تواجه البلازميدات المهندسة مختبريًا، وهي العمود الفقري لعلم الأحياء الحديث، مشكلات. أجرى الباحثون تقييمًا منهجيًا لهياكل الحمض النووي الدائرية من خلال تحليل أكثر من 2500 بلازميد مصنوع في المختبرات وإرسالها إلى شركة تقدم خدمات مثل تعبئة الهياكل داخل الفيروسات حتى يمكن استخدامها كعلاجات جينية. ووجد الفريق أن ما يقرب من نصف البلازميدات بها أخطاء في التصميم، بما في ذلك أخطاء في التسلسلات الحاسمة للتعبير عن الجين العلاجي. نشر الباحثون نتائجهم الشهر الماضي على خادم الطباعة المسبق bioRxiv 1.

تكشف الدراسة عن "نقص المعرفة" حول إجراء مراقبة الجودة المناسبة للبلازميدات في المختبر، كما يقول هيرويوكي ناكاي، عالم الوراثة في جامعة الصحة والعلوم في ولاية أوريغون، والذي لم يشارك في العمل. لقد لاحظ بالفعل مشاكل في البلازميدات المصنعة في المختبر، لكنه فوجئ بتكرار الأخطاء التي كشفت عنها الدراسة. ويضيف أنه من المحتمل أن يكون هناك العديد من الأوراق العلمية التي تم نشرها والتي لا يمكن تكرار نتائجها بسبب أخطاء في تصميم البلازميد.

الوقت الضائع

البلازميدات هي أدوات شائعة في مختبرات الأحياء، مثل البكتيريا، بما في ذلك الكائن الحي النموذجي المستخدم على نطاق واسعالإشريكية القولونية، والتي تستخدم هياكل لتخزين وتبادل الجينات. وهذا يعني أن علماء الأحياء يمكنهم إنشاء بلازميدات مصممة تحتوي على جينات مختلفة ذات أهمية، وبعد ذلكالإشريكية القولونيةإقناعهم بتسجيلها وعمل نسخ عديدة منها.

يقول بروس لان، كبير العلماء في شركة VectorBuilder، وهي شركة مقرها في شيكاغو بولاية إلينوي، توفر أدوات توصيل الجينات، إنه وعلماء أحياء آخرون لاحظوا مشاكل تتعلق بجودة البلازميد منذ سنوات. عندما كان لان أستاذًا في جامعة شيكاغو، أمضى أحد طلاب الدراسات العليا في مختبره ستة أشهر في إعادة إنتاج اثنين من البلازميدات التي ورد ذكرها في الأدبيات العلمية. ويقول: "لم نفكر في جودة البلازميدات، لكن التجربة لم تنجح بعد ذلك" لأن البلازميدات تحتوي على أخطاء.

الآن في VectorBuilder، يقول لاهن إنه يرى المشكلة طوال الوقت، لذلك قرر تقييمها بشكل منهجي. ويقول إنه عندما يرسل العملاء البلازميدات المعيبة، "فإنهم يضيعون الكثير من الوقت"، كما أن الخطوات الإضافية في مراقبة الجودة تزيد من تكلفة إنتاج البلازميدات وتعبئتها وتحويلها إلى فيروسات.

كشف تحليل فريق VectorBuilder عن وجود خليط من الأخطاء في أكثر من 2500 بلازميد تم تقييمها. يحتوي بعضها على جينات تقوم بتشفير البروتينات المسؤولة عنالإشريكية القولونيةكانت سامة، مما يعني أنها يمكن أن تبطئ أو توقف نمو الكائنات الحية التي يعتمد عليها علماء الأحياء لتكرار البلازميدات الخاصة بهم. والبعض الآخر، المخصص للتعبئة في الفيروسات، يقوم بتشفير البروتينات السامة لتلك الفيروسات. ويحتوي بعضها على تسلسلات الحمض النووي المتكررة التي يمكن أن تؤدي إلى تراكم الطفرات في البلازميدات.

التحقق من الأخطاء

كانت الأخطاء الأكثر شيوعًا التي اكتشفها لاهن وزملاؤه مرتبطة بأداة رئيسية للعلاج الجيني. غالبًا ما يتم تجميع العلاجات في صورة فيروسات مرتبطة بالغدة (AAVs)، وهي في الغالب غير ضارة ويمكنها توصيل العلاج إلى الخلايا. عند إنشاء البلازميدات لهذه الأجسام المضادة للفيروسات، قام الباحثون بوضع جين علاجي بين تسلسلات تسمى ITRs، والتي تلعب دورًا حاسمًا في ضمان تعبئة الجين في الفيروس لتوصيله. ترسل هذه التسلسلات بشكل أساسي إشارة بيولوجية إلى الخلايا التي تقول "أنا أنتمي إلى هذا الفيروس". ومع ذلك، وجد الفريق أن حوالي 40% من بلازميدات AAV في الدراسة لديها طفرات في مناطق ITR التي يمكن أن تشوه هذه الرسالة المهمة. إذا استخدم الباحثون هذه البلازميدات ذات التصميم الخاطئ، فقد لا ينجح علاجهم الجيني، وقد يستغرق العلماء وقتًا طويلاً لمعرفة السبب.

كما رأى مارك كاي، المتخصص في طب الأطفال وعلم الوراثة في كلية الطب بجامعة ستانفورد في كاليفورنيا، عن كثب أن أخطاء البلازميد يمكن أن تؤخر المشاريع المختبرية. ومع ذلك، فهو واثق من أن العلماء قادرون على تحديد هذه الأخطاء وتصحيحها. ويقول إن الباحثين في العلاج الجيني يدركون مشاكل ITR المحتملة وأن الأخطاء غير محتملة في البيئات السريرية. وذلك لأن الهيئات التنظيمية مثل إدارة الغذاء والدواء الأمريكية لديها معايير صارمة تتطلب من الباحثين تحليل البلازميدات الخاصة بهم بعناية قبل استخدامها في العيادة.

يقول ناكاي إن فحص البلازميدات بحثًا عن الأخطاء من خلال التسلسل يمكن أن ينبه الباحثين إلى المشكلات التي أبرزتها الدراسة. بعض الشركات، بما في ذلك Plasmidsaurus في يوجين، أوريجون، وElim Biopharmaceuticals في هايوارد، كاليفورنيا، تعرض تسلسل البلازميد مقابل حوالي 15.00 دولارًا لكل عينة، كما يقول ناكاي، الذي ليس لديه مصلحة مالية في أي من الشركتين. ويوصي أيضًا أعضاء المختبر الجدد بقضاء بعض الوقت في التعلم من مصممي البلازميدات ذوي الخبرة؛ ويقول إنها عملية شاقة ومصنوعة يدويًا، ولكن إذا ارتكبت خطأً، فقد يؤدي ذلك إلى إضاعة قدر هائل من الوقت والمال.

تقول ميلينا فان، كبيرة المسؤولين العلميين في مؤسسة آدجين غير الربحية في ووترتاون بولاية ماساتشوستس، إن هناك طريقة أخرى يمكن للمختبرات تجنب المشكلات بها، وهي إتاحة تسلسلات البلازميد الخاصة بها للجمهور في مستودعات مفتوحة الوصول. يقول فان إن شركة Addgene توفر مثل هذا المستودع، وتقوم بـ “تسلسل البلازميدات المودعة ومشاركة بيانات التسلسل من خلال موقع الويب لاستخدام المجتمع”. وتضيف أن فحص البلازميدات أمر مهم.

ويأمل لاهن أن يلفت التحليل الذي أجراه فريقه انتباه الباحثين إلى حقيقة أن هذه الأدوات المعملية الأساسية غالبًا ما يتم اعتبارها أمرًا مفروغًا منه. ويقول: "إن سلامة الأداة أمر لا يفكر فيه الناس"، على الرغم من أنه ينبغي عليهم ذلك.