معلومة

هل الحمض النووي في الواقع مثل مخزن الكود المصدري؟

هل الحمض النووي في الواقع مثل مخزن الكود المصدري؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

لذلك بعد قراءة مقالات مثل "يستخدم الناس فقط 8.2٪ من حمضهم النووي" وما إلى ذلك ، والتفكير قليلاً ... خطرت لي هذه الفكرة:

ماذا لو كان الحمض النووي يشبه في الواقع مستودع شفرة مصدر البرنامج؟ كما تعلم ، يحتوي على فرع "رئيسي" - وهو الإصدار الأكثر استقرارًا وحداثة من البرنامج ، ولكنه يحتوي أيضًا على فروع أخرى ، وفروع تجريبية وبالطبع يحتوي على قدر كبير من "الملفات غير المرغوب فيها" - أي نسخة احتياطية من الملفات من التغييرات السابقة على التعليمات البرمجية التي لم يتم استخدامها بأي شكل من الأشكال في البرنامج الفعلي.

إذن ماذا لو كانت الكائنات الحية البدائية أحادية القبو تحتوي على حمض نووي بدائي للغاية وقصير جدًا ، ثم تم تحسينه ، ولكن لم يتم مسح الحمض النووي الأصلي ، ولكن تم نسخه احتياطيًا في كل مرة تظهر فيها طفرة جديدة (تلتزم في برنامج SCCS).

من الناحية النظرية ، كلما كان الكائن الحي أكثر بدائية ، كان يجب أن يكون الحمض النووي أقصر. على سبيل المثال ، بعض أسماك القرش القديمة جدًا التي لا تزال على قيد الحياة من حقبة الدهر الوسيط يجب أن يكون لها حمض نووي أقصر من أسماك القرش الحديثة ... هل تم تأكيد ذلك من خلال التجارب الفعلية؟

وهذا يفسر سبب تشابه الحمض النووي البشري في الغالب مع الحمض النووي للكلاب والحمض النووي للأسماك وما إلى ذلك لأننا جميعًا تطورنا من نفس الخلايا البدائية! كانت قاعدة "مستودعنا" هي نفسها!

وهذا ما يفسر أيضًا سبب ظهور الجنين البشري على الرغم من أن كل هذه الخطوات كانت عبارة عن خلية واحدة ، وخلايا متعددة ، وأسماك ، وبرمائيات ، وثدييات ، إلخ.

لست خبيرًا في علم الأحياء بأي وسيلة ، وأظن أن هذه الفكرة كانت موجودة منذ فترة طويلة ، لكنني لست متأكدًا ... ما رأيك؟


أعتقد أن هذا التشبيه ليس بهذا السوء في الواقع ، لكنك تتوصل إلى بعض الاستنتاجات غير الصحيحة منه خاصةً فيما يتعلق بالحمض النووي "غير المرغوب فيه" وأي أجزاء من الحمض النووي للمستودع يحملها (مما يوضح حدود التشابه!). فكر بدلاً من الحمض النووي للكائن الحي كنسخة محلية واحدة من التزام معين.

لا يوجد جهاز تحكم عن بعد للمقارنة به ولا توجد قائمة بالتغييرات التاريخية ، فلكل كائن حي نسخة محلية خاصة به من أحدث مصدر يمكن دمجها أحيانًا مع نسخ محلية أخرى عن طريق التكاثر الجنسي أو نقل الجينات الأفقي.

ما تحتاج إلى إسقاطه من هذا التشبيه

تخلص من أي فكرة عن فرع رئيسي أو أفكار أن المستودع يحتوي على نسخ احتياطية من الإصدارات السابقة. هذه الأفكار ستضللك فقط.

هذا البيان:

لم يتم مسح الحمض النووي الأصلي ، ولكن تم نسخه احتياطيًا في كل مرة تظهر فيها طفرة جديدة (الالتزام في برنامج SCCS).

لا معنى له في علم الأحياء. لا توجد نسخة احتياطية ، باستثناء أن كل كائن حي هو فرع من مصدره (الوالدين).

أين يمكن أن يعمل القياس

الجينومات من الأنواع المختلفة كلها فروع من بعض شفرة المصدر الأصلية. لذلك ، تجد الكثير من القواسم المشتركة عندما تقارن حتى الحياة ذات الصلة البعيدة جدًا ، خاصة في معظم المكتبات الرئيسية المعنية. هناك الكثير من التسلسلات المحفوظة في الآلية الأساسية لتكرار الحمض النووي وإنتاج البروتينات ، على سبيل المثال.

هذا هو سبب بيانك:

وهذا يفسر سبب تشابه الحمض النووي البشري في الغالب مع الحمض النووي للكلاب والحمض النووي للأسماك وما إلى ذلك لأننا جميعًا تطورنا من نفس الخلايا البدائية! كانت قاعدة "مستودعنا" هي نفسها!

هو الصحيح في الغالب.

طول المصدر

لقد حصل تشبيهك على بعض الانتقادات لاستنتاجك:

من الناحية النظرية ، كلما كان الكائن الحي أكثر بدائية ، كان يجب أن يكون الحمض النووي أقصر.

لكنني سأجادل في أن هذه في الواقع طريقة تعمل بها قياساتك ، لكن استنتاجك منها لا يعمل. يتضمن تطوير البرامج إضافة كود جديد وحذف التعليمات البرمجية القديمة. سطور الكود هي مقياس ضعيف لمدى بدائية بعض الكود. يوضح علم الأحياء هذا جيدًا: كل الحياة بدائية على قدم المساواة من حيث سنوات الوجود ، والكائنات وحيدة الخلية أكثر تقدمًا من حيث عدد الأجيال. إذا احتوت الكائنات الحية على بعض السجل لجميع التغييرات السابقة (وهي ليست كذلك) ، فسيكون المستودع أكبر بكثير في البكتيريا منه في الحيوانات بسبب هذا العدد الكبير من الأجيال.

ملخص

باختصار ، يمكن أن يكون القياس مفيدًا في التفاف رأسك حول بعض المعلومات ، لكن كن حذرًا في تجاوزها. في بعض الأحيان يكون القياس مفيدًا لتوليد فرضيات جديدة ولتوجيه تعلمك ، لكنك تحتاج إلى التحقق من تلك الفرضيات في علم الأحياء الفعلي (انظر Richland and Simms 2015 لمعرفة فائدة القياس كأداة تعليمية).

أنا أعترض بقوة مع تعليقSPr تفيد "التشابه بين الجينوم ومستودع الكود المصدري غير مفيد وفقير": حتى النقص في القياس يمكن أن يكون جدا مفيدة في أنها تساعدك على بناء خريطة علائقية للعالم من خلال إيجاد مكان عمل المقارنات وأين تتعارض.


ريتشلاند ، إل إي ، وسيمز ، إن. (2015). القياس والتفكير العالي والتعليم. مراجعات وايلي متعددة التخصصات: العلوم المعرفية ، 6 (2) ، 177-192.


احترس من التشبيهات. حتى عندما تكون مفيدة إلى حد ما ، فهي مجرد مقارنات. ومع ذلك ، للأسف ، القياس الخاص بك غير مفيد على الإطلاق!

ماذا لو كان الحمض النووي يشبه في الواقع مستودع شفرة مصدر البرنامج؟ كما تعلم ، يحتوي على فرع "رئيسي" - وهو الإصدار الأكثر استقرارًا وحداثة من البرنامج ، ولكنه يحتوي أيضًا على فروع أخرى ، وفروع تجريبية وبالطبع يحتوي على قدر كبير من "الملفات غير المرغوب فيها" - أي نسخة احتياطية من الملفات من التغييرات السابقة على التعليمات البرمجية التي لم يتم استخدامها بأي شكل من الأشكال في البرنامج الفعلي.

ليس من الواضح ما يمكن تسميته "خردة" هنا. عادةً ، إذا قمت بتضمين التسلسلات التنظيمية في "البريد غير الهام" كما يتم إجراؤه غالبًا بواسطة الأشخاص العاديين (راجع تعليقاتiayork أدناه للحصول على مزيد من المعلومات) ، فمن الواضح أنه يتم استخدامها وهي ضرورية. ولكن على أي حال ، فإن رؤية التسلسلات غير المشفرة وغير التنظيمية (مثل تسلسلات ALU) كتجارب ستكون مضللة للغاية. عادةً ما تظهر كمية كبيرة من الحمض النووي المتكرر من خلال عمل الينقولات واللينقولات العكسية. إنها ليست محاولات (من الواضح أنها ليست بحدس ولكن حتى بدون حدس) لجعل شيء ما "أفضل"

إذن ماذا لو كانت الكائنات الحية البدائية أحادية القبو تحتوي على حمض نووي بدائي للغاية وقصير جدًا ، ثم تم تحسينه ، ولكن لم يتم مسح الحمض النووي الأصلي ، ولكن تم نسخه احتياطيًا في كل مرة تظهر فيها طفرة جديدة (تلتزم في برنامج SCCS).

الحمض النووي يضيع في كل وقت. يمكن للطفرة أن تغير الشفرة ، ويمكنها أيضًا تكرار التسلسلات (أو حتى كروموسوم كامل أو جينوم كامل) ويمكنها "إزالة" التسلسلات (حتى "إزالة" الكروموسومات بأكملها). إن تقليل الجينوم ليس بالأمر غير المألوف.

من الناحية النظرية ، كلما كان الكائن الحي أكثر بدائية ، كان يجب أن يكون الحمض النووي أقصر. على سبيل المثال ، بعض أسماك القرش القديمة جدًا التي لا تزال على قيد الحياة من حقبة الدهر الوسيط يجب أن يكون لها حمض نووي أقصر من أسماك القرش الحديثة ... هل تم تأكيد ذلك من خلال التجارب الفعلية؟

"أسماك القرش القديمة التي لا تزال على قيد الحياة من حقبة الدهر الوسيط" ليست أكثر بدائية من البشر ، مثل الإشريكية القولونية أو السحلية الخضراء الأوروبية. على الأقل ليس بأي طريقة تكون "البدائية" سهلة التعريف أو بديهية. يرجى إلقاء نظرة على المنشور هل نحن "أكثر تطورًا" من البكتيريا الحالية؟ للمزيد من المعلومات.

وهذا يفسر سبب تشابه الحمض النووي البشري في الغالب مع الحمض النووي للكلاب والحمض النووي للأسماك وما إلى ذلك لأننا جميعًا تطورنا من نفس الخلايا البدائية! كانت قاعدة "مستودعنا" هي نفسها!

لست متأكدًا من أنني أفهم ما يدور في ذهنك هنا.

أي سلالتين موجودتين تشتركان في سلف مشترك في وقت ما في الماضي. اعتمادًا على مدى حداثة أسلافهم المشتركين الأحدث (عادةً ما يتم اختصاره MRCA) ، فمن المرجح أن يكون لديهم جينوم مماثل.

وهذا ما يفسر أيضًا سبب ظهور الجنين البشري على الرغم من أن كل هذه الخطوات كانت عبارة عن خلية واحدة ، وخلايا متعددة ، وأسماك ، وبرمائيات ، وثدييات ، إلخ.

لست متأكدًا من أنني أفهم ما يدور في ذهنك هنا.

يوجد MRCA لجميع الكائنات الحية على الأرض يسمى LUCA (آخر سلف مشترك غير متماثل). لا نعرف الكثير عن LUCA ولكن من الواضح أنها أحادية الخلية ولديها جينوم قصير نسبيًا. لاحظ بالمناسبة أن LUCA نفسها ليست الخلية الأولى على الرغم من أن هذا لا يهم كثيرًا لمناقشتنا.


أود أن أقارن الحمض النووي بنظام ملفات الكمبيوتر بدلاً من مستودع شفرة المصدر. أقسام الترميز هي "برامج" يمكن تشغيلها لإنتاج منتج بروتيني. ومع ذلك ، فإن الاختلاف المهم هو التضفير البديل ، حيث يمكن للجين أن يرمز لمنتجات متعددة. هذا بمثابة شكل من أشكال "الضغط على القرص" ، حيث يمكن تمثيل المناطق المتكررة بنسخة ومؤشرات حيثما كانت المنطقة مطلوبة.

وبدلاً من ذلك ، تبين أن الغالبية العظمى مما كان يسمى سابقًا بالحمض النووي "غير المرغوب فيه" مهم لأغراض أخرى. على سبيل المثال ، يعمل البعض كمنظمين أو ميسر إعادة التركيب (المصدر - https://www.scientificamerican.com/article/what-is-junk-dna-and-what/) ، والبعض يخدم أغراضًا هيكلية مهمة (المصدر - https: / /www.sciencedaily.com/releases/2018/04/180411131659.htm) ، وغيرها بمثابة مواقع ربط مهمة للتحكم في النسخ (المصدر - https://ghr.nlm.nih.gov/primer/basics/noncodingdna)

فكر في الحمض النووي غير المشفر على أنه بيانات وصفية لنظام الملفات - أشياء مثل جداول تخصيص الملفات ، وجداول الملفات الرئيسية ، ودفتر اليومية ، وسجل التمهيد الرئيسي الذي لا يمثل البيانات الفعلية - على الرغم من أن جهاز الكمبيوتر الخاص بك من المحتمل أن ينكسر إذا اختفت هذه البيانات. مرة أخرى ، لا يتناسب هذا القياس جيدًا مع الأخذ في الاعتبار أن 1.2٪ فقط من الجينوم البشري هي مناطق ترميز (المصدر - https://www.bing.com/search؟q=what+percentage+of+the+human+genome + is + noncoding & pc = MOZI & form = MOZSBR). من ناحية أخرى ، تم تصميم أنظمة ملفات الكمبيوتر بشكل عام لتقليل مقدار البيانات الوصفية الزائدة لأن ذلك يكلفك مساحة تخزين إضافية يمكن استخدامها للملفات.

مزيد من القراءة عن الحمض النووي "غير المرغوب فيه" الذي ليس في الحقيقة قمامة:

https://www.scientificamerican.com/article/what-is-junk-dna-and-what/

https://www.sciencedaily.com/releases/2018/04/180411131659.htm

https://ghr.nlm.nih.gov/primer/basics/noncodingdna


الانفتاح: سياستنا بشأن الكود المصدري

منذ خمسة عشر عاما بيولوجيا الجينوم نشرت أول مقال برمجي لها [1]. ووصفت مجموعة من البرامج لتحليل بيانات المصفوفات الدقيقة. تم إيداع الأداة على موقع المؤلفين (لم يعد موجودًا الآن) وكانت "محمية بحقوق الطبع والنشر مقابل مكاسب تجارية". عكست شروط الإيداع والإفراج الفهم والتحفظات حول المصادر المفتوحة التي كان لدى المجتمع العلمي في بداية هذا القرن.

يدرك العديد من القراء أن هذا لن يستمر اليوم: لقد تغير الزمن ، ونضج المجال ، وتبلور تعريف العلم المفتوح. يقر العديد من الباحثين الآن بأن الانفتاح والشفافية يعززان البحث القابل للتكرار بشكل أفضل. جادل تعليق نُشر في مجلتنا العام الماضي بأنه يجب إجراء جميع الأبحاث علانية ، بحيث يصبح ما نسميه اليوم "العلم المفتوح" مجرد "علم" [2]. أظهرت إحدى الدراسات الحديثة أيضًا أنه على الرغم من المفاهيم الخاطئة الشائعة ، يمكن للعلم المفتوح أن يساعد في الواقع حياة الباحثين [3].

مع كل الفوائد التي يجلبها العلم المفتوح ، لم يكن من الممكن أن يفاجأ مؤلفونا وقرائنا في السنوات العديدة الماضية برؤيتنا نطلب أن يتم إيداع أي كود مصدر منشور كجزء من مقال في مستودع شفرة مصدر عام معترف به [4] . منذ بداية عام 2016 ، بدأنا أيضًا في مطالبة مؤلفي مقالات الطريقة والبرمجيات التي تصف الأدوات الحسابية الجديدة بأرشفة النسخة المستخدمة في المخطوطة في مستودع تخصيص DOI ، مثل Figshare [5] أو Zenodo [6]. بهذه الطريقة ، يمكن للباحثين الذين يحاولون إعادة إنتاج التحليلات الموصوفة في المقالة استخدام نفس الكود تمامًا مثل المؤلفين - لتلقيح تلك التحليلات ضد التطور الحتمي للشفرة.

نحن نعتبر توفر الكود المصدري وإمكانية الوصول أمرًا مهمًا لضمان إمكانية تكرار التحليلات الحسابية بسهولة وإمكانية تكرار البحث. ومع ذلك ، فإنه لا يقل أهمية عن إمكانية استخدام الكود المصدري بواسطة الآخرين لتعزيز أبحاثهم الخاصة: بحيث يمكن للآخرين استخدامها وتطويرها والبناء عليها (والاستشهاد بها [7]) ، وإنشاء وأدوات رائعة ربما لم يحلم بها مؤلفو النص الأصلي. ومن العوامل المهمة التي تؤثر على القدرة على القيام بذلك هو ترخيص الكود المصدري.

هذا هو السبب بيولوجيا الجينوم يتطلب أن يتم إصدار الكود المصدري المنشور كجزء من مقال بموجب ترخيص يتوافق مع تعريف المصدر المفتوح ، على النحو المحدد في مبادرة المصدر المفتوح [8]. وهذا يعني أنه يمكن لأي شخص استخدام وتعديل وتوزيع الكود المصدري (والأهم من ذلك ، أن التعريف يضمن عدم التمييز ضد مجالات السعي لمزيد من المعلومات انظر الإطار). نحن نعتقد أنه ، جنبًا إلى جنب مع إستراتيجية أرشفة شفرة المصدر القوية ، فإن استخدام تراخيص مفتوحة المصدر يعمل على الحفاظ على كود المصدر على المدى الطويل - من خلال إعادة استخدامه وإعادة تصميمه والمزيد من التطور. وبالتالي فهي تساعد حقًا في أن تصبح أساسًا للبحث لم يتم تخيله بعد.

الإطار 1. تعريف مفتوح المصدر و "مجالات العمل"

أحد معايير التعليمات البرمجية مفتوحة المصدر ، وفقًا لتعريف المصدر المفتوح ، هو عدم التمييز ضد مجالات العمل. ما يعنيه هذا عمليًا هو أن الأدوات التي تم إصدارها بموجب التراخيص المتوافقة مع OSI لا يمكنها استخدام إخلاء المسؤولية "للاستخدام غير التجاري فقط". أحد المخاوف الشائعة [9] هو أن هذا يؤثر على إمكانية تسويق الأداة:

هل تمنعني تراخيص البرامج مفتوحة المصدر من تسويق الكود الخاص بي؟

لا - بغض النظر عن ترخيص المصدر المفتوح المستخدم.

هل تعني تراخيص مفتوحة المصدر أنه يمكن للآخرين تسويق الكود الخاص بي؟

بحكم التعريف ، يمكن لأي شخص تسويق الكود مفتوح المصدر: مؤلف الكود ، أو مؤسسته ، أو كيان تجاري مستقل ، أو شخص عادي. حرفيا أي شخص. هذا مستقل عن الترخيص المتوافق مع OSI المستخدم.

كيف أختار الرخصة؟

جاء الأشخاص الطيبون في Github لإنقاذهم وقاموا بإنشاء خدمة "اختيار ترخيص مفتوح المصدر" [10] لهذا الغرض. يمكنك أيضًا البحث عن ترخيص مناسب على موقع مبادرة المصدر المفتوح [8]. على الرغم من أن بعض المستخدمين يعتقدون أنه لا ينبغي إطلاقًا إطلاق الشفرة مفتوحة المصدر بموجب تراخيص "حقوق متروكة" [11] (هذه هي التراخيص التي تتطلب إصدار أي مشتق من الكود بموجب نفس الترخيص) ، يمكن تقديم حجة جيدة بنفس القدر [12] للتراخيص المتوافقة مع ترخيص GPL (والتي غالبًا ما تكون "حقوق متروكة"). في حين أن استخدام التراخيص التي ليست "حقوق متروكة" هي أكثر بروح العلم المفتوح ، بيولوجيا الجينوم يقبل حاليًا جميع التراخيص المتوافقة مع OSI.

كيف أبدأ في ترخيص شفرة المصدر الخاصة بي من وجهة النظر القانونية؟

يمكن فقط لمالك حقوق الملكية الفكرية في التعليمات البرمجية المصدر ترخيصها. في حين بيولوجيا الجينوم يتطلب إصدار الكود المصدري بموجب ترخيص متوافق مع OSI ، وتقع على عاتق المؤلفين مسؤولية التأكد من أنهم ضمن حقوقهم في استخدام مثل هذا الترخيص في المقام الأول. يوفر Morin وزملاؤه دليلًا مفيدًا للمؤلفين حول ما يجب القيام به قبل إصدار التعليمات البرمجية الخاصة بك بموجب أي ترخيص [13].


تسلسل الحمض النووي الرخيص هنا. كتابة الحمض النووي هو التالي

لإعادة مراجعة هذه المقالة ، قم بزيارة ملفي الشخصي ، ثم اعرض القصص المحفوظة.

لإعادة مراجعة هذه المقالة ، قم بزيارة ملفي الشخصي ، ثم اعرض القصص المحفوظة.

في مكتب Twist Bioscience في سان فرانسيسكو ، سحبت المديرة التنفيذية إميلي ليبروست من حقيبة حملها شيئين تحملهما في كل مكان: لوح بلاستيكي قياسي به 96 بئر موجود في كل مكان في مختبرات الأحياء واختراع شركتها ، رقاقة سيليكون مرصعة بعدد مماثل من الخلايا النانوية .

تتمثل فكرة تويست في أنها قللت بشكل كبير من المعدات اللازمة لتصنيع الحمض النووي في المختبر ، مما جعل العملية أرخص وأسرع. عندما ألقت ليبروست حديثها ، نظرت من اللوح البلاستيكي الخشن ، بحجم مجموعتين من البطاقات جنبًا إلى جنب ، إلى رقاقة السيليكون الأنيقة بحجم الطوابع وأومأت برأسك بأدب. ثم أعطتني عدسة مكبرة للنظر إلى أسفل الرقائق النانوية. داخل كل نانوفيل كان هناك 100 ثقب مجهر آخر.

هذا عندما حصلت عليه بالفعل. اللوحة 96 بئراً لا تعادل الرقاقة ، اللوحة بأكملها كانت مكافئة لها nanowell واحد على الرقاقة. لوضع رقم عليها ، يمكن لآلات تخليق الحمض النووي التقليدية أن تصنع جينًا واحدًا لكل 96 طبقًا جيدًا ، ويمكن لآلة Twist أن تصنع 10000 جين على رقاقة سيليكون مضبوطة بنفس حجم الصفيحة.

حسنًا ، لكن من يريد طلب 10000 جين؟ حتى وقت قريب ، ربما كان هذا السؤال قد قوبل بالصمت. تقول ليبروست عن جهودها المبكرة لجمع التبرعات لصالح تويست: "لقد كان وقتًا وحيدًا". سريعًا بعد عامين ، على الرغم من ذلك ، وقع Twist للتو صفقة لبيع ما لا يقل عن 100 مليون حرف من الحمض النووي - ما يعادل عشرات الآلاف من الجينات - إلى Ginkgo Bioworks ، وهي جماعة بيولوجية اصطناعية تُدخل الجينات في الخميرة لصنع روائح مثل زيت الورد أو نكهات مثل الفانيلين. Ginkgo في طليعة موجة من شركات البيولوجيا التركيبية ، مدعومة بتقنيات جديدة لتعديل الجينات مثل Crispr واهتمام المستثمرين.

يقول ليبروست: "نحن شركة Intel و Ginkgo هي Microsoft" ، وهذا يبدو بالضبط نوع الخطاب الذي تسمعه طوال الوقت في Startupland. لكن كلماتها تكشف عن طموح تويست المحدد في أن يكون المحرك وراء ابتكارات البيولوجيا التركيبية. يسمح تركيب الجينات في المختبر لعلماء الأحياء بتصميم الجينات التي يريدون اختبارها ـ وصولاً إلى الحرف. الشركات الموجودة هناك تعمل بالفعل على ترقيع الحمض النووي في خلايا مختلفة لإنتاج حرير العنكبوت ، وعلاجات السرطان ، والبلاستيك القابل للتحلل الحيوي ، ووقود الديزل - ويعتقد مؤسسو شركة Twist أن الشركة يمكن أن تصبح التكنولوجيا الدافعة وراء هذا العالم الجديد.

قد يبدو صنع الحمض النووي - كتابة "رمز الحياة" أمرًا عظيماً - ولكن في الممارسة العملية ، إنها عملية شاقة لنقل كميات صغيرة من السائل ذهابًا وإيابًا. الحمض النووي جزيء طويل ، وكتابة الحمض النووي تضيف المواد الكيميائية الصحيحة - كتل البناء السكرية المعينة A و T و C و G - بالترتيب الصحيح مئات المرات. قبل تأسيس شركة Twist في عام 2013 ، أمضى ليبروست أكثر من عقد من الزمان في اكتشاف كيفية توسيع نطاق هذه العملية لشركة Agilent Technologies ، وهي شركة تكنولوجيا مختبرات انبثقت عن Hewlett-Packard.

يتكون كل تخليق الحمض النووي من خطوتين أساسيتين: صنع شظايا قصيرة من الحمض النووي ، تسمى أوليغنوكليوتيدات أو "oligos" باختصار ، ثم استخدام الإنزيمات لربط الأوليجوس معًا. الطريقة الكلاسيكية ، التي كانت موجودة منذ الثمانينيات ، تستخدم اللوحة 96 جيدًا التي أظهرها لي ليبروست. تقوم آلة ببث كتل بناء الحمض النووي في كل بئر بالتسلسل ، ويذهب جزء صغير إلى كل بئر. (يتكون Oligos عادةً من 100 حرف ، لذا فإن الجين الذي يبلغ طوله 1000 حرف يأخذ صفيحة واحدة كاملة.) ولكن نظرًا لأن الآبار كبيرة جدًا ، فإنك تحصل على الكثير من الحمض النووي - "ملايين أكثر مما تحتاج" ، كما يقول آلان بلانشارد ، الذي ساعد في تطوير نظام تخليق DNA مرخص لاحقًا لشركة Agilent. وأنت تهدر الكثير من المواد الكيميائية باهظة الثمن.

على الرغم من ذلك ، في السنوات الأخيرة ، ابتعدت شركات مثل Agilent عن لوحة العمود الفقري القديمة لصالح المصفوفات الدقيقة ، والتي يمكن استخدامها لصنع عشرات الآلاف من oligos دفعة واحدة ، عن طريق توليفها على قطعة من الزجاج بحجم شريحة مجهرية ، موجه بفوهة نفث الحبر الدقيقة. تواجه المصفوفات الدقيقة مشكلة معاكسة للطريقة الكلاسيكية: الآن لديك الكثير من oligos الفريدة ، ولكن فقط كمية ضئيلة من كل منها. لذلك أنت بحاجة إلى خطوة إضافية لعمل المزيد من النسخ. هذه هي التقنية التي ساعدت بلانشارد في تطويرها في البداية ، وقد أتقنت ليبروست وأحد مؤسسيها بيل بيك أثناء عملهما في Agilent.

أدرك ليبروست وبيك وشريك مؤسس ثالث ، بيل بانياي ، أن تركيب الحمض النووي يحتاج إلى أرضية وسطية بين الطريقة الكلاسيكية والمصفوفات الدقيقة. وبالتالي ، فإن الثقوب الموجودة داخل الخلايا النانوية لرقاقة تويست هي في الأساس آلاف أنابيب الاختبار ذات الحجم المعقول. ينتهي بك الأمر بالكمية المناسبة من القلة ، ليس كثيرًا أو قليلًا جدًا.

علاوة على ذلك ، تم تحسين رقاقة السيليكون بذكاء للخطوة الثانية من تخليق الجينات - خياطة القلة معًا - لأن مهندسي تويست اكتشفوا كيفية تقليل نقل الأحجام الصغيرة من السائل. آلة تويست المسجلة الملكية ، وهي عبارة عن نظام بحجم سيارة صغير لم يُسمح لـ WIRED بتصويره ، ترسب قلة صغيرة في كل من الثقوب المائة أو نحو ذلك داخل nanowell. على طبق من 96 بئراً ، يجب أن تمتص السائل من 96 بئراً لدمجها مع الإنزيمات الصحيحة. باستخدام المصفوفات الدقيقة ، يمكنك تحرير القلة من الألواح الزجاجية وتجميعها مع إنزيمات الخياطة. ولكن بسبب التصميم المتداخل للأباريز النانوية ، يمكن لـ Twist إضافة الإنزيمات ثم دمج كل oligos الموجودة بالفعل في nanowell واحد. كل خطوة تحدث على رقاقات السيليكون.

قد لا يبدو هذا أمرًا مذهلاً ، ولكن عدم الاضطرار إلى التحرك حول مئات الأحجام الصغيرة من oligos يعد مشكلة كبيرة عندما تصل إلى آلاف الجينات. يقول بلانشارد: "التكلفة الرئيسية في هذا النوع من الأشياء هي التعامل مع تسلسلات الحمض النووي الصغيرة هذه". "إذا كان بإمكانك الابتعاد عن التعامل معها بشكل فردي ، فهذا يوفر تكلفة هائلة."

عندما تطلق Twist برنامجها التجريبي في عام 2016 ، فإنها ستوفر تخليقًا جينيًا بسعر 10 سنتات لكل حرف مع وقت استجابة مضمون يبلغ 10 أيام. (سلمت تويست تسلسلات الحمض النووي إلى 100 عميل في برنامج ألفا الخاص بها في وقت سابق من هذا العام.) هذا السعر يجعلها متقدمة تمامًا على Gen9 ، وهي شركة ناشئة أخرى في مجال تصنيع الجينات ، بمعدل قياسي قدره 18 سنتًا لكل حرف و 20 يومًا من الوقت المستغرق.

من بين مؤسسي Gen9 شخصيات علمية بارزة مثل عالم الوراثة في جامعة هارفارد جورج تشيرش ، وفي عام 2013 ، عندما كان تويست قد بدأ للتو ، استثمر صاحب العمل السابق في ليبروست ، Agilent ، 21 مليون دولار في Gen9. إن الالتواء ، إذا جاز التعبير ، هو أن Gen9 تستخدم تقنية نفث الحبر من Agilent لصنع oligos - وهي نفس التقنية التي عملت عليها ليبروست ، والتي يسعدها أن تشير إليها.


هل يستطيع الحمض النووي إثبات وجود مصمم ذكي؟

في الحركة المتنامية المعروفة باسم التصميم الذكي ، يعد ستيفن ماير شخصية صاعدة ناشئة. ماير فيلسوف علوم شاب تلقى تعليمه في كامبريدج ، وهو مدير مركز العلوم والثقافة في معهد ديسكفري - المقر الرئيسي الفكري والعلمي للتصميم الذكي. وهو أيضًا مؤلف كتاب التوقيع في الخلية، كتاب مثير جديد يقدم أول حجة شاملة قائمة على الحمض النووي للتصميم الذكي.

في 14 مايو ، ألقى ماير محاضرة في حدث استضافه برنامج Biola للدفاع المسيحي في Chase Gymnasium ، حيث قدم حجته بأن أصل المعلومات اللازمة لإنشاء الخلية الأولى يجب أن يكون قد أتى من مصمم ذكي. مجلة بيولا جلس مع ماير أثناء وجوده في بيولا وطلب منه أن يشرح التطور والمزايا العلمية لنظرية التصميم الذكي وأوجه التشابه الغريبة بين الحمض النووي وبرمجة الكمبيوتر.

عندما يتعلق الأمر بالتطور ، ما هو نوع التطور الذي تتفق معه وما هو النوع الذي تنكره؟

حسنًا ، يمكن أن يكون للتطور عدة معانٍ مختلفة. يمكن أن يعني التغيير بمرور الوقت ، أو قد يعني أن جميع الكائنات الحية تشترك في سلف مشترك بحيث يبدو تاريخ الحياة مثل الشجرة المتفرعة العظيمة التي استخدمها داروين لتصوير تاريخ الحياة. أو يمكن أن يعني أن عملية غير موجهة تمامًا - أي الانتقاء الطبيعي الذي يعمل على الطفرات العشوائية - أنتجت كل التغيير الذي حدث بمرور الوقت. أعتقد أن التطور الجزئي الصغير هو بالتأكيد عملية حقيقية. أنا متشكك في المعنى الثاني للتطور - فكرة السلالة المشتركة العالمية ، أن جميع الكائنات الحية تشترك في أصل مشترك. أعتقد أن سجل الحفريات يوضح أن المجموعات الرئيسية من الكائنات الحية نشأت بشكل منفصل عن بعضها البعض. ولكن هذا ليس ما تمثله نظرية التصميم الذكي (المعرف باختصار) تحديًا بشكل أساسي. نحن نتحدى المعنى الثالث للتطور ، وهذا هو المكان الذي ننتقل إليه نوعًا ما. لا نعتقد أن آلية غير موجهة تمامًا أنتجت كل مظهر للتصميم نراه في الطبيعة أو في علم الأحياء. لذلك أنا متشكك في هذا المعنى الثالث ، الذي يسمى أحيانًا التطور الكبير ، حيث نتحدث حقًا عن آلية الانتقاء الطبيعي والطفرة. كتابي، التوقيع في الخلية ، يدور في الواقع حول سؤال سابق ، وهو أصل الحياة الأولى ، تفسر أحيانًا بنظرية تسمى التطور الكيميائي. هذا هو الهدف الرئيسي لبحثي الخاص. أنا أبين أن هذا لا يعمل على الإطلاق. على سبيل المثال ، لا أعتقد أن هناك أي تفسير تطوري لكيفية الانتقال من الجزيئات إلى الخلايا.

كم هو عمر الكون في رأيك؟

أميل إلى الاعتقاد بأنها قديمة. حوالي 4.6 مليار سنة. ومع ذلك ، فإنني أميل إلى الاعتقاد بأن البشر حديثون جدًا.

هل تؤكد الانفجار العظيم؟

أعتقد أن الانفجار العظيم نظرية جيدة ، وأعتقد أن لها في الواقع آثارًا إيمانية. إنه يثبت ، جنبًا إلى جنب مع معادلات المجال للنسبية العامة ، أن هناك بداية فريدة للكون ، حيث يبدأ كل من الزمان والمكان.

أحد الأسئلة الكبيرة التي لم تتم الإجابة عنها والتي تراها في نظرية التطور تتعلق بأصل المعلومات اللازمة لبناء أول كائن حي. كيف يجيب الداروينيون على هذا السؤال؟

كثير من الناس لا يدركون ذلك ، لكن داروين لم يحل أو حتى يحاول حل مسألة أصل الحياة الأولى. كان يحاول شرح كيف حصلت على أشكال جديدة للحياة من أشكال أبسط. في القرن التاسع عشر ، كان هذا سؤالًا تناوله عدد قليل جدًا من العلماء. تم اقتراح النظرية القياسية في القرن العشرين من قبل عالم روسي يُدعى ألكسندر أوبارين الذي تصور سلسلة معقدة من التفاعلات الكيميائية التي زادت تدريجياً من تعقيد الكيمياء المعنية ، مما أدى في النهاية إلى إنتاج الحياة كما نعرفها. كانت تلك هي النظرية القياسية ، لكنها بدأت في الانهيار في عام 1953 مع اكتشاف بنية الحمض النووي وخصائصه الحاملة للمعلومات ، ومع كل ما كنا نتعلمه عن البروتينات وما أسميه "مراكز معالجة المعلومات" في الخلية ، الطريقة التي تعالج بها البروتينات المعلومات الموجودة على الحمض النووي. حاول Oparin تعديل نظريته لمراعاة هذه الاكتشافات الجديدة ، ولكن بحلول منتصف الستينيات كانت إلى حد كبير قوة مستهلكة. منذ ذلك الحين ، كان الناس يحاولون ابتكار شيء ما ليحل محله ، ولم يكن هناك شيء يرضيهم حقًا. هذا أحد الأشياء التي يفعلها الكتاب. إنه يستقصي المحاولات المختلفة ويظهر أنه في كل حالة ، فإن النظريات لديها مشكلة مشتركة: لا يمكنها شرح أصل المعلومات في DNA و RNA. هناك مشاكل أخرى أيضًا ، لكن هذه هي المشكلة الرئيسية.

ما هي حجتك الرئيسية للدليل على التصميم الذكي في الخلية؟

حسنًا ، الحجة الرئيسية واضحة إلى حد ما. نحن نعلم الآن أن ما يدير العرض في علم الأحياء هو ما نسميه المعلومات الرقمية أو الشفرة الرقمية. تم اكتشاف هذا لأول مرة بواسطة [جيمس] واتسون و [فرانسيس] كريك. في عام 1957 ، كان لدى كريك نظرة ثاقبة أطلق عليها "فرضية التسلسل" ، وكانت فكرة وجود أربع مواد كيميائية على طول العمود الفقري لجزيء الحمض النووي تعمل تمامًا مثل الأحرف الأبجدية في لغة مكتوبة أو أحرف رقمية في رمز آلة . يقوم جزيء DNA بترميز المعلومات حرفياً إلى شكل أبجدي أو رقمي. وهذا اكتشاف مهم للغاية ، لأن ما نعرفه من التجربة هو أن المعلومات تأتي دائمًا من الذكاء ، سواء كنا نتحدث عن نقش هيروغليفي أو فقرة في كتاب أو عنوان رئيسي في صحيفة. إذا تتبعنا المعلومات إلى مصدرها ، فإننا دائمًا ما نتبادر إلى الذهن ، وليس عملية مادية. لذا فإن اكتشاف أن الحمض النووي يرمز للمعلومات في شكل رقمي يشير بشكل حاسم إلى ذكاء سابق. هذه هي الحجة الرئيسية للكتاب.

يتحدث كتابك كثيرًا عن المعلومات وتجد أوجه تشابه بين برنامج برمجي وحمضنا النووي. هل تعتقد أن الأفكار الموجودة في كتابك حول البرمجة والمبرمجين كانت يمكن تصورها للقراء الذين يحاولون فهم التصميم الذكي منذ جيل مضى؟

هذا سؤال رائع. أعتقد أن الثورة الرقمية في الحوسبة جعلت من السهل فهم ما يحدث في علم الأحياء. نعلم من التجربة أنه ليس فقط البرامج ولكن نظام معالجة المعلومات واستراتيجيات التصميم التي يستخدمها مهندسو البرمجيات لمعالجة وتخزين واستخدام المعلومات لا يتم استخدامها فقط في الحوسبة الرقمية ولكن يتم استخدامها في الخلية. إنه نفس منطق التصميم الأساسي ، ولكن تم تنفيذه بكفاءة 8.0 ، 9.0 ، 10.0. إنها أناقة تتجاوز بكثير أناقتنا. إنه يوم جديد في علم الأحياء. إنها ثورة رقمية. لدينا تقنية النانو الرقمية التي تدير العرض داخل الخلايا. لقد تم تنفيذه بشكل رائع ويقترح عقلًا بارزًا.

ما هو "التعقيد المحدد" وكيف يلعب دوره في حجتك؟

إنه يشير فقط إلى سلاسل الأحرف التي يجب ترتيبها بطريقة دقيقة للغاية من أجل أداء وظيفة. إذا تم ترتيبها بطريقة دقيقة بحيث تؤدي وظيفة ، فهي ليست معقدة فقط ولكنها محددة في تعقيدها. الترتيب محدد لأداء وظيفة.

لقد سمعت الحجة القائلة بأن احتمال وجود تعليمات جينية محددة لبناء بروتين في مكانه سيكون مثل مجموعة من الأحرف الخربشة التي تقع على طاولة وتكتب بضعة أسطر من قرية. لكن ألا يمكنك أن تقول فقط إن فرص الفوز باليانصيب ضئيلة للغاية أيضًا ، ولكن عادة ما يكون شخص ما محظوظًا؟ ماذا لو كان تكوين الكون مجرد "الفوز باليانصيب"؟

ولكن هناك بعض اليانصيب حيث تكون احتمالات الفوز صغيرة جدًا بحيث لا يفوز أحد. وهذه هي حالة محاولة بناء بروتينات أو جينات جديدة من ترتيبات عشوائية للوحدات الفرعية لتلك الجزيئات. كمية المعلومات المطلوبة هائلة لدرجة أن احتمالات حدوثها عن طريق الصدفة ضئيلة للغاية. أنا أجري الحسابات في الكتاب. هناك نقطة لم تعد فيها فرضيات الصدفة ذات مصداقية ، وقد تجاوزنا تلك النقطة منذ فترة طويلة عندما نتحدث عن أصل المعلومات الضرورية للحياة.

انتقد البعض الهوية باعتبارها مشروعًا سلبيًا في المقام الأول ، ورفضت الأشياء ولكن لا تقدم بالفعل بديلاً مقنعًا علميًا. في الآونة الأخيرة المسيحية اليوم مقالًا ، قال كارل جيبرسون إن دعاة الهوية يجب أن "يتوقفوا عن محاولة إثبات أن داروين تسبب في الهولوكوست أو أن التطور يدمر الحضارة الغربية. ... بدلاً من ذلك ، شمروا عن سواعدكم وابدأوا في العمل على الفكرة الكبيرة. طوره إلى النقطة التي يبدأ عندها في التحول إلى رؤى جديدة في الطبيعة حتى نعرف أكثر بسبب عملك ". كيف ترد على هذا؟

حسنًا ، نحن نفعل هذا. ما لا يفعله جيبرسون هو قراءة عملنا. في الجزء الخلفي من التوقيع في الخلية لقد وضعت برنامج البحث الخاص بـ ID والملحق الذي يطور 10 تنبؤات رئيسية تقوم بها النظرية. هناك مجلة جديدة تسمى التعقيد الحيوي هذا هو التحقيق في الإثمار الإرشادي للتصميم الذكي. إنها تختبر النظرية ، وتبحث في الأوراق التي تولد تنبؤات بناءً على النظرية ، وتنشر أوراقًا تعمل على تطوير خطوط بحث جديدة تستند إلى النظرية.

لدرجة أنه مشروع سلبي بشكل أساسي - هذا غير صحيح تمامًا. ID يقترح تفسيرا بديلا للحياة. لا يقتصر الأمر على انتقاد داروين أو انتقاد التطور الكيميائي ، بل إنه يقترح تفسيرًا مخالفًا ، وفي ضوء هذا التفسير ، يتم تطوير عدد من الفرضيات المهمة التي يمكن اختبارها في المختبر.

هل سئمت يومًا من الاضطرار إلى الدفاع عن الشرعية العلمية للهوية؟

الأمر الأكثر إحباطًا هو أن الناس يبدو أنهم يشعرون بالراحة عند الإدلاء بتعليقات حول عملنا دون معرفة ما هو عليه. غالبًا ما لا تشبه توصيفات الهوية أو انتقاداتها ما يتم فعله بالفعل أو قوله أو بحثه أو كتابته. كان هناك عدد من المراجعات لكتابي والتي كتبها بوضوح أشخاص لم يقرؤوها حتى. الهوية هي فكرة يعتقد بعض الناس أنهم يستطيعون الهجوم عليها دون الإفلات من العقاب ، لأنها سيئة السمعة.

قال جون والتون ، أستاذ العهد القديم في كلية ويتون ، هذا عن الهوية الشخصية في كتابه الأخير عن سفر التكوين: "العلم غير قادر على استكشاف المصمم أو أغراضه. يمكن أن يدرس التصميم نظريًا ولكنه اختار عدم القيام بذلك من خلال المعايير التي حددها لنفسه. ... لذلك ، في حين أن التعقيدات غير القابلة للاختزال المزعومة والمعادلات والاحتمالات الرياضية يمكن أن تكون بمثابة نقد للنموذج السائد ، فإن العلم التجريبي لن يكون قادرًا على تبني التصميم الذكي لأن العلم قد وضع مصممًا ذكيًا خارج معاييره باعتباره خاضعًا لا للتحقق التجريبي ولا التزوير. " هل توافق مع هذا؟

أعتقد أنه من الغريب أن يفكر عالم الكتاب المقدس في تعريف العلم. تعريفه للعلم لا يعمل. غالبًا ما يستنتج العلم الأشياء التي لا يمكن رؤيتها بناءً على الأشياء التي يمكن رؤيتها. الداروينية تفعل ذلك. في الفيزياء ، نتحدث عن الكواركات وجميع أنواع الجسيمات الأولية. نحن لا نرى هؤلاء. يتم الاستدلال عليهم من خلال الأشياء التي يمكننا رؤيتها. لا أعتقد أن مفهومه عن العلم يتوافق مع خبرة العلماء. التحقق المباشر ليس معيارًا يفصل العلم عن أي تخصص آخر. إنه أمر غريب أيضًا أن يقول عالم الكتاب المقدس ، لأن الشهادة الكتابية هي أنه من بين الأشياء المصنوعة ، كما يقول القديس بولس ، تظهر صفات الله بوضوح ، وإحدى صفاته هي الذكاء. فلماذا يكون من المدهش أنه إذا نظرنا إلى الأشياء بعناية وعقلنا عن أصولها ، فسنصل إلى استنتاج مفاده أن الذكاء التصميمي قد لعب بالفعل دورًا في أصلها؟

يبدو أن فكرة أو استنتاج أي شيء خارق للطبيعة يخيف العلماء بعيدًا. هل توافق؟

حسنًا ، كل ما نستنتجه هو الذكاء. سواء كانت خارقة للطبيعة أو طبيعية ، فهي مسألة تتطلب مزيدًا من المداولات. أنا لا أحب حتى مصطلح "خارق للطبيعة." أعتقد أن التمييز الفلسفي الأفضل هو بين المتعالي والجوهري. هل نتحدث عن ذكاء داخل الكون أم ذكاء يتجاوزه بطريقة ما؟ وهذا تمييز لاهوتي. أعتقد أنه من الممكن التفكير في ذلك ، وسواء كنت تسميه تشاورًا فلسفيًا أم لا ، فهذا لا يهم حقًا. كل ما تفعله نظرية التصميم الذكي هو إثبات أن الذكاء مسؤول عن سمات معينة للحياة. نحن ندرك الذكاء طوال الوقت ، ولدينا طرق علمية لذلك. إذا كنت عالم آثار وكنت تنظر إلى حجر رشيد ، فهل من واجبك مواصلة البحث عن تفسيرات طبيعية على الرغم من أنك تعرف جيدًا أن الرياح والتآكل وكل شيء آخر يمكنك تخيله غير قادر على عمل تلك النقوش ؟ لا أنت لست. عليك حقًا أن تستنتج ما هو واضح ، وهو أن كاتبًا كان متورطًا. كان هناك ذكاء وراء ذلك.

ولكن بعد ذلك ، ألا يصبح التحقيق سؤالًا يتعلق بالتاريخ أكثر من كونه علمًا؟

إنه علم تاريخي. هذا ما حصلت عليه دكتوراه. كانت الأطروحة تدور حول وهي جزء مما أدافع عنه في الكتاب. هذا ما كان يفعله داروين. كان يمارس علمًا تاريخيًا - يحاول استنتاج أسباب حدث في الماضي البعيد. هناك طريقة علمية يمكنك من خلالها القيام بذلك والتي تعالج أسئلة العلاقة السببية السابقة. العلوم مثل علم الآثار والجيولوجيا وعلم الحفريات وعلم الكون معنية بهذه الأنواع من الأسئلة. يستخدم التصميم الذكي نفس النوع من الأساليب العلمية التي تستخدمها هذه العلوم.

يعلق الناس على كيفية تصنيف التصميم الذكي. لكن كيفية تصنيفك لنظرية ليست بهذه الأهمية. سواء كان ذلك علمًا أو دينًا أو فلسفة أو تاريخًا - فلماذا لا يمكن أن تكون الأربعة جميعها؟ أعتقد أن علم الأحياء الدارويني هو علم بالتأكيد ، وبالتأكيد تاريخ ، وله بالتأكيد آثار ميتافيزيقية وفلسفية أكبر. لا تقدم لنا الطبيعة والعالم اختلافات قاطعة مرتبة.

لماذا تعتقد أن العلماء مصرين جدًا على أن قبول تفسير غائي ميتافيزيقي للكون من شأنه أن يقوض ممارسة العلم؟ إذا كان من الممكن إثبات أن مثل هذا الشيء يمكن إثباته ، أو حتى مجرد احتمال ، ألا يجب أن يثير الذهن العلمي؟ أعتقد أن العالم يشعر بالرهبة من عجائب العالم.

إنه سؤال ذكي للغاية. نشأ أصل العلم الحديث من قبل العلماء الذين كان لديهم بالضبط هذا النوع من الرهبة. كانوا في المسيحيين الرئيسيين الذين اعتقدوا أن العلم ممكن لأن الطبيعة كانت مفهومة. يمكن فهمه وفهمه من قبل العقول العقلانية مثلنا لأنه تم تصميمه من قبل عقل عقلاني في المقام الأول - أن الله قد وضع في الطبيعة نظامًا وتصميمًا ونمطًا يمكن تمييزه. هذا ما جعل من الممكن القيام بالعمل الجاد المتمثل في النظر إلى الأشياء ثم التعرف في النهاية على وجود نمط. قال كبلر إن العلماء لديهم دعوة عليا تتمثل في "التفكير في أفكار الله من بعده". كان التصميم جزءًا من الافتراض التأسيسي للعلم الحديث. افترض العلماء أن الطبيعة قد صممت ، ولهذا السبب يمكنهم القيام بالعلوم. الآن ، دحرج الساعة إلى الأمام 300 عام ولديك علماء يقولون إنه إذا سمحنا بفرضية تصميم في أي مجال من مجالات العلوم ، حتى لو كنا نتحدث عن شيء مثل أصل الحياة الأولى ، فإننا نقوض أساس العلم ذاته . في الواقع ، نحن نحصل عليه الى الخلف إلى أساس العلم وإلى ذلك الرهبة والتساؤل كان ذلك مصدر إلهام للمشروع بأكمله.

هناك العديد من العلماء المسيحيين الإنجيليين الذين يختلفون معك - حتى الأشخاص المطلعين على علم الوراثة والحمض النووي ، مثل فرانسيس كولينز. ما هي النقاط التي تتفق مع شخص مثل كولينز ، وفي أي نقاط لا توافق؟

هناك عدد من النقاط التي أتفق معها مع كولينز. يقول إنه ضد التصميم الذكي ، لكنه في الواقع يقدم الحجج لصالح التصميم الذكي في لغة الله. يقول إن التصميم الذكي هو أفضل تفسير لضبط قوانين الفيزياء والكيمياء. كما يجادل بأن الحس الأخلاقي للبشر لا يمكن تفسيره بعمليات غير موجهة. يندد كولينز بالمعرف باعتباره حجة "إله الفجوات" أو حجة من الجهل ، لكنه مع ذلك يقدم حججًا لتصميم ذكي قائم على الفيزياء. أعتقد أنه يرى الآثار التوحيدية من الانفجار العظيم ، وأنا أتفق مع ذلك. ما نختلف فيه هو أنه يريد التمسك بتفسير مادي لأصل الحياة ، وأعتقد أنه يعتقد أن التطور الدارويني كافٍ لتفسير الأشكال الجديدة للحياة. أحد الأشياء التي كنت أطلب من كولينز توضيحها ، بصفتي مؤيدًا للتطور الإيماني ، هو ما يقصده بالتطور. أي من معاني التطور الثلاثة هذه يؤكدها؟ التغيير مع مرور الوقت ، أصل مشترك؟ أعلم أنه يؤكد هؤلاء. لكن ماذا عن المعنى الثالث؟ فكرة أن العملية التطورية عمياء تمامًا وغير موجهة. أتيحت لي الفرصة لأن أسأله شخصيًا: هل العملية التطورية موجهة أم غير موجهة؟ توقف مؤقتًا ، وأجاب: "إنه استطاع يتم توجيهها ". إذا قال إنه موجه ، فسيواجه مشكلة لأنه قطع وجهة النظر المادية السائدة للمؤسسة العلمية. إذا قال إنه غير موجه ، فإنه سيفقد تأثيره مع الكنيسة الإنجيلية ، التي يحاول بشدة التأثير عليها. إذا قال أن التطور غير موجه أساسًا ، فهذا لا يتفق مع وجهة النظر الكتابية التي يتبناها. بدلاً من ذلك ، إنه شكل من أشكال الربوبية حيث تقوم الطبيعة بكل العمل ويكون الله إما غائبًا أو يراقب فقط من الميزانين.

ما هي الحجة الأكثر إقناعًا التي واجهتها من خصومك؟ ما هو برأيك أصعب شيء يمكن التغلب عليه من موقفك؟

أعتقد أن أحد أقوى التحديات للتصميم الذكي كان دائمًا ملاحظة الأشياء في الطبيعة التي لا تسير على ما يرام أو لا تبدو وكأنها مصممة بذكاء. يوجد في الكتاب قسم عن مسببات الأمراض والقوارض. كانت هناك هذه الأمراض المروعة في تاريخ الحياة - مثل الطاعون. يسألني الناس ، "هل تريد حقًا أن تقول إن الطاعون من تصميم الله بذكاء؟" وكمسيحي ومنظر تصميم ، بالطبع لا أريد أن أقول ذلك. إذن هناك ثلاثة خيارات للرد على هذا ، تسمى أحيانًا مشكلة الشر الطبيعي. أحد الخيارات هو أنه لا يوجد شر ، طبيعي أو غير ذلك ، فقط أن لديك طفرات عشوائية تنتج أشياء نحبها وأشياء لا نحبها. كان هذا في الأساس وجهة النظر الداروينية. كان سيخرج الله من المأزق بقوله بشكل أساسي أن الله لا علاقة له به. لم يكن يريد أن يجعل الله مسئولاً عن الشر ، لذلك جعل الله مسئولاً عن أي شيء على الإطلاق. وجهة النظر الأخرى هي أنه يبدو أن لديك تصميمًا ، لكن يبدو أن لديك مصممًا جيدًا ومصممًا سيئًا في نفس الوقت. وجهة النظر الثالثة - التي أعتقد أنها أكثر انسجاما مع وجهة النظر المسيحية للتصميم - هي أن العالم هو مجرد دليل على أن التصميم الجيد أصبح سيئًا.

ما الذي يتعين على ID فعله أو إثباته لجذب المزيد من المجتمع العلمي السائد إليه؟

أعتقد أنه يحتاج إلى الاستمرار في فعل ما كان يفعله ، وإثبات القضية والتركيز على الأدلة ، ثم تحدي قواعد العلم التي تمنع العلماء من اعتبار الهوية بمثابة تفسير. أعتقد أن هذا هو العائق الرئيسي.

ماذا تأمل في مستقبل حركة الهوية؟

نحن نحاول تطويره. نريد أن نرى المزيد من العلماء يأتون إليه. وأعتقد أنه يتحتم علينا تطوير برنامج بحث قوي للأسئلة التي تتدفق من منظور الهوية. إذا كان المعرف صحيحًا ، فيجب أن تبدو الحياة مختلفة عما لو كانت نتيجة عمليات عشوائية من الطفرات والاختيار. أحد التنبؤات الرئيسية التي توضح كيف يجب أن يبدو مختلفًا هو التنبؤ حول الحمض النووي غير المرغوب فيه. لقد قلنا منذ أوائل التسعينيات أن المناطق غير المشفرة للبروتين في الجينوم - والتي قال الدارويني إنها خردة - لن تظهر على أنها خردة. إذا كان المعرف صحيحًا ، فليس من المنطقي أن يقوم الذكاء المصمم بتصميم نظام معلومات حيث 97 بالمائة منه لا يفعل شيئًا. لقد توقعنا أنه نعم ، يجب أن ترى بعض التحلل الطفري وبعض الأخطاء بمرور الوقت ، ولكن لا ينبغي أن تتضاءل الإشارة بسبب الضوضاء. ما رأيناه في السنوات العشر الماضية هو أن هذا التوقع تم تأكيده بشكل كبير ، بأغلبية ساحقة. هذا مثال على كيفية توقع منظور المعرف للاكتشافات في العلوم ، مما يشير إلى تنبؤات قابلة للاختبار ، وأعتقد أن هذا هو مستقبل الهوية.


قام القراصنة الحيويون بتشفير البرامج الضارة في شريط من الحمض النووي

لإعادة مراجعة هذه المقالة ، قم بزيارة ملفي الشخصي ، ثم اعرض القصص المحفوظة.

لإعادة مراجعة هذه المقالة ، قم بزيارة ملفي الشخصي ، ثم اعرض القصص المحفوظة.

عندما يصنع علماء الأحياء الحمض النووي ، فإنهم يبذلون قصارى جهدهم لعدم إنشاء أو نشر امتداد خطير من الشفرة الوراثية التي يمكن استخدامها لإنشاء مادة سامة ، أو الأسوأ من ذلك ، مرض معدي. لكن مجموعة واحدة من القراصنة البيولوجيين أثبتت كيف يمكن للحمض النووي أن يحمل تهديدًا أقل توقعًا - تهديد مصمم ليس لإصابة البشر أو الحيوانات بل أجهزة الكمبيوتر.

في بحث جديد يخططون لتقديمه في مؤتمر USENIX Security يوم الخميس ، أظهرت مجموعة من الباحثين من جامعة واشنطن لأول مرة أنه من الممكن تشفير البرامج الضارة في خيوط مادية من الحمض النووي ، بحيث عندما يقوم مُسلسِل الجينات بتحليل تصبح البيانات الناتجة برنامجًا يفسد برنامج التسلسل الجيني ويتحكم في الكمبيوتر الأساسي. في حين أن هذا الهجوم ليس عمليًا بالنسبة لأي جاسوس أو مجرم حقيقي ، إلا أنه من المحتمل أن يزداد احتمال حدوث ذلك بمرور الوقت ، حيث يصبح تسلسل الحمض النووي أكثر شيوعًا وقوة ويتم تنفيذه بواسطة خدمات الجهات الخارجية على أنظمة الكمبيوتر الحساسة. وربما أكثر من ذلك بالنسبة لمجتمع الأمن السيبراني ، فهو يمثل أيضًا إنجازًا رائعًا للخيال العلمي لإبداع الهاكر المطلق.

يقول تادايوشي كونو ، أستاذ علوم الكمبيوتر بجامعة واشنطن الذي قاد المشروع ، "نحن نعلم أنه إذا كان الخصم يتحكم في البيانات التي يعالجها الكمبيوتر ، فمن المحتمل أن يستولي على هذا الكمبيوتر" ، ويقارن التقنية بهجمات القراصنة التقليدية التي حزمة تعليمات برمجية ضارة في صفحات الويب أو مرفق بريد إلكتروني. "هذا يعني أنك عندما تنظر إلى أمان أنظمة البيولوجيا الحاسوبية ، فأنت لا تفكر فقط في اتصال الشبكة ومحرك USB والمستخدم على لوحة المفاتيح ، ولكن أيضًا في المعلومات المخزنة في الحمض النووي الذي تقوم بترتيبها. يتعلق الأمر بالنظر في فئة مختلفة من التهديد ".

في الوقت الحالي ، لا يزال هذا التهديد يمثل نقطة حبكة في رواية مايكل كريشتون أكثر من كونه متعلقًا بعلماء الأحياء الحاسوبية. ولكن مع التعامل بشكل متزايد مع التسلسل الجيني من قبل الخدمات المركزية - التي تديرها غالبًا مختبرات الجامعة التي تمتلك معدات التسلسل الجيني باهظة الثمن - أصبحت خدعة البرمجيات الخبيثة التي ينقلها الحمض النووي أكثر واقعية إلى حد ما. خاصة وأن عينات الحمض النووي تأتي من مصادر خارجية ، والتي قد يصعب فحصها بشكل صحيح.

إذا نجح المتسللون في الحيلة ، يقول الباحثون إن بإمكانهم الوصول إلى الملكية الفكرية القيمة ، أو ربما يشوهون التحليل الجيني مثل اختبار الحمض النووي الجنائي. يقترح الباحثون أنه من المحتمل أن تضع الشركات رموزًا ضارة في الحمض النووي للمنتجات المعدلة وراثيًا ، كطريقة لحماية الأسرار التجارية. & quot هناك الكثير من الأشياء المثيرة للاهتمام - أو تهديد قد تكون كلمة أفضل - تطبيقات هذا قادم في المستقبل ، مثل يقول بيتر ناي ، الباحث في المشروع.

وبغض النظر عن أي سبب عملي للبحث ، فإن فكرة بناء هجوم كمبيوتر - يُعرف باسم & quotexploit & quot - مع لا شيء سوى المعلومات المخزنة في خيط من الحمض النووي يمثل تحديًا ملحميًا للقراصنة لفريق جامعة واشنطن. بدأ الباحثون بكتابة ثغرة معروفة تسمى & quotbuffer overflow ، & quot ، مصممة لملء الفراغ في ذاكرة الكمبيوتر & # x27s المخصصة لجزء معين من البيانات ثم تنتشر في جزء آخر من الذاكرة لزرع أوامرها الخبيثة الخاصة. .

لكن ترميز هذا الهجوم في الحمض النووي الفعلي أثبت أنه أصعب مما تخيلوه في البداية. تعمل متسلسلات الحمض النووي عن طريق مزج الحمض النووي مع المواد الكيميائية التي ترتبط بشكل مختلف بالوحدات الأساسية للشفرة DNA و # x27s - القواعد الكيميائية A و T و G و C - وينبعث كل منها لونًا مختلفًا من الضوء ، تم التقاطه في صورة جزيئات الحمض النووي. لتسريع المعالجة ، يتم تقسيم صور ملايين القواعد إلى آلاف الأجزاء وتحليلها بالتوازي. لذلك كان يجب أن تتناسب جميع البيانات التي تشكل هجومهم مع بضع مئات فقط من تلك القواعد ، لزيادة احتمالية بقاءها سليمة طوال المعالجة المتوازية لجهاز التسلسل & # x27s.

عندما أرسل الباحثون هجومهم المصمم بعناية إلى تقنيات الحمض النووي المتكاملة لخدمة تخليق الحمض النووي في شكل As و Ts و Gs و Cs ، وجدوا أن الحمض النووي له قيود فيزيائية أخرى أيضًا. لكي تظل عينة الحمض النووي الخاصة بهم مستقرة ، كان عليهم الحفاظ على نسبة معينة من Gs و Cs إلى As و Ts ، لأن الاستقرار الطبيعي للحمض النووي يعتمد على نسبة منتظمة من أزواج A-T و G-C. وعلى الرغم من أن الفائض في المخزن المؤقت غالبًا ما ينطوي على استخدام نفس سلاسل البيانات بشكل متكرر ، إلا أن القيام بذلك في هذه الحالة تسبب في ثني خيط الحمض النووي على نفسه. كل هذا يعني أن المجموعة اضطرت إلى إعادة كتابة رمز الاستغلال بشكل متكرر للعثور على نموذج يمكنه أيضًا البقاء على قيد الحياة مثل الحمض النووي الفعلي ، والذي سترسله خدمة التوليف في النهاية في قنينة بلاستيكية بحجم الإصبع في البريد.

كانت النتيجة ، أخيرًا ، عبارة عن جزء من برنامج هجوم يمكن أن ينجو من الترجمة من الحمض النووي المادي إلى التنسيق الرقمي ، المعروف باسم FASTQ ، والذي يستخدم لتخزين تسلسل الحمض النووي. وعندما يتم ضغط ملف FASTQ هذا باستخدام برنامج ضغط شائع يُعرف باسم fqzcomp - غالبًا ما يتم ضغط ملفات FASTQ لأنها يمكن أن تمتد إلى غيغابايت من النص - فهي تخترق برنامج الضغط هذا باستغلال تجاوز سعة المخزن المؤقت ، مما يؤدي إلى الخروج من البرنامج إلى الذاكرة من الكمبيوتر الذي يقوم بتشغيل البرنامج لتشغيل أوامره التعسفية.

حتى ذلك الحين ، تمت ترجمة الهجوم بالكامل حوالي 37 في المائة فقط من الوقت ، نظرًا لأن المعالجة المتوازية لمسلسل التسلسل & # x27s غالبًا ما تقصره أو - أي خطر آخر لكتابة التعليمات البرمجية في كائن مادي - فك البرنامج تشفيره إلى الوراء. (يمكن ترتيب سلسلة من الحمض النووي في أي من الاتجاهين ، ولكن من المفترض أن تقرأ الشفرة في اتجاه واحد فقط. يقترح الباحثون في ورقتهم البحثية أنه في المستقبل ، يمكن صياغة نسخ محسّنة من الهجوم على أنها متناظرة).

على الرغم من هذه العملية المتعرجة وغير الموثوقة ، يعترف الباحثون ، أنه كان عليهم أيضًا اتباع بعض الطرق المختصرة الجادة في إثبات المفهوم الذي يصل إلى حد الغش. بدلاً من استغلال ثغرة أمنية موجودة في برنامج fqzcomp ، كما يفعل المتسللون في العالم الحقيقي ، قاموا بتعديل كود المصدر المفتوح للبرنامج & # x27s لإدخال الخلل الخاص بهم مما يسمح بتدفق المخزن المؤقت. ولكن بصرف النظر عن كتابة كود هجوم الحمض النووي لاستغلال نسختهم المعرضة للخطر بشكل مصطنع من fqzcomp ، أجرى الباحثون أيضًا مسحًا لبرامج تسلسل الحمض النووي الشائعة ووجدوا ثلاث نقاط ضعف فعلية في تجاوز سعة المخزن المؤقت في البرامج المشتركة. & quot ؛ لم تتم كتابة الكثير من هذا البرنامج & # x27t مع مراعاة الأمان ، & quot Ney يقول. يقول الباحثون إن هذا يُظهر أن المخترق المستقبلي قد يكون قادرًا على شن الهجوم في بيئة أكثر واقعية ، خاصة وأن متسلسلات الجينات الأكثر قوة تبدأ في تحليل أجزاء أكبر من البيانات التي يمكن أن تحافظ بشكل أفضل على رمز الاستغلال & # x27s.

وغني عن القول ، إن أي قرصنة محتملة تعتمد على الحمض النووي لا تزال بعيدة المنال. قالت شركة Illumina ، الشركة الرائدة في مجال تصنيع معدات التسلسل الجيني ، في بيان ردا على ورقة جامعة واشنطن. & quot هذا بحث مثير للاهتمام حول المخاطر المحتملة على المدى الطويل. نحن نتفق مع فرضية الدراسة التي مفادها أن هذا لا يشكل تهديدًا وشيكًا وليس قدرة نموذجية للأمن السيبراني ، كما كتب جيسون كالاهان ، كبير مسؤولي أمن المعلومات في الشركة & # x27s & quot ؛ نحن يقظون ونقيم بشكل روتيني الضمانات المعمول بها لدينا البرمجيات والأدوات. نرحب بأي دراسات تخلق حوارًا حول إطار عمل وإرشادات مستقبلية واسعة لضمان الأمن والخصوصية في تركيب الحمض النووي وتسلسله ومعالجته. & quot

يقول سيث شيبمان ، أحد أعضاء فريق هارفارد الذي قام مؤخرًا بترميز مقطع فيديو في عينة من الحمض النووي ، إذا وضعنا القرصنة جانباً ، فإن استخدام الحمض النووي للتعامل مع معلومات الكمبيوتر أصبح حقيقة واقعة. (شيبمان متزوجة من إميلي دريفوس ، كاتبة WIRED كبيرة). طريقة التخزين هذه ، رغم كونها نظرية في الغالب في الوقت الحالي ، يمكن أن تسمح يومًا ما بالاحتفاظ بالبيانات لمئات السنين ، وذلك بفضل قدرة DNA & # x27s على الحفاظ على هيكلها لفترة أطول بكثير من التشفير المغناطيسي في ذاكرة فلاش أو على القرص الصلب. ويقول إنه إذا كان تخزين الكمبيوتر القائم على الحمض النووي قادمًا ، فقد لا تكون هجمات الكمبيوتر القائمة على الحمض النووي بعيدة المنال.

& quot قرأت هذه الورقة بابتسامة على وجهي ، لأنني أعتقد أنها ذكية ، & quot يقول شيبمان. & quot هل هو شيء يجب أن نبدأ بالفرز فيه الآن؟ أشك في ذلك. & quot لكنه يضيف أنه مع وجود عصر للبيانات المستندة إلى الحمض النووي في الأفق ، فإن القدرة على زرع شفرة ضارة في الحمض النووي هي أكثر من مجرد خدعة في صالة القراصنة.

& quot في مكان آخر ، عندما يتم تخزين المزيد من المعلومات في الحمض النووي ويتم إدخالها وتسلسلها باستمرار ، & quot


CAD الجينية

يتمتع Densmore ، الذي طور Cello ، بخلفية في أتمتة التصميم الإلكتروني - وهذا واضح. يمكن للباحثين توجيه Cello لتصميم دائرة وراثية تفي بمواصفات معينة دون الحاجة إلى إخبار البرنامج بأي شيء حول كيفية بنائه بالفعل ، تمامًا كما هو الحال مع أدوات التصميم الإلكترونية. يقوم المستخدمون بتوجيه البرنامج - المتاح ككود مصدر وكتطبيق ويب - باستخدام لغة Verilog ، وهي نفس لغة الكمبيوتر التي يستخدمها مهندسو الإلكترونيات لوصف دوائر السيليكون الخاصة بهم. يوضح Densmore قائلاً: "أنت تحدد الوظيفة التي تريدها ، وليس طريقة إنشائها". على سبيل المثال ، يمكن للمستخدمين أن يطلبوا من Cello تصميم دائرة جينية تنتج بروتينًا عندما تستشعر وجود اثنين من الأجسام المضادة. سيعمل البرنامج بعد ذلك على تحديد المكونات التي يجب وضعها معًا لتحقيق ذلك ، وإخراج تسلسل الحمض النووي المطلوب لبناءه فعليًا. يتنبأ Cello أيضًا بمدى جودة أداء دوائره على الأرجح.

صمم Densmore تصميم Cello بالتعاون مع مختبر عالم الأحياء الاصطناعية كريستوفر فويجت في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في كامبريدج ، لاستخدامه في البكتيريا. الإشريكية القولونية. الآن ، يقومون بشكل مشترك بتوسيع الأداة للعمل في الخميرة ، كما يقول. يستخدم Densmore و Voigt Cello لتصميم الدوائر التي تنتج جزيء إشارة صغير استجابة لوجود جزيئين آخرين ، ويعملان على دوائر ذات ذاكرة تعمل بطرق مختلفة اعتمادًا على الترتيب الذي تشعر به الأهداف ، كما يقول Densmore. .

على عكس Cello ، فإن الأدوات الآلية الأخرى بما في ذلك iBioSim و j5 و GenoCAD لا تبث التنبؤات حول مدى جودة أداء الدوائر الجينية أو ما إذا كانت صحيحة. وكلها تتطلب من المستخدم معرفة وإدخال معلومات حول كيفية تنظيم الدائرة.


حل ألغاز علم الأحياء & # x27s باستخدام ميكانيكا الكم

هناك خيط رفيع بين أن يتم الترحيب به باعتباره صاحب رؤية وأن يتم التنديد به باعتباره مهووسًا ، كما يدرك الفيزيائي العراقي المولد جيم الخليلي تمامًا. جلس في مكتبه بجامعة ساري في المملكة المتحدة في يوم مشمس ، يتذكر وقتًا أقل هدوءًا في حياته المهنية ، منذ ما يقرب من 15 عامًا. في ذلك الوقت ، اكتشف هو وزميله في Surrey ، عالم الأحياء Johnjoe McFadden ، آلية غريبة لشرح كيف يمكن أن يتحول الحمض النووي - الجزيء الذي يحمل شفرتنا الجينية -.

تسببت نظريتهم في إثارة ضجة لأنها استحضرت ميكانيكا الكم ، فرع الفيزياء الذي يصف سلوك الجسيمات في عالم ما دون الذري. أعطت فكرتهم نظرة ثاقبة لأصول الطفرات الجينية ، التي أدت على مر القرون إلى تنوع الأنواع في المملكة البيولوجية ، وعلى المدى القصير يمكن أن تؤدي إلى تطور أمراض مثل السرطان. ومع ذلك ، فقد تم الاستهزاء بالاقتراح ، مما أثار الشك من قبل علماء الأحياء والفيزيائيين لأن التأثيرات الكمومية يفترض أنها تؤثر فقط على المقاييس الأصغر ولا يمكنها التحكم في الجزيئات البيولوجية الكبيرة.

يقول الخليلي: "حذرني كبار الزملاء في الفيزياء من هذا النوع من البحث ، قائلين:" هذا ليس مجرد تخمين ، إنه سخيف ". "لقد أدركت منذ ذلك الحين أن بعض أفضل الأفكار تأتي من أفكار تبدو مجنونة ، وإلا فلن تكون جديدة."

على الرغم من أن الخليلي ومكفادين لم يسميها على هذا النحو في ذلك الوقت ، إلا أن ورقتهم البحثية كانت واحدة من أولى ورقات البحث في مجال البيولوجيا الكمومية المزدهر الآن. قد تكون القواعد الغريبة التي تتحكم في العالم دون الذري غير بديهية ، ولكن تم التحقق منها من خلال العديد من التجارب في الجزء الأفضل من قرن. ومع ذلك ، فقط في العقد الماضي أو نحو ذلك ، وجدت مجموعة صغيرة من الفيزيائيين وعلماء الأحياء تلميحات إلى أن الطبيعة قد تستخدم أيضًا هذه القواعد لتعزيز كفاءة المهام البيولوجية.

إذا كان هذا صحيحًا ، فيمكن للفيزيائيين الذين يكافحون من أجل الابتكار في المختبر أن يأخذوا ورقة كمية من كتاب الطبيعة ويتعلموا كيفية ابتكار آلات أفضل. بشكل أكثر طموحًا - ومثيرًا للجدل - يجادل البعض بأن بيولوجيا الكم يمكن أن تغير قواعد اللعبة في علاج الأمراض الخطيرة. يقول الخليلي: "الكأس المقدسة هي أن نجد أن التأثيرات الكمومية تحفز العمليات البيولوجية ذات الصلة بالطب". "بالنظر إلى المدى الطويل ، إذا كانت هذه التأثيرات تكمن وراء آلية طفرات الحمض النووي ، فقد يسمح ذلك بإحراز تقدم حقيقي في علاج السرطان."

زرعت بذور اهتمام الخليلي بالبيولوجيا في بغداد في ستينيات القرن الماضي ، عندما أعطاه والداه مجهرًا لعيد الميلاد. في ذلك الوقت ، كان علم الأحياء هو السائد: في عام 1953 ، اكتشف عالم الفيزياء الحيوية بجامعة كامبريدج فرانسيس كريك وجيمس واتسون أن الحمض النووي يأخذ شكل حلزون مزدوج ، أو سلم ملتوي. كان والدا الخليلي يأملان في أن يطور ابنهما اهتمامًا بهذا العلم الجديد المثير ، ولكن بسبب يأسهما ، كان مشغولًا للغاية بكرة القدم والموسيقى.

بعد بضع سنوات ، ومع ذلك ، في سن 13 ، وقع في حب - ليس مع علم الأحياء ، ولكن مع الفيزياء ، عندما أدرك أن الرياضيات يمكن أن تتنبأ بنتائج تجارب المدرسة الثانوية. يقول: "أدركت فجأة أن الفطرة السليمة هي السبيل للإجابة على أسئلة عميقة حول الطريقة التي تعمل بها الأشياء".ومن المفارقات ، أن هذا الحب للمنطق تم اختباره بشدة عندما شرع في وقت لاحق في الحصول على درجة البكالوريوس في الفيزياء في جامعة ساري وتعلم أنه على المستوى الأساسي حيث تسود قوانين الكم ، فإن القواعد اليومية تطير خارج النافذة.

الآن في الخمسينيات من عمره ، يضيء وجه الخليلي ويصبح متحركًا مثل مراهق ، يلوح بيديه محبطًا عندما يتذكر مواجهاته الأولى مع ميكانيكا الكم. على سبيل المثال ، تنص ظاهرة التراكب على أنه قبل أن تنظر ، ليس للجسيم مكان محدد. فقط عندما يتم قياس موضع الجسيم ، فإنه يستقر بشكل عشوائي في بقعة واحدة. يقول الخليلي: "قيل لنا أشياء مثل هذه بجفاف شديد". "لم يحب المحاضرون أن أسأل عما يعنيه في الواقع أن أقول إن شيئًا ما يمكن أن يكون في مكانين في نفس الوقت."

هناك غرابة محيرة أخرى تُعرف باسم النفق الكمومي: في العالم المجهري ، يمكن للجسيمات أن تنتقل عبر الحواجز التي ، من الناحية النظرية ، لا ينبغي أن تمتلك الطاقة اللازمة لتجاوزها. يتذكر الخليلي أن محاضره حاول إلقاء الضوء على الموضوع من خلال شرحه: "كأنني كنت قادرًا على الركض إلى هذا الجدار ، وبدلاً من الاصطدام به ، كنت سأظهر فجأة ، سليمة ، على الجانب الآخر". يقول إن غرابة العالم الكمومي ما زالت تحبطه.

على الرغم من أنها غريبة ، فقد تم إثبات هذه الخصائص الكمومية مرارًا وتكرارًا في المختبر ، كما اكتشف الخليلي عندما تخصص لاحقًا في الفيزياء النووية ، دراسة الجسيمات داخل الذرة. بحلول منتصف الثمانينيات ، عندما كان يؤسس مسيرته المهنية المبكرة ، أصبح الفيزيائيون مرتاحين جدًا للسلوك الغريب للأجسام الكمومية لدرجة أنهم بدأوا يفكرون في استغلالها لبناء آلات قوية.

في حين أن أجهزة الكمبيوتر الحديثة تعالج المعلومات المشفرة في أرقام ثنائية (أو بتات) تأخذ قيمة إما 0 أو 1 ، فقد أدرك الفيزيائيون أن ما يسمى بالحواسيب الكمومية يمكن أن تخزن المعلومات في "كيوبتات" يمكن أن توجد في حالة التراكب ، في وقت واحد على حد سواء 0 و 1. ورأوا أنه إذا أمكن ربط عدة كيوبتات معًا ، فيجب أن يكون من الممكن إنشاء معالج كمي ينفذ العمليات الحسابية بسرعات لا يمكن تصورها أسرع من الأجهزة القياسية. على سبيل المثال ، بينما تبحث أجهزة الكمبيوتر الحالية من خلال قواعد البيانات عن طريق فحص كل إدخال على حدة ، سيكون الكمبيوتر الكمومي قادرًا على النظر في جميع الإدخالات في وقت واحد.

ومع ذلك ، فإن فكرة أن النباتات والحيوانات قد تقوم بالفعل بمثل هذه العمليات الكمومية فائقة السرعة داخل خلاياها ، لم تخطر ببال أي من الفيزيائيين أو علماء الأحياء بجدية ، على الرغم من أن الخلايا تتكون من ذرات ، وعلى المستوى الأساسي ، جميعهم. الذرات تخضع لميكانيكا الكم. كان السبب الرئيسي هو أن التأثيرات الكمومية ، كما اكتشف بناة الحواسيب الكمية ، هشة للغاية. للحفاظ على التراكب في المختبر ، يحتاج الفيزيائيون إلى تبريد أنظمتهم إلى الصفر المطلق تقريبًا ، وهي أدنى درجة حرارة ممكنة ، لأن الحرارة يمكن أن تدمر السمات الكمومية. لذلك بدا أن هناك فرصة ضئيلة لأن تتمكن هذه الخصائص الكمومية من البقاء في درجات الحرارة المعتدلة داخل الخلايا الحية.

لكن في أواخر التسعينيات ، أدرك الخليلي أن هذا الافتراض ربما كان متسرعًا للغاية عندما التقى ماكفادين لأول مرة ، والذي عرّفه على لغز بيولوجي قد يتطلب حله مساعدة كمومية.

في ذلك الوقت ، أراد McFadden ، وهو عضو في قسم الأحياء في Surrey ، أن يطلب من علماء الفيزياء النصيحة حول كيفية التعامل مع اللغز المتعلق بطفرات الحمض النووي. كان هو وزملاؤه يحققون في التركيب الجيني لابن عم غير قاتل لـ M. tuberculosis ، وهي البكتيريا المسببة لمرض السل ، ووجدوا أنه في ظل ظروف خاصة - عندما تم احتجازهم في ظروف خالية تقريبًا من الأكسجين - تحور البكتيريا بطريقة جعلت لا سيما ضراوة. ما فاجأ الفريق هو أن هذه الطفرة بالذات بدت وكأنها تحدث بمعدل أكثر تكرارا من الطفرات الأخرى.

لقد تعلم مكفادين ، مثل كل علماء الأحياء الجيدين ، أنه لا ينبغي حدوث مثل هذا التعزيز. كانت العقيدة المركزية منذ القرن التاسع عشر ، عندما صاغ تشارلز داروين فكرة أن الطفرات تخلق التنوع الجيني اللازم لتطور الأنواع ، كانت أن جميع الطفرات يجب أن تحدث عشوائيًا. لا ينبغي أن يحدث نوع واحد من الطفرات أكثر من نوع آخر ، بغض النظر عن البيئة. قد تكون بعض الطفرات مفيدة ، لكن الظروف البيئية نفسها لا ينبغي أن تلعب دورًا في معدل أي طفرة جينية معينة: التطور أعمى. ومع ذلك ، يبدو أن فريق مكفادين قد وجد حالة تتحدى نظرية التطور القياسية ، نظرًا لأن نقص الأكسجين في بيئة التجربة بدا وكأنه يتسبب في نوع واحد من الطفرات على أنواع أخرى.

لم تكن هذه هي المرة الأولى التي يسمع فيها عن مثل هذه النتائج المثيرة للجدل. قبل عقد من الزمان ، في عام 1988 ، نشرت مجموعة من علماء الأحياء الجزيئية بقيادة جون كيرنز في كلية هارفارد للصحة العامة نتائج مذهلة تظهر طفرات تكيفية مماثلة. عندما نشروا سلالة من الإشريكية القولونية التي لا تستطيع هضم اللاكتوز على صفيحة أجار التي كان مصدر غذائها الوحيد هو اللاكتوز ، وجدوا أن البكتيريا طورت الطفرة المطلوبة لهضم السكر بمعدل أسرع بكثير مما كان متوقعًا إذا حدثت هذه الطفرة في نفس الوقت. عشوائي. يبدو أن هذا التكيف قد نتج بطريقة ما عن البيئة. يقول مكفادين: "كانت الدراسة هرطقة تمامًا بالمعنى الدارويني". ومع ذلك ، حظيت التجارب باحترام كافٍ لنشرها في مجلة Nature المرموقة.

بحثًا عن آلية محتملة يمكن أن تشرح فقط كيف يمكن للبيئة القيام بذلك ، تحول عقل مكفادين إلى الحسابات الشائعة التي قرأها عن الحوسبة الكمومية التي أوضحت كيف يمكن للتراكب أن يسرع بشكل كبير العمليات البطيئة. مع هذا التفكير الغامض ، سأل ماكفادين قسم الفيزياء في جامعته عما إذا كانت العمليات الكمية قد تفسر تكيفات مرض السل. لم يرحب جمهوره بالفكرة. يتذكر الخليلي: "اعتقد معظم زملائي الفيزيائيين أنه ساذج ، وكانت فكرة أن التأثيرات الكمومية قد تلعب دورًا في الطفرات التكيفية فكرة سخيفة".

ومع ذلك ، كان الخليلي - الذي لم يكن غريباً عن الأسئلة التي يحتمل أن تكون محرجة - مفتونًا بما يكفي لمناقشة المشكلة. يضحك الخليلي قائلاً: "لا تتخيل أننا جلسنا هناك ولدينا رؤية عظيمة بأننا كنا رواد في علم الأحياء الكمومي". "لقد استمتعنا حقًا بالاجتماع مرة واحدة في الأسبوع في ستاربكس للدردشة عبر الأشياء التي وجدها كلانا رائعة." آتت أكلها. على مدار عام ، قاموا بصياغة نظرية باستخدام آليات الكم لشرح كيفية حدوث الطفرات التكيفية.

يتطلب هيكل السلم الملتوي للحمض النووي وجود درجات من الروابط الهيدروجينية لتماسكها معًا ، وتتكون كل رابطة أساسًا من ذرة هيدروجين واحدة توحد جزيئين. هذا يعني أنه في بعض الأحيان يمكن لذرة واحدة تحديد ما إذا كان الجين سيتطور أم لا. والذرات المنفردة عرضة للغرابة الكمية. عادة ما تكون الذرة المفردة أقرب إلى جزيء على جانب واحد من سلم الحمض النووي من الآخر. توصل الخليلي ومكفادين إلى اقتراح منسي منذ فترة طويلة قدم في عام 1963 يقترح تحور الحمض النووي عندما تنفق ذرة الهيدروجين ، ميكانيكيًا كميًا ، إلى النصف "الخطأ" من درجتها. بنى الزوجان على هذا بالقول أنه بفضل خاصية التراكب ، قبل أن يتم ملاحظتها ، ستوجد الذرة في نفس الوقت في كل من الحالة المتحولة وغير المتحولة - أي أنها ستجلس على جانبي الدرجة عند نفس الوقت.

في حالة الإشريكية القولونية سريعة التكيف ، فإن ذلك يتوافق مع الحمض النووي الخاص بها الذي يتم تحضيره لتمكين البكتيريا من تناول اللاكتوز وأيضًا عدم القدرة على تناول اللاكتوز. حلل الخليلي ومكفادين رياضياً التفاعلات بين ذرة الهيدروجين المفردة في الحمض النووي للجرثومة وجزيئات اللاكتوز المحيطة بها. يجادلون بأن وجود جزيئات السكر التي تصطدم بالذرة لها تأثير "ملاحظتها" ، مما يجبر الهيدروجين على الانجذاب إلى موضع واحد ، تمامًا كما أن قياس حالة أي جسيم كمي سيثبتها في موقع محدد. والأكثر من ذلك ، أظهرت حساباتهم أن الطفرة التي ستمكن الإشريكية القولونية من هضم اللاكتوز ستحدث بمعدل أسرع مما يحدث في حالة عدم وجود السكر. يقول الخليلي: "لقد كانت تلويحًا يدويًا ، لكن كان لدينا أدنى فكرة أن شيئًا كميًا كان يحدث على مستوى الحمض النووي". انضم هو ومكفادين إلى مجموعة صغيرة من المنشقين الذين تجرأوا على ربط علم الأحياء بفيزياء الكم.

لم يقتنع الجميع. نصحه العديد من زملاء الخليلي بالتخلي عن هذه المهمة الحمقاء ، بحجة أنه لا توجد تجارب أظهرت بشكل قاطع أن التأثيرات الكمومية تلعب دورًا في الجزيئات البيولوجية. بالنظر إلى حالة التصوير البيولوجي في ذلك الوقت ، بدا التحقق من نظرية الزوج بشكل مباشر مستحيلًا. في غضون ذلك ، خضعت دراسة كيرنز الأصلية للإشريكية القولونية للفحص الدقيق. يقول مكفادين إن المعدل المتزايد لطفرات هضم اللاكتوز تم إعادة إنتاجه بشكل مستقل عدة مرات ، ولكن كانت هناك اقتراحات بأن الطفرات الأخرى غير المفيدة قد يتم تعزيزها أيضًا - ربما لتجنب الحاجة إلى استدعاء ميكانيكا الكم. يقول مكفادين: "لقد فقدنا الاهتمام بالموضوع في ذلك الوقت". نسي هو والخليلي طموحاتهما النبيلة وعادا إلى وظائفهما اليومية.

بالنظر إلى الوراء ، يعترف الخليلي بأنهم كانوا يتمايلون بسهولة. في السنوات التالية ، ظهرت مجموعة من النتائج التجريبية تلمح إلى أن التأثيرات الكمومية قد تكون فاعلة في العديد من أركان العالم البيولوجي المختلفة. ظهر أهمها في عام 2007 وشمل عملية التمثيل الضوئي ، وهي العملية التي تحول من خلالها جزيئات الكلوروفيل في النباتات الماء وثاني أكسيد الكربون وأشعة الشمس إلى طاقة وأكسجين وكربوهيدرات.

يحقق التمثيل الضوئي معدلًا هائلاً بنسبة 95 في المائة لكفاءة نقل الطاقة ، "أكثر كفاءة من أي عملية نقل طاقة أخرى معروفة للإنسان" ، كما يقول مكفادين. داخل الكلوروفيل ، توجه ما يسمى بأصباغ الهوائي الطاقة من جزيئات تجميع الضوء إلى بروتينات مركز التفاعل القريبة عبر اختيار المسارات الممكنة. افترض علماء الأحياء أن الطاقة تقفز من جزيء إلى جزيء على طول مسار واحد. لكن الحسابات أظهرت أن هذا يمكن أن يمثل فقط حوالي 50 بالمائة من معدل الكفاءة. لشرح الأداء شبه المثالي للنباتات ، حسب علماء الفيزياء الحيوية ، يجب أن توجد الطاقة في حالة تراكب كمي ، وتنتقل عبر جميع المسارات الجزيئية في نفس الوقت - على غرار الكمبيوتر الكمومي الذي يمكنه البحث في جميع المدخلات في قاعدة البيانات في وقت واحد. بمجرد تحديد الطريق الأسرع ، تذهب الفكرة ، يستقر النظام خارج التراكب على هذا الطريق ، مما يسمح لكل الطاقة باتخاذ أفضل مسار في كل مرة.

في تجربة عام 2007 ، أجرى الكيميائي جراهام فليمنج Graham Fleming وزملاؤه في جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، تجارب على بكتيريا الكبريت الأخضر التي يبدو أنها تشير إلى هذا النهج الكمي. تم عمل Fleming عند درجة حرارة 321 درجة فهرنهايت تحت الصفر ، ولكن ظهرت تأثيرات مماثلة بعد ثلاث سنوات في تجارب مع الطحالب البحرية التي أجريت في درجة حرارة الغرفة بواسطة فريق بقيادة جريجوري سكولز ، الكيميائي بجامعة تورنتو في أونتاريو. يقول مكفادين: "كانت هذه تجارب مذهلة". "كان الفيزيائيون يكافحون لسنوات لبناء كمبيوتر كمي - والآن يبدو أنهم طوال ذلك الوقت ربما كانوا يأكلون أجهزة الكمبيوتر الكمومية لتناول طعام الغداء ، في الأوراق في سلطتهم!"

لاحظ فلاتكو فيدرال - الفيزيائي الذي يصف نفسه بشكل غريب أنه متراكب كميًا في كل من جامعة أكسفورد في المملكة المتحدة ومركز تقنيات الكم في سنغافورة. يتذكر قائلاً: "حتى ذلك الحين ، بدت كل هذه الأفكار في بيولوجيا الكم جيدة ، لكنها تفتقر إلى الأدلة التجريبية". "تجارب التركيب الضوئي غيرت آراء الناس." على الرغم من أنه يضيف ، فقد أشار النقاد إلى أن الاختبارات تستخدم الضوء الاصطناعي من الليزر ، بدلاً من ضوء الشمس الطبيعي. لا يزال من غير الواضح ما إذا كانت التأثيرات الكمية نفسها التي لوحظت في ظروف المختبر الخاضعة للرقابة الصارمة تحدث بالفعل في الهواء الطلق في حدائقنا.

كانت التجارب كافية لجعل فيدرال يتساءل عما إذا كان هو وزملاؤه يمكن أن يجدوا تأثيرات كمومية ضمن المكافئ الحيواني لعملية التمثيل الضوئي. مصنع الطاقة في الخلايا الحيوانية مثل خلايانا هو الميتوكوندريا ، وهو مستودع لتوجيه الطاقة من الجلوكوز الذي يتم حصاده من الطعام إلى الإلكترونات. يتم بعد ذلك خلط هذه الإلكترونات عالية الطاقة من خلال سلسلة من التفاعلات لصنع أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) ، وهو الجزيء الذي يغذي معظم الأعمال الخلوية. وصفت النماذج البيولوجية التقليدية الإلكترونات بأنها تقفز من جزيء إلى جزيء داخل الميتوكوندريا ، ولكن - مرة أخرى - لا يمكن لهذه الصورة البسيطة أن تفسر السرعة التي يتم بها بصق ATP.

توصل فريق فيدرال إلى نموذج تتواجد فيه الإلكترونات في تراكب كمي ، بدلاً من التنقل ، ويتم تلطيخها مرة واحدة عبر جميع الجزيئات في خط إنتاج ATP. تنبأت حساباتهم بزيادة معدل إنتاج ATP ، كما رأينا في التجارب. مرة أخرى ، كان حلًا كميًا للغز البيولوجي. مستقبل غير مضمون

على الرغم من أنها لا تزال مؤقتة ، إلا أن التداعيات الصحية المحتملة لهذه النظريات لم تمر مرور الكرام. يلاحظ فيدرال أن الفشل في نقل الإلكترون في الميتوكوندريا قد ارتبط بمرض باركنسون وبعض أنواع السرطان. وهو يعترف بأن العلاقة لا تزال تخمينية ، لأن العلاقة الدقيقة بين السبب والنتيجة غامضة. "هل فشل نقل الإلكترون يؤدي إلى المرض ، أم أن المرض يتسبب في انهيار نقل الإلكترون؟" يسأل فيدرال. "هذا شيء لا يعرفه علماء الأحياء ، وعلينا أن ننظر إليهم للحصول على إجابة."

ومع ذلك ، نظرًا لأن المردود قد يكون مرتفعًا جدًا ، فقد اجتذب التخمين أول منحة بحثية رئيسية مكنت مجموعة أكسفورد ، بقيادة الفيزيائي من أكسفورد تريستان فارو ، من إجراء تجاربهم الخاصة في علم الأحياء الكمومي. تعتبر المنحة واحدة من أكبر طوابع الموافقة على هذا النظام المثير للجدل ، والذي كان حتى الآن موضوعًا لوقت فراغ الباحثين إلى حد كبير. بينما يسيرني فارو حول المختبر المظلم حيث ستُجرى هذه الاختبارات ، أوضح أنه عمل شاق ، ويمكن أن يستغرق ما يصل إلى خمس سنوات للتحضير.

يقول فارو إن المهمة الأولى ستكون التحقق من نتائج التمثيل الضوئي لعام 2007 بعد ذلك ، وسيقوم الفريق بدراسة الجزيئات الأكبر والأكثر تعقيدًا المشاركة في نقل طاقة الميتوكوندريا. يشرح فارو أنه ليس مدفوعًا شخصيًا بالفوائد الطبية المحتملة التي ساعدت في الحصول على المنحة - التي ستأتي سنوات عديدة على الطريق ، إن وجدت - ولكن بالأمل في أن تعلمنا الطبيعة كيفية بناء آلات أفضل.

يقول: "إذا تمكنا من إثبات أن التأثيرات الكمومية تعيش لفترة طويلة في الجزيئات البيولوجية وتوصلنا إلى كيفية حدوث ذلك ، فيمكننا استخدام هذه المعلومات لتصميم أجهزة كمبيوتر كمومية أفضل في المختبر". يوافق ماكفادين: "إذا تمكنا من فهم كيف تكون عملية التمثيل الضوئي فعالة للغاية في تحويل ضوء الشمس إلى طاقة وإعادة تكوين ذلك بشكل مصطنع ، فإن أداء الخلايا الشمسية الضعيفة اليوم سيكون شيئًا من الماضي."

يكافح الفيزيائيون لربط أكثر من حفنة من الكيوبتات معًا في درجات حرارة شديدة البرودة في المختبر ، وهم حريصون أيضًا على اكتشاف كيف يمكن للجزيئات الحيوية على ما يبدو حماية التأثيرات الكمومية الهشة بحيث يمكن استغلالها بواسطة الأنظمة الحية دون انقطاع. يقول فارو: "تتمثل إحدى فوائد دراسة التأثيرات الكمومية في الأنظمة البيولوجية في معرفة ما إذا كانت الطبيعة تحميها وكيف تحميها ، حتى نتمكن من نسخ بنية كتل البناء الطبيعية". يجب أن تعمل أجهزة الكمبيوتر الكمومية في درجة حرارة الغرفة إذا كان سيتم استخدامها في التطبيقات السائدة. ويضيف فارو: "يمكن بعد ذلك استخدام هذه الكتل كوحدات أساسية في أجهزة الكمبيوتر الكمومية" البيولوجية ".

قبل عقد من الزمان ، كانت مثل هذه التجارب مستحيلة لأن تقنية معالجة الجزيئات البيولوجية الفردية لم تكن موجودة. ألهمت هذه التحسينات في التقنيات التجريبية ، جنبًا إلى جنب مع التطورات التي حققها الآخرون في علم الأحياء الكمومي ، ماكفادين والخليلي لترك الهامش والانضمام إلى اللعبة. يضحك الخليلي: "بدأنا نفكر ،" انتظر ، ربما كنا في شيء ما كل تلك السنوات الماضية ". كدليل على مدى تحول المد ، في يناير 2013 ، ألقى الخليلي حديثًا عن أفكاره حول النفق الكمومي وطفرات الحمض النووي في المعهد الملكي ، المؤسسة العلمية المرموقة في لندن.

الخليلي ومكفادين على وشك الشروع في المجموعة الأولى من الاختبارات لنظرية الطفرات الخاصة بهم. تقارن تجاربهم المقترحة سلوك جزيئات الحمض النووي العادية مع جزيئات الحمض النووي المعدلة بشكل خاص التي تم استبدال ذرات الهيدروجين بها بذرات الديوتيريوم (المعروف أيضًا باسم الهيدروجين الثقيل لأن الذرات لها نفس الخصائص الكيميائية للهيدروجين ، ولكنها تضاعف الكتلة). إذا كانوا على حق في أن الطفرات تحدث عندما تنفق ذرة الهيدروجين ميكانيكيًا الكم إلى الجانب الخطأ من سلم الحمض النووي ، فإنهم يتوقعون أن معدل الطفرات سيكون أقل بشكل ملحوظ في جزيئات الحمض النووي المعدلة ، نظرًا لأن الديوتيريوم الثقيل أقل احتمالًا نفق عبر السلم.

لكن كل هذه الاختبارات ستستغرق بضع سنوات لتصميمها وتنفيذها. من خلال مسح أشعة الليزر والمرايا الموضوعة على طاولة مختبر فارو في أكسفورد ، لاحظ أن الطريق إلى إثبات تجريبي نهائي لبيولوجيا الكم سيكون طويلًا - وهناك فرصة حقيقية جدًا لأنهم لن يثبتوا أبدًا أن التأثيرات الكمومية كامنة داخل الكائنات الحية.

يقول فارو بحزن: "هناك مخاطرة كبيرة بأننا قد نسير في الاتجاه الخاطئ". "لكن حدسي يخبرني أن هذا يستحق كل هذا العناء لأننا إذا نجحنا ، فإن المردود سيكون هائلاً: سنكون رائدين في مجال جديد."

[ظهر هذا المقال في الأصل مطبوعًا باسم & quotThis Quantum Life. & quot]


يستخدم العلماء الحمض النووي لتتبع أصول الفيروسات العملاقة

ألقى باحثون من المعهد الهندي للتكنولوجيا في بومباي الضوء على أصول Mimivirus والفيروسات العملاقة الأخرى ، مما يساعدنا على فهم أفضل لمجموعة من الأشكال البيولوجية الفريدة التي شكلت الحياة على الأرض. في أحدث دراستهم المنشورة في علم الأحياء الجزيئي والتطور ، أظهر الباحثون أن الفيروسات العملاقة ربما تكون قد أتت من سلف معقد من خلية واحدة ، مما يحافظ على آلية تكرار الحمض النووي ولكنه يفرز الجينات التي ترمز لعمليات حيوية أخرى مثل التمثيل الغذائي.

كان عام 2003 عامًا هامًا بالنسبة لعلماء الفيروسات. تم اكتشاف أول فيروس عملاق في هذا العام ، والذي هز مشهد علم الفيروسات ، ومراجعة ما كان يعتقد أنه فهم راسخ لهذه المجموعة المراوغة وتوسيع عالم الفيروس من عوامل بسيطة وصغيرة إلى أشكال معقدة مثل بعض البكتيريا. بسبب ارتباطها بالمرض والصعوبات في تحديدها - فهي كيانات بيولوجية ولكنها لا تتلاءم بشكل مريح مع شجرة الحياة الموجودة - تثير الفيروسات فضول كثير من الناس.

لطالما اهتم العلماء بكيفية تطور الفيروسات ، خاصةً عندما يتعلق الأمر بالفيروسات العملاقة التي يمكنها إنتاج فيروسات جديدة بمساعدة قليلة جدًا من المضيف - على عكس معظم الفيروسات الصغيرة ، التي تستخدم آلية المضيف للتكاثر.

على الرغم من أن الفيروسات العملاقة ليست ما يعتقده معظم الناس عندما يتعلق الأمر بالفيروسات ، إلا أنها في الواقع شائعة جدًا في المحيطات والأجسام المائية الأخرى. إنها تصيب الكائنات المائية وحيدة الخلية ولها تأثيرات كبيرة على سكان هذه الأخيرة. في الواقع ، يقترح الدكتور كيران كونداباجيل ، عالم الفيروسات الجزيئية في المعهد الهندي للتكنولوجيا (IIT) في بومباي ، "نظرًا لأن هذه الكائنات وحيدة الخلية تؤثر بشكل كبير على معدل دوران الكربون في المحيط ، فإن للفيروسات دورًا مهمًا في بيئة عالمنا. لذا ، من الأهمية بمكان دراستها وتطورها ، مثلها مثل دراسة الفيروسات المسببة للأمراض ".

يحقق العلماء في تطور فيروس Mimivirus ، أحد أكبر الفيروسات في العالم ، من خلال كيفية تكرار الحمض النووي. ألقى باحثون من المعهد الهندي للتكنولوجيا في بومباي الضوء على أصول Mimivirus والفيروسات العملاقة الأخرى ، مما يساعدنا على فهم أفضل لمجموعة من الأشكال البيولوجية الفريدة التي شكلت الحياة على الأرض. الائتمان: المعهد الهندي للتكنولوجيا بومباي

في دراسة حديثة نُشرت نتائجها في مجلة "علم الأحياء الجزيئي والتطور" ، أجرى الدكتور كونداباجيل والباحث المشارك الدكتور سوبريا باتيل سلسلة من التحليلات على الجينات والبروتينات الرئيسية المشاركة في آلية تكرار الحمض النووي لفيروس ميميفيروس ، وهو الأول مجموعة من الفيروسات العملاقة التي سيتم التعرف عليها. كانوا يهدفون إلى تحديد أي من الاقتراحين الرئيسيين فيما يتعلق بتطور Mimivirus - الحد والفرضية الأولى للفيروس - كانت أكثر دعمًا من خلال نتائجهم. تشير فرضية الاختزال إلى أن الفيروسات العملاقة نشأت من كائنات وحيدة الخلية وأطلقت الجينات بمرور الوقت ، وتشير الفرضية الأولى للفيروس إلى أنها كانت موجودة قبل الكائنات وحيدة الخلية واكتسبت الجينات بدلاً من ذلك.

قام كل من الدكتور كونداباجيل والدكتور باتيل بإنشاء أشجار النشوء والتطور مع بروتينات النسخ المتماثل ووجدوا أن تلك الموجودة في فيروس ميميفيروس كانت أكثر ارتباطًا بحقيقيات النوى أكثر من ارتباطها بالبكتيريا أو الفيروسات الصغيرة. بالإضافة إلى ذلك ، استخدموا تقنية تسمى التحجيم متعدد الأبعاد لتحديد مدى تشابه بروتينات Mimiviral. قد يشير التشابه الأكبر إلى أن البروتينات قد تطورت معًا ، مما يعني أنها مرتبطة ببعضها البعض في مجمع بروتين أكبر بوظيفة منسقة. وبالفعل ، أظهرت نتائجهم تشابهًا أكبر. أخيرًا ، أظهر الباحثون أن الجينات المتعلقة بتكاثر الحمض النووي تشبه وتندرج تحت الانتقاء المنقي ، وهو الانتقاء الطبيعي الذي يزيل المتغيرات الجينية الضارة ، ويقيد الجينات ويمنع تسلسلها من التغير. تحدث هذه الظاهرة عادةً عندما تشارك الجينات في وظائف أساسية (مثل تكرار الحمض النووي) في الكائن الحي.

مجتمعة ، تشير هذه النتائج إلى أن آلية تكرار الحمض النووي Mimiviral قديمة وتطورت على مدى فترة طويلة من الزمن. هذا يضيقنا إلى فرضية الاختزال ، والتي تشير إلى أن آلية تكرار الحمض النووي كانت موجودة بالفعل في سلف أحادي الخلية ، وأن الفيروسات العملاقة قد تشكلت بعد التخلص من الهياكل الأخرى في السلف ، ولم يتبق سوى أجزاء مرتبطة بالنسخ المتماثل من الجينوم.

يقول الدكتور كونداباجيل: "النتائج التي توصلنا إليها مثيرة للغاية لأنها توضح كيفية تطور الحياة على الأرض". "نظرًا لأن هذه الفيروسات العملاقة ربما تسبق تنوع السلف وحيد الخلية إلى البكتيريا والعتائق وحقيقيات النوى ، كان ينبغي أن يكون لها تأثير كبير على المسار التطوري اللاحق لحقيقيات النوى ، التي هي مضيفيها."

فيما يتعلق بالتطبيقات التي تتجاوز هذه المساهمة في المعرفة العلمية الأساسية ، يشعر الدكتور كونداباجيل أن عملهم يمكن أن يضع الأساس للبحث المترجم في تكنولوجيا مثل الهندسة الوراثية وتكنولوجيا النانو. يقول ، "إن الفهم المتزايد للآليات التي تنسخ بها الفيروسات نفسها وتجمعها ذاتيًا يعني أنه يمكننا تعديل هذه الفيروسات لتكرار الجينات التي نريدها أو إنشاء روبوتات نانوية بناءً على كيفية عمل الفيروسات. الاحتمالات بعيدة المدى! "

المرجع: & # 8220 التحليل التطوري والتطور لآلات النسخ المتماثل Mimiviral يقترح الأصل الخلوي للفيروسات Mimivirus & # 8221 بواسطة Supriya Patil و Kiran Kondabagil ، 11 فبراير 2021 ، علم الأحياء الجزيئي والتطور.
DOI: 10.1093 / molbev / msab003


مفترق طرق العلوم

كما يوحي الاسم ، فإن المعلوماتية الحيوية هي علم يتضمن أجزاء من علم الأحياء وعلم البيانات (أي المعلوماتية). يؤثر علم البيانات على تقدم العمليات ودقتها في المجالات من ألعاب الفيديو إلى الطب وكل شيء بينهما ، وعند اقتران قدرات التحليل لعلوم البيانات بقدرات البحث والتطوير في مجال مثل علم الأحياء ، يمكن فعل الكثير من الخير في فترة زمنية قصيرة.

بالنسبة لشيء مثل COVID-19 ، على سبيل المثال ، أدت دراسة الأوبئة المندمجة مع دراسة المعلومات إلى تزاوج علم الأوبئة والإحصاء الحيوي الذي ساعد في إبلاغ الأبحاث حول إنشاء اللقاحات ، وكذلك توزيعها بكفاءة. المعلوماتية الحيوية هي زواج مشابه ، حيث تكون البيولوجيا هي العلم والمعلوماتية هي تحليل البيانات.


فك الشفرة الوراثية

مُخصص في 12 نوفمبر 2009 ، في المعاهد الوطنية للصحة في بيثيسدا ، ماريلاند.

يتكون الحمض النووي من لغة كود تتكون من أربعة أحرف تشكل ما يعرف باسم الكودونات ، أو الكلمات ، كل ثلاثة أحرف طويلة. كان تفسير لغة الشفرة الجينية من عمل مارشال نيرنبرغ وزملائه في المعاهد الوطنية للصحة. مهد عملهم الدقيق ، الذي تم إجراؤه في الستينيات ، الطريق لتفسير تسلسل الجينوم البشري بأكمله.

محتويات

علم الوراثة الحديث: راهب ولولب مزدوج

يبدأ علم الوراثة الحديث مع راهب أوغسطيني غامض يدرس وراثة الصفات المختلفة في نباتات البازلاء. كشفت قوانين الوراثة لجريجور مندل عن احتمالات انتقال السمات السائدة والمتنحية من جيل إلى جيل. تلقى بحث مندل القليل من التقدير في حياته. تم التعرف على أهمية قوانين مندل فقط في أوائل القرن العشرين.

مع إعادة الاكتشاف هذه ، ظهر الاهتمام بكيفية نقل المعلومات الجينية. أظهر أوزوالد أفيري ، عالم الجراثيم في معهد روكفلر بنيويورك ، أن الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين ينتج تغيرات وراثية. لم يلق هذا الاكتشاف استحسانًا: كيف يمكن للحمض النووي ، وهو مادة تحتوي فقط على أربع وحدات بناء نيوكليوتيد مختلفة ، تخزين المعلومات الجينية؟ اكتشف آخرون أن الحمض النووي يختلف من نوع لآخر. ثم ، في عام 1953 ، قام جيمس واتسون وفرانسيس كريك في جامعة كامبريدج بتزويد العالم العلمي بالكهرباء بنموذج الحمض النووي ، الحلزون المزدوج. أدرك واتسون وكريك أن الخيط المزدوج قد يسمح بالنسخ المتماثل.

كيف يمكن للحمض النووي ، وهو عبارة عن حلزون مزدوج يتكون من أربعة نيوكليوتيدات مختلفة فقط ، تحديد تكوين الإنزيمات (البروتينات) ، سلاسل الببتيد الطويلة المكونة من عشرين حمضًا أمينيًا مختلفًا؟ كان السباق لاكتشاف الشفرة الجينية التي تترجم معلومات الحمض النووي إلى بروتينات جارية. لتحفيز المطاردة ، نظم عالم الفيزياء النظرية جورج جامو "RNA Tie Club" المكون من عشرين عضوًا: ارتدى الأعضاء روابط مع رمز أحد الأحماض الأمينية العشرين. تبادل الأعضاء الأفكار حول كيفية نقل الحمض النووي للمعلومات.

العالم الذي فاز بالسباق لم يكن عضوًا في "النادي".

اعتقدت أنه إذا كنت سأعمل بجد ، فقد أستمتع أيضًا وبالمتعة أعني أنني أردت استكشاف مشكلة مهمة وأردت اكتشاف الأشياء ".
- مقابلة مع مارشال نيرنبرغ ، 15 تموز (يوليو) 2009.

بدايات مسيرة مارشال نيرنبرغ

حصل مارشال نيرنبرغ على درجة الدكتوراه. حصل على درجة الدكتوراه في الكيمياء البيولوجية من جامعة ميتشيغان مع أطروحة حول آلية امتصاص السكر في الخلايا السرطانية. واصل هذا البحث كزميل ما بعد الدكتوراه في المعاهد الوطنية للصحة. في عام 1959 ، انضم إلى فريق عمل المعاهد الوطنية للصحة كباحث في الكيمياء الحيوية.

فكر نيرنبرغ في ما يريد أن يدرسه كمحقق مستقل. قال في عام 2009: "في ذلك الوقت ، كانت آلية تخليق البروتين معروفة بشكل غير كامل ولم يتم اكتشاف مرسال الحمض النووي الريبي." *

كان الهدف الأولي لنيرينبيرج هو تحديد ما إذا كان الحمض النووي الريبي أو الحمض النووي الريبي (الحمض النووي الريبي) ، المنسوخ من الحمض النووي ، هو القالب لتخليق البروتين. لكن نيرنبرغ لم يتلق أي تدريب رسمي في علم الوراثة الجزيئية ، وكان يعلم "أن هذا كان مشروعًا محفوفًا بالمخاطر بشكل لا يُصدق ، لأنك عندما تتولى منصبك الأول ، فأنت تريد أن تنطلق وتثبت أنك عالم منتج." مع عدم وجود خبرة في هذا المجال ، وعدم وجود موظفين في البداية ، وفي سباق ضد أفضل العلماء ، أدرك نيرنبرغ أنه "يمكن أن يفشل بسهولة".

* هذه الاقتباسات اللاحقة ، ما لم يشير النص بشكل مختلف ، مأخوذة من مقابلة أجراها جوداه جينسبيرج ومارشال نيرنبرغ ، أجريت في مختبره في حرم المعاهد الوطنية للصحة في 15 يوليو 2009.

تجارب مع الحمض النووي الريبي التركيبي

بدأ Nirenberg و Heinrich Matthaei ، زميل ما بعد الدكتوراه من ألمانيا ، تجاربهما من خلال دراسة جزيء خطي طويل DNA و RNA. في الحمض النووي ، النيوكليوتيدات هي الأدينين (A) ، الجوانين (G) ، السيتوزين (C) والثايمين (T) في الحمض النووي الريبي ، اليوراسيل (U) ، يحل محل الثايمين.

لقد اختاروا بيئة خالية من الخلايا ، تم إنشاؤها عندما تتكسر جدران الخلايا ، ويطلقون محتويات الخلية. لا يزال بإمكان السيتوبلازم المتبقي تصنيع البروتين عند إضافة الحمض النووي الريبي ، مما يسمح للباحثين بتصميم تجارب لتحديد كيفية عمل الحمض النووي الريبي بدون العمليات البيولوجية المعقدة التي يمكن أن تحجب النشاط الجزيئي.

تم اختيار Nirenberg و Matthaei بكتريا قولونية الخلايا البكتيرية كمصدر للسيتوبلازم. أضافوا ال بكتريا قولونية استخراج 20 أنبوب اختبار ، يحتوي كل منها على خليط من جميع الأحماض الأمينية العشرين. في كل أنبوب اختبار ، تم تمييز حمض أميني إشعاعيًا ، واحدًا مختلفًا في كل أنبوب اختبار. يمكن أن يتبع التفاعل مراقبة النشاط الإشعاعي: إن دمج حمض أميني "ساخن" سيشكل بروتينًا "ساخنًا".

كسر الكود الجيني: تجربة "poly-U"

3:00 صباحًا ، 27 مايو 1961 ، يوم سبت: أضاف Matthaei الحمض النووي الريبي الاصطناعي المصنوع من وحدات اليوراسيل فقط لكل أنبوب من أنابيب الاختبار العشرين ، ووجد نشاطًا غير عادي في أحد الأنابيب التي تحتوي على فينيل ألانين. توضح النتيجة المذهلة أن سلسلة من وحدات اليوراسيل في الأنبوب "الساخن" أمرت بإضافة الحمض الأميني "الساخن".

فهم نيرنبرغ وماثاي ما حدث: الحمض النووي الريبي الاصطناعي المكون من سلسلة من وحدات متعددة من اليوراسيل أمر سلسلة من الأحماض الأمينية بإضافة فينيل ألانين. كانت سلسلة اليوراسيل (poly-U) بمثابة رسول يوجه تخليق البروتين. على الرغم من أن السؤال عن عدد وحدات U المطلوبة لم تتم الإجابة عليه بعد ، فقد أثبتت التجربة أن الرنا المرسال ينسخ المعلومات الجينية من الحمض النووي ، ويوجه تجميع الأحماض الأمينية إلى بروتينات معقدة. تم اكتشاف مفتاح كسر الشفرة الجينية - حجر رشيد في البيولوجيا الجزيئية.

قدم Nirenberg تجربته الناجحة poly-U في مؤتمر الكيمياء الحيوية الدولي الذي عقد في موسكو في أغسطس ، بعد بضعة أشهر. كان على دراية تامة بوضعه الخارجي: "لم أكن أعرف الناس في البيولوجيا الجزيئية ... لم أكن أعرف أي شخص في تركيب البروتين ... كنت أعمل بمفردي." قد يفسر هذا سبب حضور 35 شخصًا فقط حديثه ولماذا "مات الجمهور تمامًا".

لكن في واحدة من تلك الأحداث المصادفة التي غيّرت كل شيء ، التقى نيرنبرغ مع واتسون في اليوم السابق وأخبر شريك اكتشاف الحلزون المزدوج عن نتائجه. كان واطسون متشككًا في ادعاءات نيرنبرغ ، لكنه أقنع زميلًا له بحضور الورقة عندما أفاد الزميل أن نتائج نيرنبرغ كانت حقيقية ، كما أخبر واتسون كريك الذي رتب لنيرينبرغ أن يقدم ورقته البحثية مرة أخرى ، هذه المرة في ندوة كبيرة حول الأحماض النووية في نفس المؤتمر. يتذكر نيرنبرغ: "كان رد الفعل مذهلاً". "لقد كان تصفيق حار ... لم أكن أعرف ذلك حينها ، لكن خلال السنوات الخمس التالية أصبحت مثل نجم موسيقى الروك العلمي."

بعد أن "كسر" نيرنبرغ وماثاي "الكلمة" الأولى من الشفرة الجينية ، تسابق العلماء لترجمة كلمات الشفرة الفريدة لكل حمض أميني على أمل قراءة الشفرة الجينية للكائنات الحية يومًا ما. قام Nirenberg بتجميع فريق من حوالي عشرين باحثًا وفنيًا.

باستخدام تجربة poly-U كنموذج ، حدد Nirenberg وزملاؤه تركيبات النوكليوتيدات لدمج الأحماض الأمينية الأخرى. وجد الباحثون أن وحدات ترميز الأحماض الأمينية تحتوي على ثلاثة نيوكليوتيدات (ثلاثية). أسفر الجمع بين أربعة نيوكليوتيدات في أكواد من ثلاثة أحرف عن 64 توليفة ممكنة (4 × 4 × 4) ، كافية لوصف 20 من الأحماض الأمينية.

اكتشفوا رموز الأحماض الأمينية الأخرى: على سبيل المثال ، AAA لليسين و CCC للبرولين. أدى استبدال وحدة واحدة من الكود الثلاثي مع نيوكليوتيد آخر إلى إنتاج حمض أميني مختلف ، على سبيل المثال ، تسبب الحمض النووي الريبي الاصطناعي الذي يحتوي على وحدة واحدة من الجوانين واثنين من اليوراسيل (كلمة السر: GUU) في دمج حمض أميني.

في عام 1964 ، اكتشف نيرنبرغ وفيليب ليدر ، زميل ما بعد الدكتوراه في المعاهد الوطنية للصحة ، طريقة لتحديد تسلسل الأحرف في كل كلمة ثلاثية للأحماض الأمينية. بحلول عام 1966 ، كان Nirenberg قد فك شفرة 64 كلمة من ثلاثة أحرف من RNA (الكودونات) لجميع الأحماض الأمينية العشرين. أصبحت لغة الحمض النووي مفهومة الآن ويمكن التعبير عن الشفرة في مخطط.

جائزة نوبل وردود الفعل

في عام 1968 ، فاز نيرنبرغ بجائزة نوبل في علم وظائف الأعضاء أو الطب عن عمله الأساسي في الشفرة الوراثية. تقاسم الجائزة مع Har Gobind Khorana (جامعة ويسكونسن) ، الذي أتقن تخليق الأحماض النووية ، وروبرت هولي (جامعة كورنيل) ، الذي اكتشف التركيب الكيميائي للحمض النووي الريبي الانتقالي. بشكل جماعي ، تم التعرف على الثلاثة "لتفسيرهم للشفرة الجينية ووظيفتها في تخليق البروتين. & quot

يصف نيرنبرغ الاحتفالات التي أحاطت بجائزة نوبل بأنها "أسبوع من الحفلات". ومع ذلك ، ليس كل الأطراف تمامًا ، لأن قواعد نوبل تتطلب من المستلمين كتابة مقالة مراجعة. كان هذا بمثابة تحدٍ لنيرينبيرج ، الذي حول اهتمامه البحثي إلى علم الأعصاب. "لقد وجدت أنه من الصعب للغاية ،" اعترف لاحقًا ، "الانفصال عن البيولوجيا العصبية والعودة إلى الأحماض النووية."

بصفته حائزًا على جائزة نوبل ، تلقى Nirenberg العديد من العروض الجامعية التي تضمنت رواتب أعلى ومساحة أكبر للمختبر وطاقم عمل أكبر. لقد رفضهم جميعًا ، مفضلاً أن يقضي بقية حياته المهنية في المعاهد الوطنية للصحة. يقول: "سبب بقائي هو أن الشيء الأقل لدي هو الوقت. اعتقدت أنه إذا ذهبت إلى جامعة سأستخدم ثلث وقتي لكتابة المنح ... اعتقدت أنه يمكنني استخدام هذا الوقت بشكل أكثر إنتاجية من خلال إجراء التجارب ".

في عام 1961 اوقات نيويورك، مرددًا ما قاله الرئيس كينيدي ، أن أبحاث نيرنبرغ أظهرت أن علم الأحياء "قد وصل إلى آفاق جديدة". اقترح أحد الصحفيين أن أكبر قصة إخبارية لهذا العام لم تكن رائد الفضاء الروسي يوري غاغارين الذي يدور حول الأرض ولكن تكسير الشفرة الجينية.

أثار فك الشفرة الجينية مخاوف أخلاقية بشأن إمكانات الهندسة الوراثية. تناول نيرنبرغ هذه المخاوف في افتتاحية شهيرة في علم في أغسطس 1967 ، مع ملاحظة "أن الإنسان قد يكون قادرًا على برمجة خلاياه" قبل أن "يمتلك الحكمة الكافية لاستخدام هذه المعرفة لصالح البشرية ... [د] يجب أن يتخذ المجتمع قرارات تتعلق بتطبيق هذه المعرفة ، و فقط المجتمع المستنير يمكنه اتخاذ مثل هذه القرارات بحكمة ". عندما سئل بعد عدة عقود عما إذا كان المجتمع قد تصرف "بحكمة" فيما يتعلق بالهندسة الوراثية ، أجاب نيرنبرغ ، "بالتأكيد!"


شاهد الفيديو: ما هو الحمض النووي DNA وكيف يعمل شرح بسيط وعلمي (يوليو 2022).


تعليقات:

  1. Zulkizragore

    على ما يبدو ليس القدر.

  2. Auhert

    موضوع ترفيهي

  3. Nentres

    العبارة الممتازة وفي الوقت المناسب

  4. Goltikus

    الموهبة

  5. Hardin

    انت مخطئ. نحن بحاجة إلى مناقشة. اكتب لي في PM ، إنه يتحدث إليك.

  6. Betlic

    عبارة رائعة ومفيدة جدا

  7. Jessee

    حصريًا رأيك



اكتب رسالة