معمای قرن ۲۱

دانشمندان نمی دانستند درون موجودات زنده چه عامل پنهانی مخفی شده که ویژگی هایشان را به وجود می آورد و برای ایجاد دوباره آن ویژگی ها از والد به فرزند مهاجرت می کند

در حیات، هرگاه معمایی حل می‌شود، معمای جدیدی از زیر آن سربرمی‌آورد که در انتظار حل شدن است. یکی از نخستین معماها ژن‌ها بودند. دانشمندان نمی‌دانستند درون موجودات زنده چه عامل پنهانی مخفی شده که ویژگی‌هایشان را به وجود می‌آورد و برای ایجاد دوباره آن ویژگی‌ها از والد به فرزند مهاجرت می‌کند. البته معلوم شد که پاسخ، DNA است: قطعاتی مولکولی که مولکول‌های RNA و پروتئین‌ها را رمزگذاری می‌کنند که به نوبه خود کارهای حیات را انجام می‌دهند، پیام می‌فرستند، انرژی ذخیره می‌کنند و توده زیستی می‌سازند.

اما به سرعت معلوم شد که صرف داشتن ژن، کل اسرار حیات نیست. لازم است که ژن‌ها در زمان و مکان درست فعال شوند. فکر کنید: هرکدام از سلول‌های بدن شما ژن‌هایی دارند که می‌توانند مو و ناخن تولید کنند و می‌توانند تولید پیام‌برهای عصبی و آنزیم‌های گوارشی را هندل بزنند. اگر تمام ژن‌های شما با هم فعال می‌شدند، بدن‌تان تبدیل به توده درهم‌ریخته‌‌ بی‌مصرف و وحشتناکی می‌شد. زندگی ما وابسته به مهار مودبانه ژن‌های ماست. در اواخر دهه ۱۹۵۰، دانشمندان فرانسوی کشف کردند که ژن‌ها چگونه مهار می‌شوند. آنها می‌خواستند بدانند چرا میکروب E. coli گاهی برای تغذیه از لاکتوز (قند شیر) آنزیم‌هایی می‌سازد و چرا گاهی نمی‌سازد. این دانشمندان نشان دادند که E. coli برای تغذیه از لاکتوز از سه ژن استفاده می‌کند و هر سه این ژن‌ها در DNA این میکروب پشت سر همدیگر به خط شده‌اند. از این گذشته کشف کردند که این سه ژن را می‌توان همزمان باهم خاموش کرد. پروتئین ویژه‌ای به قطعه مشخصی از DNA نزدیک این ژن‌ها چفت می‌شود و به این ترتیب مانع کار مولکول‌هایی می‌شوند که در غیر این صورت دستور عمل ژنتیکی‌شان را می‌خواندند. چنانچه پروتئین بازدارنده برداشته شود، ژن‌ها روشن می‌شوند.

تمام موجودات زنده و از جمله خودمان، با ساخت پروتئین‌های کلید‌مانندی به نام عوامل نسخه‌برداری، ژن‌ها را به شیوه مشابهی روشن و خاموش می‌کنند و با شناسایی نمونه‌های بیشتری از این نوع، دانشمندان چیز جالب توجهی کشف کرده‌اند: آنها یک زنجیره فرماندهی تشکیل می‌دهند. وظیفه بعضی عوامل نسخه‌برداری روشن و خاموش کردن عوامل دیگر است و آنها نیز به نوبه خود توسط عوامل نسخه‌برداری دیگر کنترل می‌شوند. حتی میکروب به ظاهر ساده‌ای همچون E. coli نیز سلسله‌مراتبی چشمگیر دارد. بر حدود نیمی از ۴ هزار و خرده‌ای ژن موجود در E. coli فقط ۹ ژن حکومت می‌کنند. شبکه ژن‌های E. coli به آن امکان می‌دهد به چالش‌هایی که با آنها روبه‌رو می‌شود، از گرسنگی و گرما گرفته تا کمبود اکسیژن، به سرعت پاسخ دهد. این شبکه با روشن‌کردن صدها ژن و خاموش کردن صدها ژن دیگر می‌تواند به سرعت خویش را از نو سازماندهی کند. آنچه این شبکه را فوق‌العاده‌تر می‌سازد حلقه‌های بازخوردی است که مانع از کنترل خارج شدن آن می‌شود. برای مثال وقتی ژنی روشن می‌شود، ممکن است پروتئینی بسازد که ژنی که از ابتدا آن را روشن کرده بود را خاموش سازد.

با این حال وقتی دانشمندان این شبکه را آشکار ساختند، با معمای دیگری روبه‌رو شدند. در آخرین شماره ژورنال نیچر، دانشمندان به گزارش نتایج آزمایشی پرداختند که طی آن در شبکه ژنتیکی E. coli خرابکاری می‌کردند. آنها به طور تصادفی پیوندهای جدیدی میان عوامل نسخه‌برداری در بالاترین سطح سلسله مراتب میکروبی اضافه کردند. اکنون یک عامل نسخه‌برداری می‌توانست عامل دیگری را روشن کند که پیش از آن هرگز نکرده بود. این دانشمندان شبکه را به تصادف ۵۹۸ جور مختلف سیم‌کشی مجدد کردند و سپس نشستند ببینند چه اتفاقی برای باکتری می‌افتد. شاید انتظار دارید همگی مرده باشند. هرچه باشد، اگر مثلا در پشت یک آی‌پاد را باز کنید و شروع کنید به اتصال تصادفی اجزای آن به یکدیگر، انتظار دارید خراب شود. اما این چیزی نیست که اتفاق افتاد. حدود ۹۵ درصد از باکتری‌های دوباره سیم‌کشی‌شده با شبکه ژنتیکی جدیدشان به خوبی کنار آمدند. به زندگی‌شان ادامه دادند؛ غذا خوردند، رشد کردند و تقسیم شدند. حتی بعضی از آنها در شرایط خاص از میکروب‌های دارای سیم‌کشی اصلی، عملکرد بهتری داشتند.

دامنه تحملی که این باکتری‌ها نشان دادند نکته مهمی را درباره طرزکار تکامل، آشکار می‌سازد. جهش‌ها نیز همچون انسان می‌توانند سیم‌کشی سلول‌ها را به طور تصادفی عوض کنند. در شبکه‌های ژنی چیزی هست که به آنها اجازه می‌دهد با وجود این جهش‌ها زنده بمانند و در مواردی حتی در مسابقه تکامل، برتری نسبی نیز به دست آورند. اما دانشمندان درست نمی‌دانند چرا شبکه‌ای مانند آنکه در E. coli هست، به این خوبی می‌تواند با سیم‌کشی دوباره کنار بیاید. منشا قدرت آنها نه در یک مولکول منفرد ــ DNA ــ بلکه در شبکه پیچیده‌ای از روابط، نهفته است. خود این شبکه معمایی است که زیست‌شناسان، قرن بیست‌ویکم را صرف حل آن خواهند کرد.

wired. com, Apr. ۱۸, ۲۰۰۸

کارل زیمر

ترجمه کاوه فیض اللهی