കൃത്രിമ ജീവനിലേക്ക്

ഒൻപതാം ക്ലാസ് ജീവശാസ്ത്രത്തിലെ ഒന്നാം അദ്ധ്യായത്തിലെ ‘ജീവന്റെ താക്കോൽ -ശാസ്ത്രത്തിന്റെ സേഫിൽ’ എന്ന പഠഭാഗത്തിൽ കൃത്രിമ ജീവനെക്കുറിച്ച് പരാമർശിക്കുന്നുണ്ടല്ലോ. അധികവായനക്കായി ഒരു ലേഖനം

ഭൂമിയിൽ ആദ്യജീവനുണ്ടായത് ഏകദേശം 370 മുതൽ 400 കോടി വരെ വർഷങ്ങൾക്കുമുൻപാണെന്നും ആദിമ ഭൂമിയിലെ പ്രത്യേക രാസ-ഭൗതിക സാഹചര്യത്തിൽ അജൈവ തന്മാത്രകൾ തമ്മിൽ പ്രതിപ്രവർത്തിച്ചായിരിക്കാം ആദ്യത്തെ ജൈവതന്മാത്രകൾ (Biomolecules) ഉണ്ടായതെന്നും അത്തരം ജൈവതന്മാത്രകളുടെ തുടർച്ചയായ പരിണാമത്തിലൂടെയായിരിക്കാം ആദ്യജീവൻ ഉണ്ടായതെന്നുമാണ് ജീവോൽപത്തിയുമായി (origin of life) ബന്ധപ്പെട്ട് ശാസ്ത്രജ്ഞർക്കിടയിൽ അഭിപ്രായൈക്യമുള്ള സിദ്ധാന്തം. ആദിമ ജീവന്റെ രാസോൽപത്തിയെക്കുറിച്ചുള്ള ചിന്തകൾ ചാൾസ് ഡാർവിന്റെ കാലത്തുതന്നെ ആരംഭിച്ചിരുന്നുവെങ്കിലും അജൈവ തന്മാത്രകളിൽനിന്നും ജൈവതന്മാത്രകളുണ്ടാകാമെന്ന പരികൽപ്പനയ്ക്ക് സുവ്യക്തമായ തെളിവ് ലഭിക്കുന്നത് 1953-ൽ സ്റ്റാൻലി മില്ലർ (Stanley Miller) കാലിഫോർണിയ സർവകലാശാലയിൽ നടത്തിയ സുപ്രസിദ്ധമായ മില്ലർ-യുറേ പരീക്ഷണത്തിലൂടെയാണ്.

യുറേ- മില്ലർ പരീക്ഷണം

എന്നാൽ ആദ്യത്തെ ജൈവതന്മാത്രകളും കോശജീവികളും എങ്ങനെയുണ്ടായി എന്ന ചോദ്യത്തിന് കൃത്യമായ ഒരു ഉത്തരം ഇപ്പോഴും ലഭ്യമല്ല. കാരണം അജൈവവസ്തുക്കളിൽനിന്നും ഒരു പുതിയ ജീവിയുണ്ടാകുന്നത് ഇതുവരെ ആരും കണ്ടിട്ടില്ല എന്നതുതന്നെ. പരീക്ഷണശാലയിൽ അങ്ങനെയൊരു കൃത്രിമജീവിയെ സൃഷ്ടിക്കും വരെ ഈ കീറാമുട്ടിച്ചോദ്യം ഒരു പ്രഹേളികയായി തുടരും. പരീക്ഷണശാലയിൽ കൃത്രിമ ജീവൻ സൃഷ്ടിക്കുക എന്ന കഠിനമായ വെല്ലുവിളി സധൈര്യം ഏറ്റെടുത്ത ഗവേഷകർ ആ ലക്ഷ്യത്തിലേക്ക് ഏറെ മുന്നേറിയിട്ടുണ്ട് എന്നാണ് സമീപകാലത്തായി പുറത്തുവരുന്ന ഗവേഷണഫലങ്ങൾ സൂചിപ്പിക്കുന്നത്. അത്തരം ചില പഠനങ്ങളാണ് ഈ ലേഖനത്തിൽ ചർച്ച ചെയ്യാൻ പോകുന്നത്.

അഴിച്ചുപണിത അമീബ

ഒരു പുതിയ ഉപകരണം കൈയിൽ കിട്ടിയാൽ അതിന്റെ യന്ത്രഭാഗങ്ങൾ അഴിച്ചെടുത്ത് വീണ്ടും കൂട്ടിച്ചേർത്ത് പ്രവർത്തിപ്പിക്കാനായാൽ ആ ഉപകരണത്തിന്റെ നിർമ്മാണരഹസ്യം മനസ്സിലാക്കാൻ കഴിയുമല്ലോ. ആ അറിവ് ഉപയോഗിച്ച് അതുപോലെയുള്ളതോ അതിനോട് സാമ്യമുള്ളതോ ആയ മറ്റൊരുപകരണം ഉണ്ടാക്കാനും കഴിഞ്ഞേക്കും. അത്തരത്തിലുള്ള ഒരു ശ്രമമായിരുന്നു 1970-ൽ ബഫലോയിലെ സ്റ്റേറ്റ് യൂണിവേഴ്സിറ്റി ഓഫ് ന്യൂയോർക്കിലെ ജിയോൻ, ലോർച്ച്, ദാനിയെല്ലി എന്നീ മൂന്ന് ഗവേഷകർ ചേർന്നു നടത്തിയത്. ഏകകോശ ജീവികളായ അമീബകളുടെ കൂട്ടത്തിലെ ഏറ്റവും പ്രശസ്തമായ ‘അമീബ പ്രോട്ടിയസിനെയാണ്’ (Amoeba proteus) അവർ അഴിച്ചുപണിതത്. അമീബയുടെ ന്യൂക്ലിയസ്, കോശദ്രവ്യം (cytoplasm), കോശസ്തരം (cell membrane) എന്നിവയെ വേർപെടുത്തുകയും വീണ്ടും കൂട്ടിച്ചേർക്കുകയുമാണ് ചെയ്തത്. അങ്ങനെ കൂട്ടിച്ചേർത്ത അമീബ സാധാരണ അമീബകളെപ്പോലെ ആഹാരം കഴിക്കുകയും വളരുകയും പിളരുകയും ചെയ്തു. ഒരു ജീവിയെ കൃത്രിമമായി നിർമ്മിക്കാനുള്ള ഗവേഷണയാത്രയിലെ ആദ്യത്തെ നാഴികക്കല്ലായി ഈ നേട്ടത്തെ കണക്കാക്കാം.

3D Whole Cell (3D-WC) model of a Mycoplasma genitalium cell

കൃത്രിമ ജീനോം

ജീനോം എന്നാലെന്താണ്? ഒരു ഏകകോശ ജീവിയുടെ മുഴുവൻ ജനിതക പദാർത്ഥങ്ങൾ, അല്ലെങ്കിൽ ഒരു ബഹുകോശജീവിയുടെ ഒരു കോശത്തിലെ മുഴുവൻ ജനിതക പദാർത്ഥങ്ങൾ. അതിനെയാണ് ജീനോം എന്ന് പറയുന്നത്. ഒരു ജീവിയുടെ ജീവൽപ്രവർത്തനങ്ങളെ നിയന്ത്രിക്കുന്നത് ജീനുകളാണല്ലോ. ജീനുകളുടെ കൃത്രിമ നിർമ്മാണം കൃതിമജീവനിർമ്മാണത്തിലേക്കുള്ള ദൂരം ഒരു പടികൂടി കുറയ്ക്കുമെന്നുറപ്പ്. 2008-ലാണ് ആദ്യമായി ഒരു ജീനോം പൂർണമായും പരീക്ഷണശാലയിൽ നിർമ്മിക്കപ്പെടുന്നത്. അമേരിക്കയിലെ റോക്ക് വില്ലിലുള്ള ജെ. ക്രേയ്ഗ് വെന്റർ ഇൻസ്റ്റിറ്റ്യൂട്ടിലെ (The J. Craig Venter Institute) ഗിബ്സണും സംഘവുമാണ് ഈ നിർമ്മിതിക്കു പിന്നിൽ. മൈക്കോപ്ലാസ്മ ജെനിറ്റാലിയം (Mycoplasma genitalium) എന്ന ബാക്ടീരിയയുടെ ജീനോമാണ് അവർ പരീക്ഷണശാലയിൽ നിർമ്മിച്ചത്. കോശഭിത്തിയില്ലാത്ത ബാക്ടീരിയകളാണ് മൈക്കോപ്ലാസ്മകൾ. ഇവയ്ക്കാണ് നമുക്ക് അറിയുന്നതിൽ ഏറ്റവും ചെറിയ ജീനോമുള്ളത്.

Mycoplasma mycoides JCVI-syn1.0 – the world’s first synthetic organism

കൃത്രിമ മൈക്കോപ്ലാസ്മ

2010-ൽ ഗിബ്സണും സംഘവും ഒരു പടികൂടി മുന്നേറി. മറ്റൊരു മൈക്കോപ്ലാസ്മ സ്പീഷീസായ മൈക്കോപ്ലാസ്മ മൈക്കോയിഡ്സിന്റെ (Mycoplasma mycoides) ജീനോം കൃത്രിമമായി നിർമ്മിക്കുകയും അത് മൈക്കോപ്ലാസ്മ കാപ്രിക്കോളം (M. capricolum) എന്ന ബാക്റ്റീരിയയിൽ കടത്തിവിടുകയും ചെയ്തു. അങ്ങനെയുണ്ടാക്കിയ മൈക്കോപ്ലാസ്മയ്ക്ക് അവർ മൈക്കോപ്ലാസ്മ മൈക്കോയിഡ്സ് JCVI-Syn1.0 (Mycoplasma mycoides JCVI-Syn1.0) അല്ലെങ്കിൽ സിന്തിയ (Synthia) എന്ന് പേരിട്ടു.

മിനിമൽ കോശം

ഒരു കോശത്തിന് അതിന്റെ ജീവൻ നിലനിർത്താനും പ്രത്യുല്പാദനം ചെയ്യാനും ഏറ്റവും ചുരുങ്ങിയത് എത്ര ജീനുകൾ വേണ്ടിവരും? അല്ലെങ്കിൽ അത്തരം ജീനോമിന് എത്ര വലുപ്പം വേണ്ടിവരും. ഇങ്ങനെയൊരു ചോദ്യം ഗവേഷകരുടെ ബുദ്ധിയിൽ കയറിക്കൂടിയത് 1930-കളിലാണ്. അതും ജീവശാസ്ത്രജ്ഞരുടെ ബുദ്ധിയിലല്ല; ഭൗതിക ശാസ്ത്രജ്ഞരുടെ ബുദ്ധിയിൽ. അതിനൊരു കാരണമുണ്ട്. പത്തൊൻപതും ഇരുപതും നൂറ്റാണ്ടുകളിൽ ആറ്റങ്ങളുടെ ഘടനയും പ്രവർത്തനവും പഠിക്കാൻ ഭൗതിക ശാസ്ത്രജ്ഞർ ഹൈഡ്രജൻ ആറ്റമായിരുന്നു ഉപയോഗിച്ചിരുന്നത്. ഏറ്റവും ചെറിയ ഒരു ആറ്റം എന്ന നിലയ്ക്ക് പഠിക്കാൻ എളുപ്പമുള്ള ഒരു മാതൃകയായാണ് അവർ ഹൈഡ്രജൻ തെരഞ്ഞെടുത്തത്. ഈയൊരു ആശയം ജീവശാസ്ത്രത്തിലും പ്രയോഗിക്കാം എന്ന് ചില ഭൗതികശാസ്ത്രജ്ഞർക്കു തോന്നി. അങ്ങനെയാണ് ഏറ്റവും ചെറിയ കോശം എന്ന ആശയമുണ്ടാകുന്നത്. ജീവൻ നിലനിർത്താനും പ്രത്യുല്പാദനം ചെയ്യാനും ആവശ്യമായ ഏറ്റവും ചെറിയ ജീനോമുള്ള ഇത്തരം കോശങ്ങളെയാണ് മിനിമൽ കോശം (Minimal cell) എന്ന് പറയുന്നത്. 1945-ൽ മാക്സ് ഡെൽബ്രക്ക് (Max Delbruck) എന്ന ഭൗതികശാസ്ത്രജ്ഞന്റെ നേതൃത്വത്തിൽ ഈ ലക്ഷ്യം മുൻനിർത്തി അമേരിക്കൻ ഫേജ് ഗ്രൂപ്പ് (American Phage group) എന്ന ഒരു കൂട്ടായ്മ രൂപീകരിച്ചു. ഈ കൂട്ടായ്മയിൽ ഭൗതികശാസ്ത്രജ്ഞർക്കു പുറമെ രസതന്ത്രജ്ഞരും ജീവശാസ്ത്രജ്ഞരും ഉണ്ടായിരുന്നു. കോശത്തിന്റെ പ്രവർത്തനങ്ങളെ പൂർണ്ണമായും അനാവരണം ചെയ്യാൻ ഏറ്റവും ചെറുതും ലളിതവുമായ ഒരു കോശത്തിന്റെ പഠനത്തിലൂടെ സാധ്യമാകുമെന്നായിരുന്നു അവരുടെ വിശ്വാസം. അന്നുമുതലാണ് ഒരു മിനിമൽ കോശത്തിന്റെ നിർമ്മാണത്തിനുള്ള ശ്രമം ആരംഭിക്കുന്നത്. സാങ്കേതികവിദ്യകളുടെ അപര്യാപ്തതയും ബലഹീനതയും കാരണം ആ ലക്ഷ്യത്തിലെത്താൻ ഏഴ് പതിറ്റാണ്ടോളം കാത്തിരിക്കേണ്ടിവന്നു. ഒടുവിൽ 2016-ൽ അത്തരമൊരു മിനിമൽ കോശത്തിന്റെ വിജയകരമായ നിർമ്മാണം പ്രഖ്യാപിക്കപ്പെട്ടു. മൈക്കോപ്ലാസ്മ ജീനോമുകൾ കൃത്രിമമായി നിർമ്മിച്ച സംഘത്തിലെ മുതിർന്ന ശാസ്ത്രജ്ഞനായ ക്ളയിഡ് ഹച്ചിസണിന്റെ (Clyde Hutchison) നേതൃത്വത്തിലുളള ഒരു സംഘം ഗവേഷകരുടെ ഈ ചരിത്രനേട്ടം 2016 മാർച്ച് 25 ന് ഇറങ്ങിയ ‘സയൻസ്’ ജേർണലിലാണ് പ്രസിദ്ധപ്പെടുത്തിയിട്ടുള്ളത്. മിനിമൽ കോശത്തിന്റെ നിർമ്മാണത്തിന് ഈ സംഘം ഉപയോഗിച്ചത് അവർ തന്നെ 2010-ൽ നിർമ്മിച്ച മൈക്കോപ്ലാസ്മ മൈക്കോയിഡ്സ് JCVI-Syn1.0 (Mycoplasma mycoides JCVI-Syn1.0) എന്ന ബാക്ടീരിയയുടെ ജീനോമാണ്. അനാവശ്യമെന്ന് പഠനത്തിലൂടെ ബോധ്യപ്പെട്ട, തൊണ്ണൂറ് ശതമാനത്തോളം ജീനുകളെ ഒഴിവാക്കിയുണ്ടാക്കിയ ഒരു കൃത്രിമ ജീനോമാണ് ഈ മിനിമൽ കോശത്തിലുള്ളത്. അതിന്റെ പേര് മൈക്കോപ്ലാസ്മ മൈക്കോയിഡ്സ് JCVI-Syn3.0 എന്നാണ്. നിലവിൽ പരീക്ഷണശാലകളിൽ വളർത്താൻ കഴിയുന്ന ഏറ്റവും ചെറിയ ജീനോമുള്ള ജീവിയാണിത്. ഈ ജീനോമിൽനിന്ന് ഒരു ജിൻ എടുത്തുമാറ്റിയാൽ പോലും അതിനെ വഹിക്കുന്ന കോശത്തിന്റെ നിലനിൽപ് അപകടത്തിലാകും. പൂർണമായും ഒരു പുതുജീവി എന്ന് അവകാശപ്പെടാൻ കഴിയില്ലെങ്കിലും ആ ലക്ഷ്യത്തിലേക്കുള്ള സുപ്രധാനമായ ഒരു കാൽവെയ്പുതന്നെയായിരുന്നു ഈ കണ്ടുപിടുത്തം.

കൃത്രിമ ആർ. എൻ. എ

ഡി.എൻ.എ യ്ക്ക് പുറമെ ജീവികളിലുള്ള മറ്റൊരു ജനിതക തന്മാത്രയാണ് ആർ.എൻ.എ. ഡി.എൻ.എ-യിൽ രേഖപ്പെടുത്തിയിട്ടുള്ള വിവരങ്ങളുടെ അടിസ്ഥാനത്തിലാണ് കോശങ്ങളിൽ ആർ. എൻ. എ നിർമ്മാണം നടക്കുന്നത്. അതേപ്പോലെ ആർ.എൻ.എ-യിൽ രേഖപ്പെടുത്തിയ വിവരങ്ങളെ അടിസ്ഥാനപ്പെടുത്തിയാണ് പ്രോട്ടീനുകൾ ഉൽപാദിപ്പിക്കുന്നത്. ഡി.എൻ.എ യ്ക്ക് അതിന്റെ സ്വന്തം പതിപ്പുണ്ടാക്കണമെങ്കിലും (DNA replication) ആർ.എൻ.എ. നിർമ്മിക്കണമെങ്കിലും എൻസൈമുകൾ ആവശ്യമാണ്. എൻസൈമുകൾ പ്രോട്ടീനുകളാണല്ലോ. അങ്ങനെയെങ്കിൽ ആദ്യമായുണ്ടായ ഡി. എൻ.എ എങ്ങനെ അതിന്റെ സ്വന്തം പതിപ്പ് നിർമ്മിച്ചു? ശാസ്ത്രജ്ഞരെ കുഴക്കിയ ഒരു കീറാമുട്ടി പ്രശ്നമായിരുന്നു അത്. അതിന്റെ മറുപടിയായിരുന്നു ആർ.എൻ.എ. ആദ്യമായുണ്ടായ ജനിതക തന്മാത്രകൾ ആർ.എൻ.എ ആയിരിക്കാമെന്നാണ് നിലവിലുള്ള സിദ്ധാന്തം. കാരണം ആർ.എൻ.എയ്ക്ക് എൻസൈമുകളായി പ്രവർത്തിക്കാനുള്ള കഴിവുണ്ട്. പ്രോട്ടീൻ എൻസൈമിന്റെ അഭാവത്തിൽ അവയ്ക്ക് സ്വന്തം പതിപ്പുകളുണ്ടാക്കാൻ കഴിയും. എൻസൈമിന്റെ കഴിവുള്ള ആർ. എൻ.എ കളെ റൈബോസൈമുകൾ (Ribozymes) എന്നാണ് പറയുന്നത്. അത്തരത്തിലുള്ള ഒരു ജോഡി റൈബോസൈമുകളാണ് 2009-ൽ കാലിഫോർണിയയിലെ സ്ക്രിപ്പ്സ് റിസർച്ച് ഇൻസ്റ്റിറ്യൂട്ടിലെ ട്രേസി ലിങ്കണും ജെറാഡ് ജോയ്സും ചേർന്ന് കൃത്രിമമായി നിർമ്മിച്ചത്. ഒന്നാമത്തെ റൈബോസൈം രണ്ടാമത്തെ റൈബോസൈമിന്റെ നിർമ്മിതിക്കും രണ്ടാമത്തെ റൈബോസൈം ഒന്നാമത്തെ റൈബോസൈമിന്റെ നിർമ്മിതിക്കും എൻസൈമുകളായി പ്രവർത്തിച്ചു. ഇങ്ങനെയുള്ള റൈബോസൈം ജോഡികൾ ആദിമ ഭൂമിയിൽ നിലനിന്നിരിക്കാനുള്ള സാധ്യതയിലേക്കാണ് ഈ കണ്ടെത്തൽ വിരൽചൂണ്ടുന്നത്.

Syn61, the E. coli bacteria with a “recoded” genome, growing on an agar plate. Credit : Wesley E. Robertson

കൃത്രിമ ഇ. കോളി

മൈക്കോപ്ലാസ്മയേക്കാൾ വലുപ്പമുള്ളവയാണ് ഇ.കോളി ബാക്റ്റീരിയകൾ. സ്വാഭാവികമായും അവയുടെ ജീനോമും വലുതാണ്. 2019-ൽ ഇംഗ്ലണ്ടിലെ മെഡിക്കൽ റിസർച്ച് കൗൺസിൽ ലബോറട്ടറി ഫോർ മോളിക്കുളാർ ബയോളജിയിലെ (Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology) ജൂലിയസ് ഫ്രെഡൻസും സംഘവും നിർമ്മിച്ചത് അത്തരമൊരു വലിയ ജീനോമാണ്. ഇതുവരെയായി നിർമ്മിക്കപ്പെട്ട ഏറ്റവും വലിയ കൃത്രിമ ജീനോമാണിത്. എല്ലാ ജീവികളിലും 64 ജെനറ്റിക്ക് കോഡുകളുള്ളപ്പോൾ ഈ കൃത്രിമ ഇ. കോളി ജീനോമിൽ 61 ജെനറ്റിക്ക് കോഡുകൾ മാത്രമേയുള്ളൂ. വളർച്ചയും വിഭജനവും ഇത്തിരി പതുക്കെയാണെങ്കിലും അവയ്ക്ക് സാധാരണ ഇ. കോളികളെപ്പോലെയുള്ള സാധാരണ ജീവിതം നയിക്കാൻ കഴിയുന്നുണ്ട്.

കൃത്രിമ ജീവൻ

കൃത്രിമജീവനിലേക്കുള്ള യാത്രയുടെ അവസാനത്തെ നാഴികക്കല്ല് ഇനിയും അകലെതന്നെയാണ്. ഇതുവരെ കാണാത്ത ഒരു ജീവിയെ പൂർണമായും അജൈവങ്ങളായ പദാർത്ഥങ്ങളിൽനിന്ന് നിർമ്മിക്കാൻ കഴിയും വരെ ആ യാത്ര തുടരും. അത്തരമൊരു സഞ്ചാരത്തിന് ശുഭയാത്ര നേരാം.

റഫറൻസുകൾ

Fredens J et al (2019). Total synthesis of Escherichia coli with a recorded genome. Nature. 569: 514-518.
Gibson DG et al (2008). Complete Chemical Synthesis, Assembly, and Cloning of a Mycoplasma genitalium Genome. Science. 319: 1215-1220.)
Gibson DG et al (2010). Creation of a bacterial cell controlled by a chemically synthesized genome. Science. 329:52-56
Glass JI, Merryman C, Wise KS, Hutchison, CA and Smith HO. (2017). Minimal cells- Real and Imagined. Cold springs harbor perspectives in biology 9:a023861.
Hutchison CA, Chuang RY, Noskov VN, Assad-Garcia N, Deerinck TJ, Ellisman MH, Gill J, Kannan K, Karas BJ, Ma L, et al. (2016). Design and synthesis of a minimal bacterial genome. Science 351:6253.
Jeon KW, Lorch IJ, Danielli JF (1970) Reassembly of living cells from dissociated components. Science 167, 1626–1627)
Lincoln TA, Joyce GF (2009). Self-Sustained Replication of an RNA Enzyme. Science. 323: 1229-1232.