الدرس الثاني: التكنولوجيا الجزيئية والهندسة الوراثية وتطبيقاتها

• بعد التقدم في معرفة تركيب الجين وكيفية تخليق البروتين أصبح من الممكن عزل جين مرغوب فيه.
• يمكن تكوين ملايين النسخ منه داخل خلية بكتيرية أو خميرية.
• يمكن تحليل هذه النسخ لمعرفة تتابع النيوكليوتيدات في الجين.
• يمكن مقارنة تركيب جينات الفرد نفسه أو جينات أفراد مختلفين.
• معرفة تتابع النيوكليوتيدات تمكّن من معرفة تتابع الأحماض الأمينية في البروتين المقابل.
• أمكن في حالات كثيرة نقل جينات وظيفية إلى خلايا نباتية وأخرى حيوانية.

بناء DNA حسب الطلب

• أصبح من الممكن بناء جزيئات DNA حسب الطلب.
• في عام 1979 تمكّن خورانا (Khorana) من إنتاج جين صناعي وأدخله إلى خلية بكتيرية.
• توجد الآن في معامل كثيرة أجهزة مبرمجة تنتج شريطًا قصيرًا من DNA بالتتابع المرغوب.

الهندسة الوراثية

• الإنجازات السابقة نتاج التكنولوجيا الجزيئية التي تُعرف بـ الهندسة الوراثية (Genetic Engineering).
• من أهم تقنياتها: تهجين الحمض النووي، وإنزيمات القصر والربط، واستنساخ DNA، وتفاعل PCR، وDNA معاد الاتحاد.

فكرة التهجين

• عند رفع حرارة جزيء DNA إلى نحو 100°م تنكسر الروابط الهيدروجينية بين القواعد المتزاوجة.
• ينتج شريطان مفردان غير ثابتين.
• عند خفض الحرارة تميل الأشرطة المفردة إلى الثبات بتزاوج كل شريط مع شريط آخر مكوّنة لولبًا مزدوجًا من جديد.
• يمكن لأي شريطين مفردين من DNA أو RNA أن يكوّنا شريطًا مزدوجًا إذا كانت بهما تتابعات متكاملة ولو قصيرة.

شدة الالتصاق

• تتوقف شدة التصاق الشريطين على درجة التكامل بين تتابعات قواعدهما النيتروجينية.
• تُقاس بمقدار الحرارة اللازمة لفصل الشريطين مرة أخرى.
• كلما كانت شدة الالتصاق كبيرة زاد مقدار الحرارة اللازم لفصلهما.

إنتاج اللولب المزدوج الهجين

• تُمزج الأحماض النووية من مصدرين مختلفين (نوعين مختلفين من الكائنات مثلًا).
• ترتفع الحرارة إلى 100°م ثم يُترك الخليط يبرد.
• تتكوّن بعض اللوالب الأصلية، وفي الوقت نفسه تتكوّن لوالب هجينة يتكوّن كل منها من شريط من كل مصدر.

استخدامات DNA المهجّن

• الكشف عن جين معين وتقدير كميته في محتوى جيني:
• يُحضَّر شريط مفرد من تتابعات نيوكليوتيدات متكامل مع أحد شريطي الجين المدروس.
• تُستخدم النظائر المشعة في تحضيره لتسهيل التعرف عليه.
• يُخلط بالعينة المجهولة ويُستدل على تركيز الجين من كمية اللوالب المزدوجة المشعة المتكونة.
• تحديد العلاقات التطورية بين الأنواع:
• كلما كانت العلاقة التطورية بين نوعين أقرب تشابه تتابع النيوكليوتيدات في DNA بينهما وزادت درجة التهجين.
• يدل ارتفاع الحرارة اللازمة لفصل اللولب الهجين على قوة التكامل وقرابة الكائنين.

اكتشافها

• كان معروفًا أن الفيروسات التي تنمو داخل سلالات معينة من البكتيريا (مثل E. coli) يقتصر نموها على هذه السلالات ولا تنمو في سلالات أخرى.
• أرجع الباحثون ذلك في السبعينيات إلى أن السلالات المقاومة تكوّن إنزيمات تتعرف على مواقع معينة في DNA الفيروسي الغريب وتهضمه إلى قطع عديمة القيمة.
• أُطلق على هذه الإنزيمات اسم إنزيمات القصر.

لماذا لا تهاجم DNA البكتيريا نفسها؟

• تكوّن البكتيريا إنزيمات معدِّلة تضيف مجموعة ميثيل (CH₃) إلى نيوكليوتيدات في مواقع DNA البكتيري المماثلة لمواقع التعرف.
• يجعل ذلك DNA البكتيري مقاومًا لفعل إنزيم القصر.

خصائص إنزيمات القصر

• منتشرة في الكائنات الدقيقة، وقد فُصل منها أكثر من 250 إنزيمًا من سلالات بكتيرية مختلفة.
• يتعرف كل إنزيم على تتابع محدد من النيوكليوتيدات طوله 4 إلى 7 نيوكليوتيدات.
• يقص الإنزيم DNA عند موقع التعرف أو بالقرب منه.
• يكون تتابع القواعد على شريطي DNA عند موقع القطع هو نفسه عند قراءة كل شريط في الاتجاه ‎5′ → 3′‎ (تتابع متناظر).
• يقطع الإنزيم أي DNA بغض النظر عن مصدره (فيروسي أو بكتيري أو نباتي أو حيواني) ما دام يحتوي نسخة أو أكثر من تتابع التعرف.

الأطراف اللاصقة وإنزيم الربط

• توفّر إنزيمات القصر وسيلة لقص DNA إلى قطع معلومة النيوكليوتيدات عند أطرافها.
• كثير منها يترك أطرافًا مفردة الشريط تُسمّى الأطراف اللاصقة (Sticky Ends)، لأن قواعدها تتزاوج مع طرف قطعة أخرى قُطعت بالإنزيم نفسه.
• يمكن ربط الطرفين في شريط واحد بإنزيم الربط (DNA Ligase).
• بهذه الطريقة يستطيع الباحث لصق قطعة DNA من جزيء بجزيء آخر.

ملخص أدوات القص واللصق

الهدف

• يقوم علماء البيولوجيا بإنتاج نسخ عديدة من جين أو قطعة DNA لدراستها.

الحامل (الناقل)

• تُلصق القطعة بجزيء حامل يدخل بها إلى خلية بكتيرية.
• الحامل عادةً فاج أو بلازميد.
• البلازميدات جزيئات DNA صغيرة دائرية في بعض البكتيريا، وتتضاعف مع DNA الرئيسي.

خطوات الاستنساخ

1. يُعامل الجين الغريب (القطعة) والبلازميد بنفس إنزيم القصر، فتتكوّن نهايات لاصقة متكاملة القواعد.
2. عند خلطهما تتزاوج بعض نهايات البلازميد مع نهايات الجين.
3. يُربط الاثنان بإنزيم الربط، فيتكوّن بلازميد معاد الاتحاد.
4. يُضاف البلازميد إلى مزرعة من بكتيريا أو خلايا خميرة سبقت معالجتها لزيادة نفاذيتها.
5. تدخل بعض البلازميدات إلى داخل الخلايا.
6. كلما نمت الخلايا وانقسمت تتضاعف البلازميدات مع تضاعف المحتوى الجيني للخلية.
7. تُكسَّر الخلايا وتُحرَّر البلازميدات.
8. يُقطع الجين من البلازميدات بنفس إنزيم القصر.
9. تُعزل الجينات بـ الطرد المركزي وغيره.

• النتيجة: كمية كافية من الجين أو قطع DNA المتماثلة، يمكن تحليل تتابعها أو زراعتها في خلية أخرى.

أفضل طريقة لعزل جين

• تبدأ بخلايا يكون فيها الجين المطلوب نشطًا.
• مثال: خلايا البنكرياس التي تكوّن الأنسولين، والخلايا المولّدة لكريات الدم الحمراء التي تكوّن الهيموجلوبين.
• في هذه الخلايا توجد كمية كبيرة من mRNA الحامل لرسالة بناء البروتين.

إنزيم النسخ العكسي (Reverse Transcriptase)

• يعزل الباحث mRNA ويستخدمه قالبًا لبناء DNA مكمّل له.
• يشبه ذلك تضاعف DNA إلى حد كبير.
• يُسمّى الإنزيم الذي يبني DNA على قالب mRNA إنزيم النسخ العكسي.
• توجد شفرة هذا الإنزيم في الفيروسات التي محتواها الجيني RNA، إذ تحوّل RNA الخاص بها إلى DNA يرتبط بالمحتوى الجيني لخلية العائل.
• بعد بناء شريط DNA مفرد يمكن بناء الشريط المتكامل معه بإنزيم البلمرة.
• يمكن بعد ذلك مضاعفة اللولب المزدوج الناتج.

الغاية

• الحصول على DNA الجين مباشرة دون الأجزاء غير المشفّرة، ثم استنساخه.

• يُستخدم لمضاعفة قطع DNA (Polymerase Chain Reaction).
• يعتمد على إنزيم تاك بوليميريز (Taq Polymerase) الذي يعمل عند درجة حرارة مرتفعة.
• يستطيع الجهاز في دقائق معدودة مضاعفة قطعة DNA آلاف المرات.

مكونات التفاعل

• DNA القالب المراد مضاعفته.
• البوادئ (Primers) القصيرة.
• إنزيم تاك بوليميريز.
• محلول منظِّم.
• نيوكليوتيدات حرة لبناء الأشرطة الجديدة.

فكرة مبسطة للدورة

• تُسخَّن العينة فينفصل شريطا القالب.
• تُبرَّد فترتبط البوادئ بالقالب.
• يبني الإنزيم الشريط الجديد، فتصير كل قطعة اثنتين.
• تتكرر الدورة فيتضاعف العدد في كل مرة. مثال 1: إذا بدأت العينة بجزيء DNA واحد وتكررت الدورة 10 مرات (مع تضاعف كامل)، فكم جزيئًا يتكوّن؟

الحل:

• عدد النسخ بعد n دورة = 2ⁿ.
• بعد 10 دورات: 2¹⁰ = 1024 جزيئًا.

• شهدت السنوات الأخيرة إنجازات كبيرة في تكنولوجيا DNA معاد الاتحاد، أي إدخال جزء من DNA كائن حي إلى خلايا كائن حي آخر.

إمكانات علاجية

• أصبح من الممكن إدخال نسخ من جينات طبيعية إلى بعض الأفراد المصابين بعطب في جيناتهم.
• بذلك يمكن تخليصهم من المعاناة، وعدم حاجتهم إلى استخدام مستمر للعقاقير لعلاج الخلل الوراثي.

تحفظات

• قد تكون هذه التكنولوجيا خطرة جدًا لو استُخدمت لأغراض أخرى.
• يعارض كثيرون بشدة الاستمرار في هذا المجال من البحث.

1) إنتاج بروتينات مفيدة تجاريًا (الأنسولين)

• في عام 1982 رخصت الولايات المتحدة الأمريكية استخدام أول بروتين يُنتج بتكنولوجيا DNA معاد الاتحاد، وهو الأنسولين البشري.
• يحتاجه يوميًا ملايين المصابين بمرض السكر.
• كان يُستخلص قبل ذلك من بنكرياس المواشي والخنازير.
• الأنسولين البشري الذي تنتجه البكتيريا أفضل لبعض المرضى الذين لا يتحملون الفروق الطفيفة بين الأنسولين البشري وأنسولين الأنواع الأخرى.

2) الإنترفيرونات

• توصّل الباحثون إلى تكوين بكتيريا تحتوي على جينات الإنترفيرونات البشرية.
• الإنترفيرونات بروتينات توقف تضاعف الفيروسات (على الأخص التي محتواها الجيني RNA مثل فيروس الإنفلونزا وشلل الأطفال).
• داخل الجسم تُبنى وتنطلق من الخلايا المصابة بالفيروس وتعمل على وقاية الخلايا المجاورة.
• قد تفيد في علاج بعض الأمراض الفيروسية.
• كان الإنترفيرون المستخدم طبيًّا حتى 1970 يُستخلص بصعوبة من الخلايا البشرية، فكان نادرًا ومرتفع الثمن.
• في الثمانينيات تمكّن الباحثون في مصانع الأدوية من إدخال جين الإنترفيرون البشري (15 جينًا) إلى خلايا بكتيرية، فأصبح وفيرًا ورخيصًا نسبيًّا.

3) التطبيقات الزراعية

• إدخال جينات مقاومة المبيدات العشبية ومقاومة بعض الأمراض الهامة في نباتات المحاصيل.
• تُبذل جهود لعزل ونقل جينات النباتات البقولية التي تمكنها من استضافة بكتيريا تثبيت النيتروجين الجوي في جذورها.
• لو زُرعت هذه الجينات في محاصيل أخرى لأمكن الاستغناء عن الأسمدة النيتروجينية عالية التكلفة والتي تلوث الماء في المناطق الزراعية.

4) نقل الجينات بين الحيوانات

• زُرع جين من سلالة من ذبابة الفاكهة في جنين سلالة أخرى، في خلايا مقرر لها أن تكون أعضاء تكاثرية.
• نمت الأجنة إلى أفراد انتقل إليها الجين، فأضفى على الأجيال الناتجة صفة لون العين الياقوتي الأحمر بدلًا من البني.
• أدخل باحثون جين هرمون النمو من فأر من النوع الكبير أو من الإنسان إلى فئران من النوع الصغير.
• نمت هذه الفئران إلى ضعف حجمها الطبيعي، وانتقلت الصفة إلى نسلها.

5) اللقاحات

• تعديل الجينوم البكتيري لإنتاج الأنتيجينات الخاصة بمسببات الأمراض بهدف تصنيع لقاحات آمنة.

ملخص التطبيقات

• يُستخدم تحليل DNA أيضًا في الأدلة الجنائية عبر بصمة DNA للتعرف على الأفراد.

تعريفه

• مشروع الجينوم البشري جهد دولي ضخم يهدف إلى دراسة تتابع الجينات على الكروموسومات البشرية.
• يهدف أيضًا إلى معرفة تتابع النيوكليوتيدات في كل جين.
• أُجري المشروع في الفترة من 1990 إلى 2003.

أهم النتائج

• بلغ عدد الجينات في الجينوم البشري نحو 25000 جين فقط.
• موجودة على 23 كروموسومًا (أزواج الصبغيات).
• أصبحت المعلومات متوفرة للمجتمع العلمي.

فوائد مشروع الجينوم البشري

• معرفة الجينات المسببة للأمراض الوراثية الشائعة والنادرة.
• معرفة الجينات المسببة لعجز الأعضاء عن أداء وظائف الجسم.
• الاستفادة منه مستقبلًا في صناعة العقاقير والوصول إلى عقاقير بلا آثار جانبية.
• دراسة تطور الكائنات الحية بمقارنة الجينوم البشري بجينومات الكائنات الأخرى.
• يعكس المشروع عظمة الخالق في المعلومات الوراثية التي تميّز البشر بصفات تختلف من فرد لآخر.