Synthetic biological circuit
مصنوعی حیاتیاتی سرکٹس مصنوعی حیاتیات کا ایک اطلاق ہے جہاں سیل کے اندر حیاتیاتی حصوں کو الیکٹرانک سرکٹس میں مشاہدہ کردہ منطقی افعال انجام دینے کے لیے ڈیزائن کیا گیا ہے۔ ایپلی کیشنز محض پیداوار کو راغب کرنے سے لے کر ایک قابل پیمائش عنصر، جیسے جی ایف پی، کو موجودہ قدرتی حیاتیاتی سرکٹ میں شامل کرنے سے لے کر بہت سے حصوں کے مکمل طور پر نئے نظاموں کو نافذ کرنے تک ہیں۔ مصنوعی حیاتیات کا مقصد ٹیون ایبل اور مخصوص حصوں، یا ماڈیولز کی ایک صف تیار کرنا ہے، جس کے ساتھ کسی بھی مطلوبہ مصنوعی حیاتیاتی سرکٹ کو آسانی سے ڈیزائن اور نافذ کیا جا سکتا ہے۔ یہ سرکٹس سیلولر افعال میں ترمیم کرنے، ماحولیاتی حالات کے لیے سیلولر ردعمل پیدا کرنے، یا سیلولر نشوونما کو متاثر کرنے کے طریقہ کار کے طور پر کام کر سکتے ہیں۔ سیلولر نظاموں میں عقلی، قابو پانے کے قابل منطق عناصر کو نافذ کرکے، محققین زندہ نظاموں کو انجینئرڈ "حیاتیاتی مشینوں" کے طور پر استعمال کر سکتے ہیں تاکہ مفید افعال کی ایک وسیع رینج انجام دی جا سکے۔ تاریخ تفصیل سے مطالعہ کیا گیا پہلا قدرتی جین سرکٹ لاک اوپیرون تھا۔ دو چینی میڈیا پر ای کولی کی ڈایکسک نشوونما کے مطالعے میں، جیکس مونوڈ اور فرانکوئس جیکب نے دریافت کیا کہ E.coli ترجیحی طور پر لییکٹوز میٹابولزم میں تبدیل ہونے سے پہلے زیادہ آسانی سے پروسیس شدہ گلوکوز کا استعمال کرتا ہے۔ انہوں نے دریافت کیا کہ میٹابولک "سوئچنگ" فنکشن کو کنٹرول کرنے والا میکانزم لاک اوپیرون پر دو حصوں والا کنٹرول میکانزم تھا۔ جب خلیے میں لییکٹوز موجود ہوتا ہے تو لییکٹوز کو گلوکوز یا گیلیکٹوز میں تبدیل کرنے کے لیے انزائم β-galactosidase تیار کیا جاتا ہے۔ جب خلیے میں لییکٹوز غیر حاضر ہوتا ہے تو لیک ریپریسر خلیے کے اندر کسی بھی غیر موثر عمل کو روکنے کے لیے انزائم β-galactosidase کی پیداوار کو روکتا ہے۔ لیک اوپیرون کا استعمال بائیوٹیکنالوجی کی صنعت میں علاج کے استعمال کے لیے ریکومبیننٹ پروٹین کی تیاری کے لیے کیا جاتا ہے۔ ایک خارجی پروٹین تیار کرنے کے لیے جین یا جین کو لاک پروموٹر کے کنٹرول میں پلازمیڈ پر رکھا جاتا ہے۔ ابتدائی طور پر خلیات ایک ایسے میڈیم میں اگائے جاتے ہیں جس میں لییکٹوز یا دیگر شکر نہیں ہوتے ہیں، اس لیے نئے جینوں کا اظہار نہیں ہوتا ہے۔ ایک بار جب خلیات اپنی نشوونما میں ایک خاص مقام پر پہنچ جاتے ہیں، تو آئسوپروپائل β-D-1-تھیوگالیکٹوپیرنوسائڈ (آئی پی ٹی جی) شامل کیا جاتا ہے۔ آئی پی ٹی جی، لییکٹوز سے ملتا جلتا ایک مالیکیول، لیکن سلفر بانڈ کے ساتھ جو ہائیڈرولائز ایبل نہیں ہے تاکہ ای کولی اسے ہضم نہ کرے، نئے پروٹین کی پیداوار کو چالو کرنے یا "متاثر" کرنے کے لیے استعمال کیا جاتا ہے۔ ایک بار خلیات کو متحرک کرنے کے بعد، خلیات سے آئی پی ٹی جی کو ہٹانا مشکل ہوتا ہے اور اس لیے اظہار کو روکنا مشکل ہوتا ہے۔ مصنوعی حیاتیاتی سرکٹس کی دو ابتدائی مثالیں 2000 میں نیچر میں شائع ہوئی تھیں۔ ایک، ٹم گارڈنر، چارلس کینٹر، اور بوسٹن یونیورسٹی میں کام کرنے والے جم کولنز نے ای کولی میں "بسٹ ایبل" سوئچ کا مظاہرہ کیا۔ بیکٹیریا کے کلچر کو گرم کرکے سوئچ آن کیا جاتا ہے اور آئی پی ٹی جی کے اضافے سے بند کیا جاتا ہے۔ انہوں نے اپنے سسٹم کے لیے جی ایف پی کو بطور رپورٹر استعمال کیا۔ دوسرا، مائیکل ایلووٹز اور اسٹینسلاس لیبلر کے ذریعہ، یہ ظاہر کیا گیا کہ تین ریپریسر جینوں کو ایک منفی فیڈ بیک لوپ بنانے کے لیے جوڑا جا سکتا ہے جسے ریپریسیلیٹر کہا جاتا ہے جو ای کولی میں پروٹین کی سطح کے خود کفیل ارتعاش پیدا کرتا ہے۔ فی الحال، مصنوعی سرکٹس نظام حیاتیات میں تحقیق کا ایک بڑھتا ہوا شعبہ ہے جس میں ہر سال شائع ہونے والے مصنوعی حیاتیاتی سرکٹس کی تفصیل کے ساتھ مزید اشاعتیں ہیں۔ تعلیم اور رسائی کی حوصلہ افزائی میں بھی نمایاں دلچسپی رہی ہے: بین الاقوامی جینیاتی طور پر انجینئرڈ مشینوں کا مقابلہ بائیو اینٹوں کے پرزوں کی تخلیق اور معیار کا انتظام کرتا ہے تاکہ انڈرگریجویٹ اور ہائی اسکول کے طلباء کو اپنے مصنوعی حیاتیاتی سرکٹس ڈیزائن کرنے کی اجازت دی جا سکے۔ دلچسپی اور اہداف مصنوعی حیاتیاتی سرکٹس کے استعمال کے لیے فوری اور طویل مدتی دونوں ایپلی کیشنز موجود ہیں، جن میں میٹابولک انجینئرنگ، اور مصنوعی حیاتیات کے لیے مختلف ایپلی کیشنز شامل ہیں۔ جن کا کامیابی سے مظاہرہ کیا گیا ان میں دواسازی کی پیداوار، اور ایندھن کی پیداوار شامل ہیں۔ تاہم، براہ راست جینیاتی تعارف سے متعلق طریقے مصنوعی سیلولر سرکٹس کے بنیادی اصولوں کو مدعو کیے بغیر فطری طور پر موثر نہیں ہیں۔ مثال کے طور پر، ان کامیاب نظاموں میں سے ہر ایک تمام یا کوئی نہیں انڈکشن یا اظہار کو متعارف کرانے کے لیے ایک طریقہ استعمال کرتا ہے۔ یہ ایک حیاتیاتی سرکٹ ہے جہاں پروڈکٹ کی تخلیق، یا مسابقتی راستے کی روک تھام کو آسان بنانے کے لیے ایک سادہ ریپریسر یا پروموٹر متعارف کرایا جاتا ہے۔ تاہم، سیلولر نیٹ ورک اور قدرتی سرکٹری کی محدود تفہیم کے ساتھ، زیادہ درست کنٹرول اور فیڈ بیک کے ساتھ زیادہ مضبوط اسکیموں کے نفاذ میں رکاوٹ آتی ہے۔ اسی میں مصنوعی سیلولر سرکٹس میں فوری دلچسپی ہے۔ سیلولر سرکٹری کو سمجھنے میں ترقی دلچسپ نئی تبدیلیوں کا باعث بن سکتی ہے، جیسے خلیات جو ماحولیاتی محرکات کا جواب دے سکتے ہیں۔ مثال کے طور پر، ایسے خلیات تیار کیے جا سکتے ہیں جو زہریلے ماحول کا اشارہ دیتے ہیں اور سمجھے جانے والے زہر کو خراب کرنے کے لیے استعمال ہونے والے راستوں کو چالو کر کے رد عمل ظاہر کرتے ہیں۔ اس طرح کے خلیے کو تیار کرنے کے لیے، ایک پیچیدہ مصنوعی سیلولر سرکٹ بنانا ضروری ہے جو کسی دیئے گئے محرک کو مناسب طریقے سے جواب دے سکے۔ یہ دیکھتے ہوئے کہ مصنوعی سیلولر سرکٹس سیلولر سرگرمیوں کے لیے کنٹرول کی ایک شکل کی نمائندگی کرتے ہیں، یہ استدلال کیا جا سکتا ہے کہ سیلولر راستوں کی مکمل تفہیم کے ساتھ، اچھی طرح سے متعین جینیاتی سرکٹری کے ساتھ "پلگ اینڈ پلے" خلیات کو تیار کیا جا سکتا ہے۔ یہ وسیع پیمانے پر مانا جاتا ہے کہ اگر حصوں کا ایک مناسب ٹول باکس تیار کیا جائے تو مصنوعی خلیوں کو صرف خلیوں کی بقا اور تولیدی عمل کے لیے ضروری راستوں کو لاگو کرتے ہوئے تیار کیا جا سکتا ہے۔ اس خلیے سے، کم سے کم جینوم خلیے کے طور پر سوچنے کے لیے، کوئی بھی ٹول باکس سے ٹکڑے جوڑ سکتا ہے تاکہ ایک موثر فیڈ بیک سسٹم کے لیے مناسب مصنوعی سرکٹری کے ساتھ ایک اچھی طرح سے متعین راستہ بنایا جا سکے۔ بنیادی گراؤنڈ اپ تعمیراتی طریقہ کار، اور نقشہ شدہ سرکٹری کے ٹکڑوں کے مجوزہ ڈیٹا بیس کی وجہ سے، کمپیوٹر یا الیکٹرانک سرکٹس کو ماڈل بنانے کے لیے استعمال ہونے والی تکنیکوں کی عکاسی کرنے والی تکنیکوں کو خلیوں اور ماڈل خلیوں کو دوبارہ ڈیزائن کرنے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے تاکہ آسانی سے دشواریوں کا سراغ لگایا جا سکے اور پیش گوئی کرنے والے رویے اور پیداوار کے لیے۔ مثالی سرکٹس آسکیلیٹر دبانے والے ممالیہ ٹیون ایبل مصنوعی آسکیلیٹر بیکٹیریل ٹیون ایبل مصنوعی آسکیلیٹر جوڑے ہوئے بیکٹیریل آسکیلیٹر عالمی سطح پر جوڑے ہوئے بیکٹیریل آسکیلیٹر ایلووٹز اور دیگر۔ اور فنگ اور دیگر۔ اس نے ارتعاشی سرکٹس بنائے جو جین پروڈکٹ کے اظہار کا وقت پر منحصر ارتعاش پیدا کرنے کے لیے متعدد سیلف ریگولیٹنگ میکانزم کا استعمال کرتے ہیں۔ بسٹیبل سوئچز ٹوگل سوئچ گارڈنر اور دیگر۔ دو کنٹرول یونٹوں کے درمیان باہمی جبر کا استعمال ایک ٹگل سوئچ کا نفاذ بنانے کے لیے کیا جاتا ہے جو خلیوں کو بسٹ ایبل انداز میں کنٹرول کرنے کے قابل ہوتا ہے: عارضی محرکات جس کے نتیجے میں مستقل ردعمل ہوتے ہیں۔ منطقی آپریٹرز اینالاگ ٹیونرز منفی فیڈ بیک اور یکساں پروموٹروں کا استعمال کرتے ہوئے، لینیرائزر جین سرکٹس یکساں جین کے اظہار کو نافذ کر سکتے ہیں جو لکیری طور پر ایکسٹرا سیلولر کیمیائی انڈسر کے ارتکاز پر منحصر ہوتا ہے۔ جین کے اظہار کے کنٹرولر ہیٹروجینیٹی مصنوعی جین سرکٹس جین کے اظہار کو کنٹرول کر سکتے ہیں ہیٹروجینیٹی کو جین کے اظہار کے اوسط سے آزادانہ طور پر کنٹرول کیا جا سکتا ہے۔ دیگر انجینیئرڈ سسٹمز انجینیئرڈ سسٹمز مختلف کنٹرول میکانزم کے امتزاج کے نفاذ کا نتیجہ ہیں۔ ایک محدود گنتی کا طریقہ کار پلس کنٹرولڈ جین کاسکیڈ کے ذریعے نافذ کیا گیا تھا اور منطق عناصر کا اطلاق خلیوں کے جینیاتی "پروگرامنگ" کو قابل بناتا ہے جیسا کہ ٹیبور اور دیگر کی تحقیق میں، جس نے فوٹو حساس بیکٹیریل ایج ڈٹیکشن پروگرام کی ترکیب کی تھی۔ مصنوعی جین کی ترکیب میں حالیہ پیش رفت اور صنعت کے اندر مسابقت میں اسی طرح کے اضافے کی وجہ سے جین کی ترکیب کی قیمت اور انتظار کے وقت میں نمایاں کمی واقع ہوئی ہے اور سرکٹ ڈیزائن میں استعمال ہونے والے طریقوں کو بہتر بنانے میں مدد ملی ہے۔ اس وقت، معروف متعدد جین تعاملات اور ریاضیاتی ماڈلز کی ناکافی تنظیم کی وجہ سے سرکٹ ڈیزائن سست رفتار سے بہتر ہو رہا ہے۔ حیاتیاتی سرکٹس پر لاگو تصاویر، متن اور پروگرامنگ زبان کے ذریعے سرکٹس کی ملٹی میڈیا نمائندگی فراہم کرنے کے لیے کمپیوٹر ایڈیڈ ڈیزائن (سی اے ڈی) سافٹ ویئر کا اطلاق کرکے اس مسئلے کو حل کیا جا رہا ہے۔ کچھ زیادہ معروف سی اے ڈی پروگراموں میں جینوکیڈ، کلوتھو فریم ورک اور جے 5 شامل ہیں۔ جینوکیڈ گرائمرز کا استعمال کرتا ہے، جو یا تو اوپن سورس ہوتے ہیں یا صارف کے تیار کردہ "قواعد" ہوتے ہیں جن میں کلوننگ حیاتیات کے لیے دستیاب جینز اور معروف جین تعاملات شامل ہیں۔ کلاتھو فریم ورک بائیوبرک معیاری قوانین کا استعمال کرتا ہے۔ حوالہ جات بیرونی روابط جین ریگولیشن: سرکٹ انجینئرنگ کے شعبے کی طرف مصنوعی جینیاتی آسکیلیٹرز مصنوعی حیاتیات