10.1 الاستنساخ والهندسة الوراثية
أهداف التعلم
بحلول نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:- شرح التقنيات الأساسية المستخدمة لمعالجة المادة الوراثية
- شرح الاستنساخ الجزيئي والتكاثري
التقنية الحيوية (Biotechnology) هي استخدام الأساليب الاصطناعية لتعديل المادة الوراثية للكائنات الحية أو الخلايا لإنتاج مركبات جديدة أو لأداء وظائف جديدة. وقد استُخدمت التقنية الحيوية لتحسين الثروة الحيوانية والمحاصيل منذ بداية الزراعة من خلال التربية الانتقائية. ومنذ اكتشاف بنية DNA في عام 1953، وخاصة منذ تطوير الأدوات والأساليب لمعالجة DNA في السبعينيات، أصبحت التقنية الحيوية مرادفًا لمعالجة الحمض النووي (DNA) للكائنات الحية على المستوى الجزيئي. وتتركز التطبيقات الأساسية لهذه التقنية في الطب (لإنتاج اللقاحات والمضادات الحيوية) وفي الزراعة (للتعديل الوراثي للمحاصيل). كما أن للتقنية الحيوية العديد من التطبيقات الصناعية، مثل التخمر، ومعالجة التسربات النفطية، وإنتاج الوقود الحيوي، بالإضافة إلى العديد من التطبيقات المنزلية مثل استخدام الإنزيمات في منظفات الغسيل.
معالجة المادة الوراثية
لتحقيق التطبيقات المذكورة أعلاه، يجب أن يكون علماء التقنية الحيوية قادرين على استخلاص الأحماض النووية ومعالجتها وتحليلها.
مراجعة بنية الأحماض النووية
لفهم التقنيات الأساسية المستخدمة للتعامل مع الأحماض النووية، تذكر أن الأحماض النووية هي جزيئات ضخمة تتكون من نيوكليوتيدات (سكر وفوسفات وقاعدة نيتروجينية). تحتوي مجموعات الفوسفات في هذه الجزيئات على شحنة سالبة صافية. وتُسمى المجموعة الكاملة من جزيئات الحمض النووي (DNA) في نواة الكائنات الحية حقيقية النواة بالجينوم. يحتوي الحمض النووي (DNA) على شريطين متكاملين يرتبطان بواسطة روابط هيدروجينية بين القواعد المتزاوجة.
على عكس الحمض النووي (DNA) في الخلايا حقيقية النواة، تغادر جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) النواة. ويُحلل الحمض النووي الريبي الرسول (mRNA) بشكل متكرر لأنه يمثل الجينات المشفرة للبروتين التي يتم التعبير عنها في الخلية.
عزل الأحماض النووية
لدراسة الأحماض النووية أو معالجتها، يجب أولاً استخلاص الحمض النووي (DNA) من الخلايا. تُستخدم تقنيات مختلفة لاستخلاص أنواع مختلفة من الحمض النووي (DNA) (شكل 10.2). تتضمن معظم تقنيات استخلاص الحمض النووي خطوات لفتح الخلية، ثم استخدام تفاعلات إنزيمية لتدمير جميع الجزيئات الضخمة غير المرغوب فيها. تُفتح الخلايا باستخدام محلول منظف يحتوي على مركبات منظمة. ولمنع التحلل والتلوث، تُعطل الجزيئات الضخمة مثل البروتينات والحمض النووي الريبي (RNA) باستخدام الإنزيمات. ثم يُستخرج الحمض النووي (DNA) من المحلول باستخدام الكحول. يشكل الحمض النووي (DNA) الناتج، لأنه يتكون من بوليمرات طويلة، كتلة هلامية.
يُدرس الحمض النووي الريبي (RNA) لفهم أنماط التعبير الجيني في الخلايا. الحمض النووي الريبي (RNA) غير مستقر بطبيعته لأن الإنزيمات التي تحلل الحمض النووي الريبي (RNA) موجودة بشكل شائع في الطبيعة. بعضها يُفرز حتى من جلدنا ويصعب جدًا تعطيله. على غرار استخلاص الحمض النووي (DNA)، يتضمن استخلاص الحمض النووي الريبي (RNA) استخدام محاليل منظمة وإنزيمات مختلفة لتعطيل الجزيئات الضخمة الأخرى والحفاظ على الحمض النووي الريبي (RNA) فقط.
الرحلان الكهربائي الهلامي
نظرًا لأن الأحماض النووية هي أيونات سالبة الشحنة عند درجة حموضة متعادلة أو قلوية في بيئة مائية، يمكن تحريكها بواسطة مجال كهربائي. الرحلان الكهربائي الهلامي (Gel electrophoresis) هو تقنية تُستخدم لفصل الجزيئات المشحونة على أساس الحجم والشحنة. يمكن فصل الأحماض النووية كصبغيات كاملة أو كشظايا. تُحمّل الأحماض النووية في فتحة في أحد طرفي مصفوفة هلامية، ويُطبق تيار كهربائي، وتُسحب الجزيئات سالبة الشحنة نحو الطرف المقابل للهلام (الطرف ذو القطب الموجب). تتحرك الجزيئات الأصغر عبر المسام في الهلام بشكل أسرع من الجزيئات الأكبر؛ ويؤدي هذا الاختلاف في معدل الهجرة إلى فصل الشظايا على أساس الحجم. تكون الأحماض النووية في المصفوفة الهلامية غير مرئية حتى تُصبغ بمركب يسمح برؤيتها، مثل صبغة. تظهر شظايا مميزة من الأحماض النووية كأشرطة على مسافات محددة من الجزء العلوي من الهلام (نهاية القطب السالب) بناءً على حجمها (شكل 10.3). يظهر خليط من العديد من الشظايا ذات الأحجام المختلفة كخط طويل، بينما يكون الحمض النووي (DNA) الجينومي غير المقطوع عادةً كبيرًا جدًا بحيث لا يمكن أن يمر عبر الهلام ويشكل شريطًا واحدًا كبيرًا في الجزء العلوي من الهلام.
تفاعل البلمرة المتسلسل
يتطلب تحليل الحمض النووي (DNA) غالبًا التركيز على منطقة واحدة أو أكثر من مناطق الجينوم. كما يتضمن في كثير من الأحيان حالات لا يتوفر فيها سوى نسخة واحدة أو عدد قليل من نسخ جزيء الحمض النووي (DNA) لمزيد من التحليل. هذه الكميات غير كافية لمعظم الإجراءات، مثل الرحلان الكهربائي الهلامي. تفاعل البلمرة المتسلسل (PCR) هو تقنية تُستخدم لزيادة عدد نسخ مناطق محددة من الحمض النووي (DNA) بسرعة لإجراء تحليلات إضافية (شكل 10.4). يستخدم تفاعل البلمرة المتسلسل (PCR) شكلاً خاصًا من بوليميراز الحمض النووي (DNA polymerase)، وهو الإنزيم الذي يُنسخ الحمض النووي (DNA)، ومتواليات نيوكليوتيدية قصيرة أخرى تسمى البادئات التي تتزاوج قاعديًا مع جزء معين من الحمض النووي (DNA) الذي يتم نسخه. يُستخدم تفاعل البلمرة المتسلسل (PCR) لأغراض عديدة في المختبرات. وتشمل هذه: 1) تحديد هوية صاحب عينة الحمض النووي (DNA) المتروكة في مسرح الجريمة؛ 2) تحليل الأبوة؛ 3) مقارنة كميات صغيرة من الحمض النووي (DNA) القديم بالكائنات الحية الحديثة؛ و 4) تحديد متوالية النيوكليوتيدات في منطقة معينة.
الاستنساخ
بشكل عام، تعني الاستنساخ (cloning) إنشاء نسخة طبق الأصل. وعادةً ما تُستخدم الكلمة لوصف إنشاء نسخة متطابقة وراثيًا. في علم الأحياء، يُشار إلى إعادة إنشاء كائن حي كامل باسم "الاستنساخ التكاثري". وقبل وقت طويل من محاولات استنساخ كائن حي بأكمله، تعلم الباحثون كيفية نسخ أجزاء قصيرة من الحمض النووي (DNA) - وهي عملية يُشار إليها باسم الاستنساخ الجزيئي. قدمت هذه التقنية طرقًا لإنشاء أدوية جديدة والتغلب على الصعوبات المتعلقة بالأدوية الموجودة. عندما نشرت ليديا فيلا-كوماروف، التي كانت تعمل في مختبر جيلبرت بجامعة هارفارد، الورقة الأولى التي تحدد تقنية إنتاج الأنسولين الاصطناعي، تلقى باحثو ومرضى السكري أملًا جديدًا في مكافحة المرض. كان الأنسولين في ذلك الوقت يُنتج فقط باستخدام بنكرياس الخنازير والأبقار، وكانت هذه المادة المنقذة للحياة غالبًا ما تكون شحيحة. الأنسولين الاصطناعي، بمجرد إنتاجه بكميات كبيرة، سيحل هذه المشكلة للعديد من المرضى. أدت هذه الاكتشافات المبكرة إلى "BioTech Boom"، وحفزت البحث المستمر والتمويل لأساليب أحدث وأفضل لتحسين الصحة.
الاستنساخ الجزيئي
يسمح الاستنساخ بإنشاء نسخ متعددة من الجينات، والتعبير عن الجينات، ودراسة جينات محددة. لإدخال قطعة الحمض النووي (DNA) في خلية بكتيرية بشكل يسمح بنسخها أو التعبير عنها، تُدخل القطعة أولاً في بلازميد. البلازميد (plasmid) (ويُسمى أيضًا ناقلًا في هذا السياق) هو جزيء حمض نووي (DNA) دائري صغير يتضاعف بشكل مستقل عن الحمض النووي (DNA) الصبغي في البكتيريا. في الاستنساخ، يمكن استخدام جزيئات البلازميد لتوفير "مركبة" لإدخال قطعة الحمض النووي (DNA) المرغوبة. عادةً ما تُعاد البلازميدات المعدلة إلى مضيف بكتيري للتضاعف. ومع انقسام البكتيريا، فإنها تنسخ الحمض النووي (DNA) الخاص بها (بما في ذلك البلازميدات). تُنسخ قطعة الحمض النووي (DNA) المُدخلة جنبًا إلى جنب مع بقية الحمض النووي (DNA) البكتيري. في الخلية البكتيرية، يُشار إلى قطعة الحمض النووي (DNA) من الجينوم البشري (أو كائن حي آخر قيد الدراسة) على أنها حمض نووي (DNA) غريب لتمييزها عن الحمض النووي (DNA) للبكتيريا (الحمض النووي (DNA) للمضيف).
توجد البلازميدات بشكل طبيعي في التجمعات البكتيرية (مثل Escherichia coli) وتحتوي على جينات يمكن أن تساهم في سمات مفضلة للكائن الحي، مثل مقاومة المضادات الحيوية (القدرة على عدم التأثر بالمضادات الحيوية). وقد صُممت البلازميدات بشكل كبير كنواقل للاستنساخ الجزيئي وللإنتاج على نطاق واسع للجزيئات المهمة لاحقًا، مثل الأنسولين. ومن الخصائص القيمة لنواقل البلازميد سهولة إدخال قطعة الحمض النووي (DNA) الغريب. تحتوي نواقل البلازميد هذه على العديد من متواليات الحمض النووي (DNA) القصيرة التي يمكن قطعها باستخدام إنزيمات التقييد (restriction enzymes) الشائعة والمتاحة. تتعرف إنزيمات التقييد (التي تسمى أيضًا إنزيمات التقييد الداخلية) على متواليات الحمض النووي (DNA) المحددة وتقطعها بطريقة يمكن التنبؤ بها؛ وتُنتج بشكل طبيعي بواسطة البكتيريا كآلية دفاع ضد الحمض النووي (DNA) الغريب. تُحدث العديد من إنزيمات التقييد قطعًا متعرجة في شريطي الحمض النووي (DNA)، بحيث تكون للنهايات المقطوعة نتوء أحادي الشريط مكون من 2 إلى 4 نيوكليوتيدات. المتوالية التي يتعرف عليها إنزيم التقييد هي متوالية من أربعة إلى ثمانية نيوكليوتيدات وهي متوالية متناظرة. كما هو الحال مع المتوالية المتناظرة اللفظية، هذا يعني أن المتوالية تُقرأ بنفس الطريقة إلى الأمام والخلف. في معظم الحالات، تُقرأ المتوالية بنفس الطريقة إلى الأمام على أحد الشريطين وإلى الخلف على الشريط المكمل. عندما يُحدث قطع متعرج في متوالية كهذه، تكون النتوءات متكاملة (شكل 10.5).
نظرًا لأن هذه النتوءات قادرة على الالتقاء مرة أخرى عن طريق الترابط الهيدروجيني مع نتوءات متكاملة على قطعة من الحمض النووي (DNA) مقطوعة بنفس إنزيم التقييد، فإنها تسمى "النهايات اللاصقة". عملية تكوين الروابط الهيدروجينية بين المتواليات المتكاملة على الشرائط المفردة لتكوين الحمض النووي (DNA) المزدوج الشريط تسمى التلدين (annealing). تؤدي إضافة إنزيم يسمى إنزيم ربط الحمض النووي (DNA ligase)، والذي يشارك في تضاعف الحمض النووي (DNA) في الخلايا، إلى ربط شظايا الحمض النووي (DNA) بشكل دائم عندما تلتقي النهايات اللاصقة. وبهذه الطريقة، يمكن ربط أي قطعة من الحمض النووي (DNA) بين طرفي الحمض النووي (DNA) البلازميدي الذي تم قطعه بنفس إنزيم التقييد (شكل 10.6).
تُسمى البلازميدات التي يُدخل فيها الحمض النووي (DNA) الغريب جزيئات الحمض النووي المؤتلف (recombinant DNA) لأنها تحتوي على مجموعات جديدة من المادة الوراثية. وتُسمى البروتينات التي تُنتج من جزيئات الحمض النووي (DNA) المؤتلف بروتينات مؤتلفة (recombinant proteins). ليست كل البلازميدات المؤتلفة قادرة على التعبير عن الجينات. قد تُصمم البلازميدات أيضًا للتعبير عن البروتينات فقط عند تحفيزها بعوامل بيئية معينة، بحيث يتمكن العلماء من التحكم في التعبير عن البروتينات المؤتلفة.
الاستنساخ التكاثري
الاستنساخ التكاثري (Reproductive cloning) هو طريقة تُستخدم لإنشاء نسخة أو نسخة متطابقة من كائن حي متعدد الخلايا بأكمله. تخضع معظم الكائنات الحية متعددة الخلايا للتكاثر بالوسائل الجنسية، والتي تتضمن مساهمة الحمض النووي (DNA) من فردين (الآباء)، مما يجعل من المستحيل إنشاء نسخة متطابقة أو نسخة من أي من الوالدين. وقد أتاحت التطورات الحديثة في التقنية الحيوية إمكانية استنساخ الثدييات تكاثريًا في المختبر.
يتضمن التكاثر الجنسي الطبيعي اتحاد الحيوان المنوي والبويضة أثناء الإخصاب. كل من هذه الأمشاج أحادي الصيغة الصبغية، مما يعني أنها تحتوي على مجموعة واحدة من الصبغيات في نواتها. ثم تكون الخلية الناتجة، أو الزيجوت، ثنائية الصيغة الصبغية وتحتوي على مجموعتين من الصبغيات. تنقسم هذه الخلية انقسامًا متساويًا لإنتاج كائن حي متعدد الخلايا. ومع ذلك، فإن اتحاد أي خليتين لا يمكن أن ينتج زيجوتًا قابلاً للحياة؛ فهناك مكونات في سيتوبلازم خلية البويضة ضرورية للتطور المبكر للجنين خلال انقساماته الخلوية القليلة الأولى. بدون هذه المكونات، لن يكون هناك تطور لاحق. لذلك، لإنتاج فرد جديد، يلزم وجود مجموعة جينية ثنائية الصيغة الصبغية وسيتوبلازم بويضة. يتمثل النهج لإنتاج فرد مستنسخ اصطناعيًا في أخذ خلية بويضة من فرد واحد وإزالة النواة أحادية الصيغة الصبغية. ثم تُوضع نواة ثنائية الصيغة الصبغية من خلية جسدية لفرد ثانٍ، وهو المتبرع، في خلية البويضة. ثم تُحفز البويضة على الانقسام بحيث يستمر التطور. يبدو هذا بسيطًا، لكنه في الواقع يتطلب العديد من المحاولات قبل إكمال كل خطوة بنجاح.
كانت النعجة دوللي أول حيوان زراعي مستنسخ، وقد ولدت عام 1996. كان معدل نجاح الاستنساخ التكاثري في ذلك الوقت منخفضًا جدًا. عاشت دوللي ست سنوات وتوفيت بسبب ورم رئوي (شكل 10.7). كانت هناك تكهنات بأن عمر الحمض النووي (DNA) الخلوي الذي أدى إلى ولادة دوللي قد أثر على متوسط عمرها المتوقع، لأنه جاء من فرد أكبر سنًا. ومنذ دوللي، تم استنساخ عدة أنواع من الحيوانات بنجاح (مثل الخيول والثيران والماعز).
كانت هناك محاولات لإنتاج أجنة بشرية مستنسخة كمصادر للخلايا الجذعية الجنينية. في هذا الإجراء، يُدخل الحمض النووي (DNA) من إنسان بالغ في خلية بويضة بشرية، ثم تُحفز على الانقسام. هذه التقنية مشابهة للتقنية التي استُخدمت لإنتاج دوللي، لكن الجنين لا يُزرع أبدًا في حامل بديل. تُسمى الخلايا المنتجة خلايا جذعية جنينية لأن لديها القدرة على التطور إلى أنواع عديدة ومختلفة من الخلايا، مثل الخلايا العضلية أو العصبية. يمكن استخدام الخلايا الجذعية للبحث وتوفير تطبيقات علاجية في نهاية المطاف، مثل استبدال الأنسجة التالفة. وتكمن فائدة الاستنساخ في هذه الحالة في أن الخلايا المستخدمة لتجديد الأنسجة الجديدة ستكون متطابقة تمامًا مع المتبرع بالحمض النووي (DNA) الأصلي. على سبيل المثال، لن يحتاج مريض سرطان الدم (اللوكيميا) إلى شقيق متطابق الأنسجة لزرع نخاع العظم. اكتشفت فريدا ميلر وإيلين فوكس، كلتاهما تعملان بشكل مستقل، خلايا جذعية في طبقات مختلفة من الجلد. تساعد هذه الخلايا الجلد على إصلاح نفسه، وقد تكون لاكتشافها تطبيقات في علاجات أمراض الجلد وربما حالات أخرى، مثل تلف الأعصاب.
ربط بصري
لماذا كانت دوللي من سلالة فين-دورست وليست من سلالة سكوتش بلاكفيس؟
الهندسة الوراثية
يُطلق على استخدام تقنية الحمض النووي (DNA) المؤتلف لتعديل الحمض النووي (DNA) للكائن الحي لتحقيق سمات مرغوبة اسم الهندسة الوراثية (genetic engineering). وتُعد إضافة الحمض النووي (DNA) الغريب في شكل نواقل الحمض النووي (DNA) المؤتلف التي تُنشأ عن طريق الاستنساخ الجزيئي الطريقة الأكثر شيوعًا للهندسة الوراثية. ويُسمى الكائن الحي الذي يتلقى الحمض النووي (DNA) المؤتلف كائنًا معدّلًا وراثيًا (GMO). إذا كان الحمض النووي (DNA) الغريب المُدخل يأتي من نوع مختلف، يُسمى الكائن الحي المضيف معدّلًا وراثيًا (transgenic). وقد تم تعديل البكتيريا والنباتات والحيوانات وراثيًا منذ أوائل السبعينيات لأغراض أكاديمية وطبية وزراعية وصناعية. وستُفحص هذه التطبيقات بمزيد من التفصيل في الوحدة التالية.
رابط للتعلم
شاهد هذا الفيديو القصير الذي يشرح كيف ينشئ العلماء حيوانًا معدّلًا وراثيًا.
على الرغم من أن الطرق الكلاسيكية لدراسة وظيفة الجينات بدأت بنمط ظاهري معين وحددت الأساس الوراثي لذلك النمط الظاهري، فإن التقنيات الحديثة تسمح للباحثين بالبدء من مستوى متوالية الحمض النووي (DNA) وطرح السؤال: "ماذا يفعل هذا الجين أو عنصر الحمض النووي (DNA)؟" وقد أدت هذه التقنية، التي تسمى علم الوراثة العكسي (reverse genetics)، إلى عكس المنهجية الوراثية الكلاسيكية. أحد الأمثلة على هذه الطريقة يشبه إتلاف جزء من الجسم لتحديد وظيفته. فالحشرة التي تفقد جناحًا لا تستطيع الطيران، مما يعني أن وظيفة الجناح هي الطيران. وتقارن الطريقة الوراثية الكلاسيكية الحشرات التي لا تستطيع الطيران بالحشرات التي تستطيع الطيران، وتلاحظ أن الحشرات غير القادرة على الطيران فقدت أجنحتها. وبالمثل في نهج علم الوراثة العكسي، يوفر تحوير أو حذف الجينات للباحثين أدلة حول وظيفة الجين. بدلاً من ذلك، يمكن استخدام علم الوراثة العكسي لجعل الجين يُفرط في التعبير عن نفسه لتحديد التأثيرات الظاهرية التي قد تحدث.