مالاریا یکی از قدیمی‌ترین و کشنده‌ترین بیماری‌های عفونی شناخته‌شده برای بشر است که در طول تاریخ همواره جان میلیون‌ها انسان را گرفته و همچنان نیز می‌گیرد. این بیماری توسط انگل‌های تک‌سلولی از جنس پلاسمودیوم ایجاد می‌شود که توسط پشه‌های ماده آنوفل به انسان منتقل می‌شوند. بر اساس گزارش‌های سازمان جهانی بهداشت، سالانه حدود ششصد هزار نفر بر اثر ابتلا به مالاریا جان خود را از دست می‌دهند و بیشتر قربانیان را کودکان زیر پنج سال و زنان باردار در مناطق فقیرنشین آفریقا، آسیای جنوبی و آمریکای جنوبی تشکیل می‌دهند. اگرچه تلاش‌های گسترده بین‌المللی برای کنترل این بیماری در دهه‌های گذشته موفق به کاهش چشمگیر موارد ابتلا و مرگ‌ومیر شده است، اما این پیشرفت در سال‌های اخیر متوقف شده و حتی در برخی مناطق شاهد افزایش موارد بوده‌ایم. ظهور و گسترش مقاومت دارویی در انگل‌های مالاریا، به‌ویژه مقاومت به آرتمیزینین که مؤثرترین داروی درمان این بیماری محسوب می‌شود، تهدیدی جدی برای دستاوردهای گذشته به شمار می‌رود. دو واکسن تأییدشده نیز اگرچه پیشرفت مهمی در تاریخ مبارزه با مالاریا هستند، اما نیازمند چند دوز تزریق هستند و اثربخشی ایمنی آن‌ها هنوز به سطح مطلوب نرسیده است.

یکی از موانع اصلی در مسیر توسعه داروها و واکسن‌های جدید، کمبود دانش پایه درباره زیست‌شناسی انگل مالاریا است. برخلاف بسیاری از موجودات مدل که به‌طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته‌اند، اطلاعات ما درباره عملکرد ژن‌های این انگل بسیار محدود است. تنها حدود یک‌سوم از ژن‌های انگل مالاریا عملکرد مشخص و تأییدشده‌ای دارند و بخش قابل توجهی از آن‌ها یا عملکردی فرضی و بر پایه شباهت‌های دور دارند یا کاملاً ناشناخته باقی مانده‌اند. این شکاف دانش تا حد زیادی ناشی از کمبود ابزارهای مولکولی مناسب برای مطالعه عملکرد ژن‌ها در این انگل است. برخلاف سلول‌های پستانداران که در آن‌ها روش‌هایی مانند RNA interference برای خاموش کردن ژن‌ها به‌طور معمول استفاده می‌شود، انگل مالاریا فاقد ماشین RNA interference طبیعی است. همچنین، ژنوم این انگل به‌شدت غنی از بازهای آدنین و تیمین است و سیستم ترمیم DNA غیرهمولوگ در آن وجود ندارد، که دستکاری ژنتیکی دقیق را بسیار دشوار می‌کند. این چالش‌ها باعث شده‌اند که پژوهشگران به دنبال راه‌حل‌های خلاقانه از حوزه‌های نوین مانند زیست‌شناسی مصنوعی باشند.

زیست‌شناسی مصنوعی رویکردی میان‌رشته‌ای است که در آن قطعات ژنتیکی از موجودات مختلف، مانند باکتری‌ها، به‌عنوان ابزارهای قابل برنامه‌ریزی برای کنترل رفتار سلول‌ها استفاده می‌شوند. یکی از این ابزارها، پروتئین‌های بازدارنده باکتریایی هستند که می‌توانند به توالی‌های خاصی از DNA متصل شوند و فرآیند رونویسی ژن را متوقف کنند. این اتصال اغلب با افزودن یک مولکول کوچک القاکننده قابل کنترل است، به این معنا که در غیاب مولکول القاکننده، پروتئین بازدارنده به DNA متصل می‌شود و رونویسی را متوقف می‌کند، و در حضور مولکول القاکننده، اتصال قطع شده و رونویسی از سر گرفته می‌شود. در این پژوهش، دو سیستم کنترل رونویسی بر پایه این پروتئین‌ها برای انگل مالاریا طراحی و ساخته شده است: یکی بر پایه پروتئین TetR که با مولکول aTc القا می‌شود و دیگری بر پایه پروتئین LacI که با مولکول IPTG القا می‌شود. این سیستم‌ها با قرار دادن آرایه‌هایی از توالی‌های اتصال این پروتئین‌ها در نزدیکی ژن هدف، امکان خاموش و روشن کردن رونویسی ژن را به‌صورت قابل تنظیم و برگشت‌پذیر فراهم می‌کنند.

سیستم مبتنی بر TetR در ابتدا تنها حدود پنج برابر تغییر در بیان ژن ایجاد می‌کرد، اما با مهندسی دقیق‌تر، از جمله افزودن یک سیگنال ورود به هسته و تنظیم سطح بیان پروتئین بازدارنده، این میزان به حدود بیست برابر بهبود یافت. این سیستم در مراحل پایانی چرخه زندگی انگل در گلبول‌های قرمز خون به‌خوبی عمل می‌کند، اما در مراحل حلقوی اولیه اثربخشی کمتری دارد. در مقابل، سیستم مبتنی بر LacI عملکرد بسیار قوی‌تری از خود نشان داد و توانست تغییر بیان ژن را بین دویست تا هشتصد برابر در مراحل مختلف چرخه زندگی انگل ایجاد کند. این سیستم نه تنها قوی‌ترین ابزار کنترل بیان ژن در انگل مالاریا تا به امروز است، بلکه از تمام سیستم‌های مشابه در سایر موجودات نیز پیشی گرفته است. نکته مهم دیگر آن است که این دو سیستم از مولکول‌های القاکننده متفاوتی استفاده می‌کنند و بنابراین می‌توانند به‌طور همزمان و مستقل از یکدیگر برای کنترل چند ژن به کار روند، که این ویژگی برای مطالعه تعاملات بین ژن‌ها و ساخت مدارهای ژنتیکی پیچیده بسیار ارزشمند است.

علاوه بر توسعه این ابزارها، یک نرم‌افزار رایانه‌ای به نام GeneTargeter طراحی شده است که فرآیند ساخت سازه‌های DNA برای ویرایش ژنوم انگل مالاریا را به‌طور خودکار انجام می‌دهد. این نرم‌افزار با دریافت توالی ژن هدف، بهترین RNA راهنما برای برش DNA، نواحی هومولوگ برای ترمیم و توالی‌های مورد نیاز برای مونتاژ سازه را طراحی می‌کند. این ابزار امکان طراحی در مقیاس ژنوم کامل را فراهم می‌کند و سرعت و دقت پژوهش‌های ژنتیکی را به‌طور قابل توجهی افزایش می‌دهد. نرم‌افزار مذکور به‌صورت رایگان در دسترس پژوهشگران سراسر جهان قرار گرفته و در کشورهای مختلف از جمله کانادا، بریتانیا، عربستان سعودی و ایالات متحده مورد استفاده قرار می‌گیرد. این ابزار نقش کلیدی در تسریع کشف عملکرد ژن‌های ناشناخته انگل مالاریا ایفا می‌کند و امکان طراحی سازه‌های ژنتیکی برای اهداف مختلف از جمله خاموش کردن ژن‌ها، برچسب‌گذاری پروتئین‌ها و ایجاد جهش‌های هدفمند را فراهم می‌سازد.

در بخش کاربردی این پژوهش، از سیستم کنترل رونویسی مبتنی بر LacI برای خاموش کردن دو ژن مهم انگل به نام‌های PI3K و PI4K استفاده شده است. این دو ژن آنزیم‌هایی را کد می‌کنند که در فرآیندهای حیاتی مانند جذب هموگلوبین و تقسیم سلولی نقش دارند. پیش از این، تلاش‌ها برای خاموش کردن این ژن‌ها با روش‌های دیگر موفق نبود، اما سیستم جدید توانست به‌طور قطعی ضروری بودن آن‌ها را برای بقای انگل نشان دهد. خاموش کردن این ژن‌ها باعث توقف رشد و مرگ انگل شد. سپس از این انگل‌های دستکاری‌شده برای تأیید تعامل بین این ژن‌ها و ترکیبات دارویی خاص استفاده شد. نتایج نشان داد که داروی ورتمننین به‌طور اختصاصی PI3K را هدف قرار می‌دهد و دو ترکیب دیگر به نام‌های KDU691 و MMV390048 به‌طور اختصاصی PI4K را هدف می‌گیرند. این آزمایش‌ها نشان می‌دهند که سیستم کنترل رونویسی جدید می‌تواند در کشف اهداف مولکولی داروهای ضد مالاریا نقش مؤثری ایفا کند و فرآیند توسعه داروهای جدید را تسریع بخشد.

در نهایت، از این فناوری برای مطالعه ژن Kelch13 استفاده شد که نقش محوری در مقاومت به داروی آرتمیزینین دارد. برخلاف روش‌های پیشین، سیستم کنترل رونویسی مبتنی بر LacI قابل برگشت است و می‌توان بیان ژن را به‌صورت موقت خاموش و سپس دوباره روشن کرد. با خاموش کردن موقت Kelch13 و سپس اعمال یک پالس کوتاه از داروی دی‌هیدروآرتمیزینین، مشخص شد که انگل‌های فاقد این ژن در برابر دارو مقاوم‌تر هستند و درصد بیشتری از آن‌ها زنده می‌مانند. این یافته با آنچه در مورد مقاومت به آرتمیزینین در طبیعت می‌دانیم همخوانی دارد، زیرا در انگل‌های مقاوم به آرتمیزینین نیز اختلال در عملکرد Kelch13 منجر به کاهش جذب هموگلوبین و در نتیجه کاهش فعال‌سازی دارو می‌شود. این پژوهش نشان می‌دهد که ابزارهای توسعه‌یافته نه تنها برای مطالعه عملکرد ژن‌ها، بلکه برای درک مکانیسم‌های مقاومت دارویی و کشف اهداف جدید درمانی نیز بسیار ارزشمند هستند. این فناوری‌ها افق‌های تازه‌ای را برای مهندسی انگل مالاریا، طراحی مدارهای ژنتیکی پیچیده، ساخت واکسن‌های زنده تخفیف‌یافته و توسعه راهکارهای نوین مبارزه با این بیماری باز می‌کنند و می‌توانند در آینده به سایر انگل‌های مشابه و حتی سلول‌های انسانی نیز تعمیم یابند.

وقتی باکتری‌ها به نجات انسان می‌آیند: داستان کنترل ژن در انگل مالاریا

تصور کنید یک بیماری وجود دارد که هر سال حدود نیم میلیون نفر را می‌کشد، اما دانشمندان هنوز نمی‌توانند به‌راحتی ژن‌های آن را خاموش و روشن کنند تا بفهمند کدام ژن چه کاری انجام می‌دهد. این دقیقاً وضعیتی است که دهه‌ها در مورد مالاریا وجود داشته است. انگل مالاریا آن‌قدر عجیب و سرسخت است که ابزارهای معمولی زیست‌شناسی مولکولی روی آن کار نمی‌کنند. اما اخیراً گروهی از پژوهشگران راه‌حلی خلاقانه پیدا کرده‌اند: استفاده از پروتئین‌های باکتریایی برای کنترل ژن‌های این انگل. نتیجه؟ یک سیستم خاموش و روشن کردن ژن که تا ۸۰۰ برابر قوی‌تر از هر چیزی است که قبلاً دیده شده بود.

چرا مالاریا این‌قدر سرسخت است؟

مالاریا توسط انگل تک‌سلولی پلاسمودیوم ایجاد می‌شود که توسط پشه آنوفل منتقل می‌شود. این انگل یک چرخه زندگی پیچیده دارد: از پشه به کبد انسان، سپس به گلبول‌های قرمز خون و دوباره به پشه. در هر مرحله، انگل شکل و رفتار خود را کاملاً تغییر می‌دهد. برای مبارزه با این بیماری، ما به داروها و واکسن‌های جدید نیاز داریم. اما مشکل اینجاست که حدود دوسوم ژن‌های این انگل عملکرد ناشناخته‌ای دارند. نمی‌دانیم کدام ژن‌ها برای بقای انگل ضروری هستند و کدام‌ها نه. و بدون این دانش، نمی‌توانیم اهداف دارویی جدیدی پیدا کنیم.

چرا ابزارهای معمولی روی مالاریا کار نمی‌کنند؟

در سلول‌های انسانی، دانشمندان از تکنیکی به نام RNA interference استفاده می‌کنند که مانند یک کلید خاموش برای ژن‌ها عمل می‌کند. اما انگل مالاریا این ماشین را ندارد. همچنین، ژنوم این انگل به‌شدت غنی از بازهای آدنین و تیمین است که دستکاری DNA را دشوار می‌کند. انگل مالاریا حتی سیستم ترمیم DNA غیرهمولوگ را هم ندارد که در بسیاری از موجودات دیگر وجود دارد. به همین دلیل، پژوهشگران سال‌ها به دنبال راهی برای کنترل بیان ژن در این انگل بودند و اغلب شکست می‌خوردند.

راه‌حل غیرمنتظره: باکتری‌ها به کمک می‌آیند

پروتئین‌های باکتریایی به نام بازدارنده‌ها (repressors) می‌توانند به توالی‌های خاصی از DNA متصل شوند و رونویسی ژن را متوقف کنند. نکته جالب این است که این اتصال اغلب با افزودن یک مولکول کوچک قابل کنترل است. مثلاً پروتئین TetR در غیاب آنتی‌بیوتیک aTc به DNA می‌چسبد و ژن را خاموش می‌کند، اما با افزودن aTc، اتصال قطع شده و ژن روشن می‌شود. پژوهشگران این ایده را در انگل مالاریا آزمایش کردند و شگفت‌زده شدند که کار می‌کند.

سیستم LacI: یک شاهکار غیرمنتظره

در حالی که سیستم TetR حدود بیست برابر تغییر در بیان ژن ایجاد می‌کرد، سیستم دیگری به نام LacI که با مولکول IPTG القا می‌شود، عملکرد خیره‌کننده‌ای از خود نشان داد. این سیستم توانست بیان ژن را بین ۲۰۰ تا ۸۰۰ برابر تغییر دهد. برای درک این اعداد، تصور کنید یک کلید نور دارید که می‌تواند نور را از حالت تقریباً خاموش به حالت بسیار پرنور ببرد. این قوی‌ترین ابزار کنترل بیان ژن در انگل مالاریا تا به امروز است و از تمام سیستم‌های مشابه در سایر موجودات نیز پیشی گرفته است.

«این سیستم‌ها نه تنها قوی‌ترین ابزار کنترل بیان ژن در انگل مالاریا هستند، بلکه از تمام سیستم‌های مشابه در سایر موجودات نیز پیشی گرفته‌اند.»

از آزمایشگاه تا کشف دارو

پژوهشگران از این سیستم برای خاموش کردن دو ژن مهم به نام‌های PI3K و PI4K استفاده کردند. این ژن‌ها آنزیم‌هایی را کد می‌کنند که در فرآیندهای حیاتی انگل نقش دارند. پیش از این، تلاش‌ها برای خاموش کردن این ژن‌ها با روش‌های دیگر موفق نبود. اما با سیستم جدید، انگل‌ها به‌سرعت از بین رفتند و ثابت شد که این ژن‌ها برای بقای انگل ضروری هستند. سپس از این انگل‌های دستکاری‌شده برای تأیید اینکه داروی ورتمننین به‌طور اختصاصی PI3K را هدف قرار می‌دهد و دو ترکیب دیگر PI4K را هدف می‌گیرند، استفاده شد. این یعنی سیستم جدید می‌تواند در کشف اهداف مولکولی داروهای ضد مالاریا نقش کلیدی ایفا کند.

مقاومت به آرتمیزینین: معمای حل‌شده؟

یکی از بزرگ‌ترین تهدیدها در مبارزه با مالاریا، مقاومت به داروی آرتمیزینین است. این مقاومت توسط ژنی به نام Kelch13 ایجاد می‌شود. برخلاف روش‌های پیشین، سیستم LacI قابل برگشت است: می‌توان ژن را موقتاً خاموش کرد و سپس دوباره روشن کرد. پژوهشگران ژن Kelch13 را موقتاً خاموش کردند و سپس یک پالس کوتاه از داروی دی‌هیدروآرتمیزینین به انگل دادند. نتیجه شگفت‌انگیز بود: انگل‌های فاقد این ژن در برابر دارو مقاوم‌تر بودند و درصد بیشتری از آن‌ها زنده ماندند. این یافته با آنچه در مورد مقاومت به آرتمیزینین در طبیعت می‌دانیم همخوانی دارد.

چرا این موضوع مهم است؟

این پژوهش نشان می‌دهد که ابزارهای توسعه‌یافته نه تنها برای مطالعه عملکرد ژن‌ها، بلکه برای درک مکانیسم‌های مقاومت دارویی و کشف اهداف جدید درمانی نیز بسیار ارزشمند هستند. همچنین، یک نرم‌افزار رایانه‌ای به نام GeneTargeter طراحی شده است که فرآیند ساخت سازه‌های DNA برای ویرایش ژنوم انگل مالاریا را به‌طور خودکار انجام می‌دهد و امکان طراحی در مقیاس ژنوم کامل را فراهم می‌کند. این ابزارها افق‌های تازه‌ای را برای مهندسی انگل مالاریا، طراحی مدارهای ژنتیکی پیچیده، ساخت واکسن‌های زنده تخفیف‌یافته و توسعه راهکارهای نوین مبارزه با این بیماری باز می‌کنند. شاید مهم‌تر از همه، این رویکرد نشان می‌دهد که گاهی بهترین راه‌حل برای یک مشکل پیچیده، استفاده از ابزارهای غیرمنتظره‌ای است که از دنیای باکتری‌ها به عاریت گرفته می‌شوند.