صنّاعة خلايا الحمض النووي الاصطناعي باستخدام شريحة إلكترونية

اختيار وإعداد أبوذر الجبوري – ت: من اليابانية أكد الجبوري

لطالما شكّلت رقائق السيليكون حجر الزاوية في الحوسبة الحديثة لعقود. إلا أن فريقًا دوليًا من الباحثين بقيادة جامعة هارفارد قد خصص لها دورًا جديدًا تمامًا في مجال التقنية الحيوية. فإلى جانب معالجة المعلومات الرقمية، تُستخدم هذه المكونات بشكل متزايد لدراسة الأنظمة الحية. في الواقع، نجح العلماء في تحويل شريحة سيليكون إلى مصنع صغير قادر على كتابة تسلسلات الحمض النووي في آنٍ واحد.

يُغني هذا الإنجاز التقني عن العمليات الكيميائية التقليدية القائمة على المذيبات العضوية الخطرة التي تُهيمن على الصناعة الحالية. فبدلًا من ذلك، يستخدم الجهاز الجديد نهجًا إنزيميًا مائيًا مُقترنًا بتيارات كهربائية مُتحكّم بها بدقة. وبهذه الطريقة، تُفعّل النبضات الكهربائية تفاعلات بناء المادة الوراثية في مواقع مُحددة على سطح الشريحة. لذا، يُمثل هذا الابتكار خطوة هامة نحو تصنيع مواد بيولوجية أنظف وأكثر أمانًا.

قاد البحث دوني هام (1974-)()، أستاذ الهندسة والعلوم التطبيقية في كلية بولسون للدوائر المتكاملة، والواجهات العصبية/الإلكترونية الحيوية، والذكاء الاصطناعي بجامعة هارفارد. يُعدّ الحمض النووي الاصطناعي ضروريًا للعديد من مجالات العلوم المعاصرة، بما في ذلك تشخيص الأمراض، والهندسة الجينية، وأبحاث السرطان. حاليًا، يُنتَج معظم الحمض النووي المُخصَّص باستخدام منهجية كيميائية راسخة في مرافق مركزية. مع ذلك، تعتمد هذه الطريقة التقليدية على استخدام مذيبات سامة، مما يحدّ من سهولة نقلها واستدامتها البيئية.

لهذا السبب، استكشف العلماء التخليق الإنزيمي كبديل أكثر ملاءمةً للبيئة. تُحاكي هذه العملية بشكلٍ أدقّ الطريقة التي تُنشئ بها الخلايا الحية شفرتها الوراثية بشكلٍ طبيعي. وبالتالي، تفتح هذه التقنية المجال لتطوير أنظمة تخليق الحمض النووي أصغر حجمًا وأكثر سهولةً في الاستخدام. حتى الآن، لم تتمكن التجارب السابقة لهذا النهج الإنزيمي إلا من توليد اثنتي عشرة سلسلة بيولوجية في وقتٍ واحد.

نجحت الشريحة التي طوّرها فريق جامعة هارفارد في تخليق 64 سلسلة حمض نووي مختلفة بالتوازي. بلغ طول كل سلسلة من هذه السلاسل 39 نيوكليوتيدًا، مما يُمثّل إنجازًا جديدًا في هذا المجال. ولتحقيق ذلك، كان على الباحثين التحكم بدقة في مستوى حموضة الماء المحيط بالشريحة. تتطلب عملية التجميع إضافة نيوكليوتيد واحد في كل مرة، مما يؤدي إلى إيقاف نمو السلسلة مؤقتًا حتى الدورة التالية.

لذا، يتطلب إزالة هذا الإيقاف المؤقت توليد بيئة حمضية فقط في نقاط محددة على السطح. تحقق شريحة أشباه الموصلات هذه الانتقائية المكانية باستخدام تيارات كهربائية دقيقة تُحقن في 64 موقعًا تركيبيًا مستقلًا. يحتوي كل موقع على قطبين كهربائيين دائريين متحدي المركز يحيطان بجزيئات الحمض النووي المثبتة في المركز. بينما يُولّد القطب الداخلي بروتونات لخفض الرقم الهيدروجيني الموضعي، يزيل القطب الخارجي البروتونات الزائدة لمنع انتشار الحموضة.

ومن المثير للاهتمام أن الشريحة المستخدمة في هذه التجربة لم تُصمم في الأصل لتصنيع المادة الوراثية. طُوّرت التقنية الإلكترونية الأساسية في البداية على يد جيفري أبوت لتسجيل النشاط الكهربائي داخل مجموعات كبيرة من الخلايا العصبية. بعد إعادة تصميم الأقطاب الكهربائية السطحية، اكتشف العلماء أن التحكم في التيار الذي كان يُستخدم سابقًا لفتح أغشية الخلايا يمكن استخدامه للتلاعب بالجزيئات. وهكذا، أعادوا توجيه دقة الدوائر الإلكترونية من علم الأعصاب إلى الكيمياء التركيبية بنتائج واعدة للغاية.

كإثبات عملي لقدرات النظام، استخدم الفريق 64 تسلسلًا مُصنّعًا لترميز نصٍّ بحجم 169 بايت(). يُشير هذا الإنجاز إلى أن تخزين البيانات القائم على الحمض النووي قد يكون تطبيقًا عمليًا طويل الأمد. في الوقت نفسه، سيُقلّل استخدام المذيبات العضوية بشكل كبير من الأثر البيئي في حال الإنتاج بكميات كبيرة. في الواقع، سيتطلّب التخزين الهائل للمعلومات الرقمية إنتاجًا للحمض النووي يفوق بكثير الاحتياجات البيولوجية الحالية.

مع ذلك، واجه الباحثون عقبة غير متوقعة عند محاولتهم زيادة كثافة مواقع التخليق. فعند تصنيع رقائق بنقاط تفاعل متقاربة، فشلت تجربة التوسع الفوري. ومع ذلك، لم يكن الفشل ناتجًا عن قصور في السيليكون، إذ حافظت الأقطاب الكهربائية على تحكم ممتاز في درجة الحموضة. بل إن المشكلة تكمن في طبيعة التفاعل الكيميائي المستخدم لفك تشفير نمو الحمض النووي.

تُنتج الحموضة الموضعية جزيئات وسيطة تُنفذ عملية فك التشفير، لكن هذه المواد تميل إلى الانجراف نحو المواقع المجاورة. يُقلل هذا الانجراف من الفصل الفعال بين التفاعلات الكيميائية، مما يُعيق عمل سلاسل المادة الوراثية المتجاورة. لذا، ستكون الخطوة الحاسمة التالية للمجتمع العلمي هي تطوير كيمياء إزالة الحماية المباشرة القائمة على الأحماض. وحده التطور في التفاعلات الكيميائية كفيل بمواكبة التصغير الذي تُوفره تقنية أشباه الموصلات.

انبثق هذا المشروع الابتكاري في مجال التقنية الحيوية من تعاون وثيق بين باحثين في جامعة هارفارد، ومعهد برود، وشركة (دي أن آي سكريبت). يُبرز هذا العمل كيف يمكن للأدوات المفاهيمية لأحد التخصصات أن تتجاوز قيود تخصص آخر، شريطة توفر المرونة المنهجية. فمن خلال دمج هندسة أشباه الموصلات مع البيولوجيا الجزيئية، لا يقتصر دور العلم على تحسين إنتاج المستلزمات الطبية فحسب، بل يتعداه إلى تحويل المكونات الإلكترونية الخاملة إلى منصات تفاعلية قادرة على التواصل المباشر مع العناصر الأساسية للحياة.

يثير هذا الاكتشاف تساؤلات عميقة حول حدود التقارب بين التكنولوجيا الرقمية والأنظمة العضوية. فإذا استطاع السيليكون أن يتعلم كتابة الحياة بسهولة تضاهي سهولة معالجته للبيانات الرقمية، فإن آفاق الحوسبة ستتوسع بشكل هائل. إن البحث المستمر عن أساليب أنظف وأكثر كفاءة لإدارة المعلومات يضعنا أمام أفق استكشافي رائع. وفي نهاية المطاف، تواصل البشرية إعادة تصميم أدواتها التقنية في محاولة لفهم تعقيد العالم الطبيعي ومحاكاته.
ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
Copyright © 2026
المكان والتاريخ: أوكسفورد . المملكة المتحدة ـ 07/31/26