفاظت دی ان ای در برابر یورش بیرونی از سوی سایر ارگانیزم‌ها همچون ویروس‌ها لازم هستند.
تا کنون، این دستکاری‌های صورت گرفته روی دی ان ای به صورت تصادفی و بر حسب شانس و اقبال کشف می‌شدند و دانشمندان معمولا از وجود سیگنال‌های نامتدوال و دور از انتظار در تحلیل‌های شیمیایی مربوط به دی ان ای پرده بر می‌داشتند. اما به هر حال اکنون در پی همکاری گروه‌هایی از MIT، دانشگاه فلوریدا و چند انستیتوی دیگر، دانشمندان به رهیافتی دست یافته‌اند که در بر دارنده‌ی یک روند سازمان‌‌یافته به منظور کشف نشانه‌های پس‌زایشی و دستکاری‌های ژنی ناشناخته است. پیتر ددون (Peter Dedon) از MIT که در زمینه‌ی مهندسی زیست‌شناسی فعالیت دارد در این رابطه می‌گوید:
این روشی است برای شناسایی نوکلئیک اسید‌های تغییر یافته‌ای که شما از وجود آنها آگاهی نداشته‌اید. ما در این روش یک چارچوب فناوری را برای شناسایی و دسته‌بندی این تغییرات صورت گرفته‌ی جدید گسترش داده‌ایم.
ددون و همکارانش باور دارند که باکتری‌ها و ویروس‌ها به طور خاص دارای تغییرات بسیاری در دی ان ای هستند و این تغییرات تا به امروز به کل ناشناخته مانده‌اند و شناسایی آنها می‌تواند در زمینه‌ی ارائه‌ی اهداف آنتی‌بیوتیکی جدیدتر و ابزارهای زیست‌فناوری تازه‌تر، کمک‌های شایانی به دانشمندان برساند. این گروه از پژوهشگران با استفاده از رهیافت جدید خود که مبتنی بر یکپارچه‌سازی علم شیمی زیستی و تحلیلی، ژنوم‌شناسی مقایسه‌ای و همچنین نوع خاصی از ترتیب‌دهی دی ان ای است، توانسته‌اند دسته‌ای جدید از تغییرات و جهش‌های رخ داده در دی ان ای را شناسایی کنند که این تغییرات به باکتری‌ها در محافظت از ژنوم‌های خودشان از آلودگی‌های ویروسی کمک می‌کند. گزارش یافته‌های این گروه به صورت کامل در ژورنال مشروح آکادمی ملی علوم امریکا در ۲۹ فوریه‌ی امسال به انتشار رسید.
یک رهیافت چندشاخه‌ای
دگرگونی‌های دی ان ای معمولا به واسطه‌ی آنزیم‌ها و پس از سنتز شدن آنها در طی فرایند تقسیم سلولی، وارد دی ان ای می‌شود. این تغییرات اغلب به عنوان نشانه‌های برای تشخیص اینکه کدام ژنها در چه بازه‌ی زمانی معینی می‌توانند فعال شوند، به شمار می‌رود. از سویی، تغییرات در ان ای می‌تواند باعث دفاع باکتری در برابر ورود دی ان ای‌های سایر ویروس‌ها و باکتری‌ها باشد. همچنین گفتنی است که تنوع وسیع‌تر از تغییرات مشابه در یک دی ان ای می‌تواند به تمامی انواع آر ان ای‌ها از جمله آر ان ای پیام‌رسان و آر ان ای انتقالی در انجام بهتر نقش‌هایشان کمک کند.
ددون و والری دو کرکی لاگارد (Valerie de Crecy-Lagard)، پروفسور میکروبیولوژی و علوم سلولی از دانشگاه فلوریدا تصمیم گرفتند تا رهیافت سازمان یافته‌تر و دقیق‌تری را برای شناسایی و دسته‌بندی چنین تغییراتی به کار برند.
لاگارد پیش از این توانسته بود، بسیاری از ژن‌های مورد نیاز برای سنتز تغییرات آر ان ای که با نام‌های کویئوزین و آرکئوزین شناخته می‌شوند را کشف کند. این گونه‌ها در میکروارگانیزم‌ها (موجودات میکروسکوپی) یافت می‌شوند و از یک گونه‌ی مقدم‌تر با نام پریکیو صفر (preQ0) سرچشمه می‌گیرند. با استفاده از ژنوم‌شناسی مقایسه‌ای که روشی برای تصویرسازی ژنوم‌های گوناگون از ارگانیزم‌های گوناگون برای رشته‌های ویژه‌ی متنوعی از دی ان ای است، لاگارد توانست ژن‌های مشابهی را در گونه‌های مختلف باکتریایی پیدا کند که این ژنها در خوشه‌های ژنی ویژه، حاوی جهش‌های دی ان ای قرار داشتند. ژنوم‌شناسی مقایسه‌ای به عنوان یکی از پایه‌های این پلتفرم ارائه شده، باعث پیدایش نخستین نشانه‌های مرتبط به جهش‌های دی ان ای محتمل شود.
لاگارد و ددون هر دو از نویسندگان ارشد PNAS هستند و بر آن شدند تا در این پژوهش، پیش‌بینی‌های لاگارد درباره‌ی اینکه این باکتری‌ها پریکیو صفر را به دی ان ای وارد می‌کنند را مورد آزمایش و بررسی قرار دهند. پژوهشگران با طیف‌سنجی جرمی توانستند در آزمایشگاه تحت سرپرستی ددون، دی ان ای دستکاری شده توسط ساختاریی شبیه عامل پریکیو صفر را شناسایی کنند. گروه این ساختارها را با عنوان دی ای دی جی (dADG) نامگذاری کردند که این تغییرات در باکتری‌های حاوی این خوشه‌های ژنی رخ می‌داد و در دسته‌ای از باکتری‌ها که فاقد این خوشه بودند رخ نمی‌داد.
پژوهشگران در ادامه نشان دادند که در آن دسته از باکتری‌هایی که در بررسی خود مورد آزمایش قرار داده بودند، جهش dADG به عنوان بخشی از سیستم دفاعی این موجودات به شمار می‌رفت و از دی ان ای سلول باکتریایی محافظت می‌کرد. این باکتری‌ها انزیم‌هایی تولید می‌کنند که با نام انزیم‌های محدودکننده شناخته می‌شوند و وظیفه‌ی آنها به عنوان یک نمونه این است که دی ان ای جهش نیافته‌ی ویروس‌های مهاجم را مورد حمله قرار دهند. ددون و لاگارد در حال حاضر مشغول پژوهش و جستجو درباره‌ی سایر باکتری‌ها به منظور شناسایی ساختار‌های پس‌زایشی برای این جهش‌های دی ان ای، متفاوت‌تر با آنچه که هم اکنون کشف شده هستند.
گروه در طی یک همکاری با ریچارد رابرتز (Richard Roberts) از نیواینگلند که در آزمایشگاه زیستی نیواینگلند به عنوان یکی از کارکنان ارشد فعالیت دارد، در حال اعمال بخش سوم از پلتفرم فناوری خود به منظور متمایزسازی تغییرات جدید dADG هستند.
هدف‌های آنتی‌بیوتیکی
در مورد انسان‌ها، تنها چند مورد از تغییرات و دستکاری‌های روی DNA شناسایی شده است که اغلب آنها تا ده‌ها سال پس از شناسایی پایه‌های مرسوم DNA شناسایی نشده بودند. ددون در این زمینه می‌گوید:
آیا موارد بیشتری از این جهش‌ها باز هم وجود دارند؟ این پرسش بسیار جالبی است. البته احتمال می‌رود که شمار زیادی نباشند؛ اما به هر حال باید برای یافت آنها، انسان‌های بیشتری را جستجو کنیم.
از سویی دیگر، گروه پژوهشی باور دارند که در باکتری‌ها باید حداقل بیش از دوازده جهش و تغییر فراتر از آنچه که اکنون شناخته شده وجود داشته باشد. علاوه بر آن، در ویروس‌های حمله‌کننده به باکتری‌ها هم (باکتروفیگ) این موضوع صدق می‌کند. یکی از ارتباطات مهمی که میان دی ان ای باکتری‌ها و جهش آن با بدن انسان‌ها وجود دارد در روده‌ی انسان و میکروب‌های روده‌ی انسان نهفته است. گروه پژوهشی در حال حاضر شواهدی به دست آورده‌اند که بر اساس آن، باکتری‌های موجود در میکروبیوم روده‌ی انسان دارای dADG و جهش‌های دی ان ای از همان نوع موجود در فوسفوروتیوآت‌ها هستند و بنابریان پژوهشگران به دنبال یافتن این نکته هستند که آیا این جهش‌ها نقشی در سلامت و بیماری‌های مرتبط با انسان خواهند داشت یا خیر.
هر گونه جهش شناسایی شده‌ی جدید در این زمینه می‌تواند برای رسیدن به هدف‌های مرتبط با یافتن آنتی‌بیوتیک‌ها مفید باشد و در این میان، مواردی که آنزیم‌های محدودکننده را از تغییر دادن دی ان ای باکتری‌ها محافظت می‌کنند، دارای اهمیت بیشتری هستند. در برخی باکتری‌ها، جهش‌های و تغییرات صورت گرفته می‌تواند برای پیدایش نشانه‌های مرحله‌ی پس‌زایشی و در پی آن برای یافتن راهکارهای و اهداف آنتی‌بیوتیکی مفید باشد. ددون در پایان اشاره کرد که:
بسیاری از آنزیم‌های باکتری‌ها، منحصر به فرد بوده و همچنین در بقای حیات ارگانیزم موجود هم نقش پایه‌ای دارند. بنابراین ممکن است برای کارهای آنتی‌بیوتیکی مناسب باشند.
تا کنون، این دستکاری‌های صورت گرفته روی دی ان ای به صورت تصادفی و بر حسب شانس و اقبال کشف می‌شدند و دانشمندان معمولا از وجود سیگنال‌های نامتدوال و دور از انتظار در تحلیل‌های شیمیایی مربوط به دی ان ای پرده بر می‌داشتند. اما به هر حال اکنون در پی همکاری گروه‌هایی از MIT، دانشگاه فلوریدا و چند انستیتوی دیگر، دانشمندان به رهیافتی دست یافته‌اند که در بر دارنده‌ی یک روند سازمان‌‌یافته به منظور کشف نشانه‌های پس‌زایشی و دستکاری‌های ژنی ناشناخته است. پیتر ددون (Peter Dedon) از MIT که در زمینه‌ی مهندسی زیست‌شناسی فعالیت دارد در این رابطه می‌گوید:
این روشی است برای شناسایی نوکلئیک اسید‌های تغییر یافته‌ای که شما از وجود آنها آگاهی نداشته‌اید. ما در این روش یک چارچوب فناوری را برای شناسایی و دسته‌بندی این تغییرات صورت گرفته‌ی جدید گسترش داده‌ایم.
ددون و همکارانش باور دارند که باکتری‌ها و ویروس‌ها به طور خاص دارای تغییرات بسیاری در دی ان ای هستند و این تغییرات تا به امروز به کل ناشناخته مانده‌اند و شناسایی آنها می‌تواند در زمینه‌ی ارائه‌ی اهداف آنتی‌بیوتیکی جدیدتر و ابزارهای زیست‌فناوری تازه‌تر، کمک‌های شایانی به دانشمندان برساند. این گروه از پژوهشگران با استفاده از رهیافت جدید خود که مبتنی بر یکپارچه‌سازی علم شیمی زیستی و تحلیلی، ژنوم‌شناسی مقایسه‌ای و همچنین نوع خاصی از ترتیب‌دهی دی ان ای است، توانسته‌اند دسته‌ای جدید از تغییرات و جهش‌های رخ داده در دی ان ای را شناسایی کنند که این تغییرات به باکتری‌ها در محافظت از ژنوم‌های خودشان از آلودگی‌های ویروسی کمک می‌کند. گزارش یافته‌های این گروه به صورت کامل در ژورنال مشروح آکادمی ملی علوم امریکا در ۲۹ فوریه‌ی امسال به انتشار رسید.
یک رهیافت چندشاخه‌ای
دگرگونی‌های دی ان ای معمولا به واسطه‌ی آنزیم‌ها و پس از سنتز شدن آنها در طی فرایند تقسیم سلولی، وارد دی ان ای می‌شود. این تغییرات اغلب به عنوان نشانه‌های برای تشخیص اینکه کدام ژنها در چه بازه‌ی زمانی معینی می‌توانند فعال شوند، به شمار می‌رود. از سویی، تغییرات در ان ای می‌تواند باعث دفاع باکتری در برابر ورود دی ان ای‌های سایر ویروس‌ها و باکتری‌ها باشد. همچنین گفتنی است که تنوع وسیع‌تر از تغییرات مشابه در یک دی ان ای می‌تواند به تمامی انواع آر ان ای‌ها از جمله آر ان ای پیام‌رسان و آر ان ای انتقالی در انجام بهتر نقش‌هایشان کمک کند.
ددون و والری دو کرکی لاگارد (Valerie de Crecy-Lagard)، پروفسور میکروبیولوژی و علوم سلولی از دانشگاه فلوریدا تصمیم گرفتند تا رهیافت سازمان یافته‌تر و دقیق‌تری را برای شناسایی و دسته‌بندی چنین تغییراتی به کار برند.
لاگارد پیش از این توانسته بود، بسیاری از ژن‌های مورد نیاز برای سنتز تغییرات آر ان ای که با نام‌های کویئوزین و آرکئوزین شناخته می‌شوند را کشف کند. این گونه‌ها در میکروارگانیزم‌ها (موجودات میکروسکوپی) یافت می‌شوند و از یک گونه‌ی مقدم‌تر با نام پریکیو صفر (preQ0) سرچشمه می‌گیرند. با استفاده از ژنوم‌شناسی مقایسه‌ای که روشی برای تصویرسازی ژنوم‌های گوناگون از ارگانیزم‌های گوناگون برای رشته‌های ویژه‌ی متنوعی از دی ان ای است، لاگارد توانست ژن‌های مشابهی را در گونه‌های مختلف باکتریایی پیدا کند که این ژنها در خوشه‌های ژنی ویژه، حاوی جهش‌های دی ان ای قرار داشتند. ژنوم‌شناسی مقایسه‌ای به عنوان یکی از پایه‌های این پلتفرم ارائه شده، باعث پیدایش نخستین نشانه‌های مرتبط به جهش‌های دی ان ای محتمل شود.
لاگارد و ددون هر دو از نویسندگان ارشد PNAS هستند و بر آن شدند تا در این پژوهش، پیش‌بینی‌های لاگارد درباره‌ی اینکه این باکتری‌ها پریکیو صفر را به دی ان ای وارد می‌کنند را مورد آزمایش و بررسی قرار دهند. پژوهشگران با طیف‌سنجی جرمی توانستند در آزمایشگاه تحت سرپرستی ددون، دی ان ای دستکاری شده توسط ساختاریی شبیه عامل پریکیو صفر را شناسایی کنند. گروه این ساختارها را با عنوان دی ای دی جی (dADG) نامگذاری کردند که این تغییرات در باکتری‌های حاوی این خوشه‌های ژنی رخ می‌داد و در دسته‌ای از باکتری‌ها که فاقد این خوشه بودند رخ نمی‌داد.
پژوهشگران در ادامه نشان دادند که در آن دسته از باکتری‌هایی که در بررسی خود مورد آزمایش قرار داده بودند، جهش dADG به عنوان بخشی از سیستم دفاعی این موجودات به شمار می‌رفت و از دی ان ای سلول باکتریایی محافظت می‌کرد. این باکتری‌ها انزیم‌هایی تولید می‌کنند که با نام انزیم‌های محدودکننده شناخته می‌شوند و وظیفه‌ی آنها به عنوان یک نمونه این است که دی ان ای جهش نیافته‌ی ویروس‌های مهاجم را مورد حمله قرار دهند. ددون و لاگارد در حال حاضر مشغول پژوهش و جستجو درباره‌ی سایر باکتری‌ها به منظور شناسایی ساختار‌های پس‌زایشی برای این جهش‌های دی ان ای، متفاوت‌تر با آنچه که هم اکنون کشف شده هستند.
گروه در طی یک همکاری با ریچارد رابرتز (Richard Roberts) از نیواینگلند که در آزمایشگاه زیستی نیواینگلند به عنوان یکی از کارکنان ارشد فعالیت دارد، در حال اعمال بخش سوم از پلتفرم فناوری خود به منظور متمایزسازی تغییرات جدید dADG هستند.
هدف‌های آنتی‌بیوتیکی
در مورد انسان‌ها، تنها چند مورد از تغییرات و دستکاری‌های روی DNA شناسایی شده است که اغلب آنها تا ده‌ها سال پس از شناسایی پایه‌های مرسوم DNA شناسایی نشده بودند. ددون در این زمینه می‌گوید:
آیا موارد بیشتری از این جهش‌ها باز هم وجود دارند؟ این پرسش بسیار جالبی است. البته احتمال می‌رود که شمار زیادی نباشند؛ اما به هر حال باید برای یافت آنها، انسان‌های بیشتری را جستجو کنیم.
از سویی دیگر، گروه پژوهشی باور دارند که در باکتری‌ها باید حداقل بیش از دوازده جهش و تغییر فراتر از آنچه که اکنون شناخته شده وجود داشته باشد. علاوه بر آن، در ویروس‌های حمله‌کننده به باکتری‌ها هم (باکتروفیگ) این موضوع صدق می‌کند. یکی از ارتباطات مهمی که میان دی ان ای باکتری‌ها و جهش آن با بدن انسان‌ها وجود دارد در روده‌ی انسان و میکروب‌های روده‌ی انسان نهفته است. گروه پژوهشی در حال حاضر شواهدی به دست آورده‌اند که بر اساس آن، باکتری‌های موجود در میکروبیوم روده‌ی انسان دارای dADG و جهش‌های دی ان ای از همان نوع موجود در فوسفوروتیوآت‌ها هستند و بنابریان پژوهشگران به دنبال یافتن این نکته هستند که آیا این جهش‌ها نقشی در سلامت و بیماری‌های مرتبط با انسان خواهند داشت یا خیر.
هر گونه جهش شناسایی شده‌ی جدید در این زمینه می‌تواند برای رسیدن به هدف‌های مرتبط با یافتن آنتی‌بیوتیک‌ها مفید باشد و در این میان، مواردی که آنزیم‌های محدودکننده را از تغییر دادن دی ان ای باکتری‌ها محافظت می‌کنند، دارای اهمیت بیشتری هستند. در برخی باکتری‌ها، جهش‌های و تغییرات صورت گرفته می‌تواند برای پیدایش نشانه‌های مرحله‌ی پس‌زایشی و در پی آن برای یافتن راهکارهای و اهداف آنتی‌بیوتیکی مفید باشد. ددون در پایان اشاره کرد که:
بسیاری از آنزیم‌های باکتری‌ها، منحصر به فرد بوده و همچنین در بقای حیات ارگانیزم موجود هم نقش پایه‌ای دارند. بنابراین ممکن است برای کارهای آنتی‌بیوتیکی مناسب باشند.
