الهندسة الوراثية: تعني التغيير المباشر لجينوم الكائن الحي باستخدام تطبيقات مختلفة في الوراثة والأحياء الجزيئية، وهناك العديد من التطبيقات المستخدمة لوصف الهندسة الوراثية كالتعديل الوراثي، وإنتاج كائنات محسنة، واستنساخ الجينات (الاستنساخ الجزيئي). وتبرز أهمية هذه التقنيات في نقل الجينات لإنتاج كائنات محسنة أو جديدة ذات أهمية طبية أو اقتصادية. فقد تمكن العلماء من الحصول على سلالات بكتيرية تعمل على إنتاج مواد لها تأثير طبي كهرمون الإنسولين ومحاصيل زراعية تقاوم ملوحة التربة والآفات الزراعية.
الوسائل والأدوات المستخدمة في الهندسة الوراثية
- أنزيمات القطع (Restriction Enzymes):
لقد تم استخلاص المئات من أنزيمات قطع DNA المختلفة من البكتيريا، وسمي كل منها نسبة إلى البكتيريا التي تم استخلاصه منها. فمثلاً أنزيم EcoRI مستخلص من بكتيريا E. coli. وهي عبارة عن أنزيمات متخصصة في قطع DNA عن طريق التعرف على تتابع معين من النيوكليوتيدات لتقوم بالقطع في هذا التتابع أو بالقرب منه. فمثلاً أنزيم القطع EcoRI يتعرف على التتابع GAATTC في DNA ومن ثم يقوم بقطع سلسلتي DNA بين نيوكليوتيدات A وG مكوناً نهايات لزجة (Sticky Ends).
- أنزيم اللصق (DNA Ligase):
يُستخدم لربط نهايات DNA التي تم قطعها من قبل أنزيم القطع، حيث يربط هذه النهايات اللزجة مع قطعة أخرى قطعت بنفس الأنزيم.
- النواقل (Vectors):
مثل البلازميدات والفيروسات التي تستخدم لنقل DNA الذي تم قطعه من الجينوم وتكثيره في الخلية المستقبلة (خلايا بكتيرية، نباتية، حيوانية). تعدّ البلازميدات من أكثر أنواع النواقل شيوعاً في الهندسة الوراثية؛ وذلك لحجمها المناسب، وتنوعها، وسهولة الحصول عليها والتعامل معها، وتضاعفها المستقل عن الكروموسوم البكتيري بالإضافة لاحتوائها على مواقع مختلفة لأنزيمات القطع. ولكن اختيار الناقل يعتمد بالدرجة الأولى على طبيعة وحجم قطع DNA المراد نقلها.
تقنية DNA معاد التركيب (Recombinant DNA Technology)
هي تقانة تستخدم لإنتاج مواد ذات أهمية طبية باستخدام تقانة DNA معاد التركيب، حيث يتم نقل قطعة من الجينوم إلى كائن حي آخر (مثل البكتيريا) لإنتاج بروتينات مفيدة.
- الخطوات الرئيسية لإنتاج هرمون الإنسولين:
1) اختيار البلازميد المناسب من البكتيريا (E. coli) وقطع الجين البشري (المسؤول عن إنتاج هرمون الإنسولين) باستخدام إنزيمات القطع.
2) ربط الجين البشري مع البلازميد البكتيري باستخدام أنزيم اللصق (DNA Ligase) لتكوين DNA معاد التركيب.
3) إدخال البلازميد إلى الخلية البكتيرية.
4) تكاثر البكتيريا المعدلة وراثياً في وسط غذائي مناسب وإنتاج هرمون الإنسولين البشري.
5) فصل الإنسولين وتنقيته من بروتينات متناول مرضى السكري.
- بروتينات تم الحصول عليها بتقنية DNA معاد التركيب:
- الإنسولين: أول بروتين تم إنتاجه بتقنية DNA معاد التركيب هو هرمون الإنسولين، وتم اعتماده وطرحه للاستخدام في العام 1982، حيث كان مرضى السكري من النوع الأول يحصلون على هذا الهرمون من الأبقار والخنازير وبكميات محدودة.
- هرمون النمو (Growth Hormone): تم إنتاجه لعلاج الأطفال المصابين بقصر القامة الناجم عن خلل في الغدة النخامية.
- عوامل التخثر (Clotting Factors): بالإضافة إلى إنتاج عوامل التخثر للازمة لعلاج مرضى نزف الدم الوراثي.
الهجرة الكهربائية (Electrophoresis)
تُستخدم الهجرة الكهربائية لفصل قطع DNA خلال مرورها في مجال كهربائي، بالاعتماد على حجمها؛ وذلك بهدف دراستها والتعرف عليها.
آلية العمل:
تحتوي على طبقة من جل مسامي (مادة الأغاروز Agarose) تستخرج من الأعشاب البحرية، حيث يتم توصيل الجهاز بمصدر للطاقة الكهربائية. تتحرك قطع DNA السالبة الشحنة (بسبب مجموعة الفوسفات) باتجاه القطب الموجب، وتأثر المجال الكهربائي. كلما كانت قطعة DNA أصغر حجماً كلما كانت أسرع في الحركة باتجاه القطب الموجب للجهاز. وبعد انفصال القطع يتم استخدام صبغة بروميد الإيثيديوم (Ethidium Bromide) التي ترتبط مع قطع DNA وتتألق عند تعرضها لطاقة الأشعة فوق البنفسجية لتتمكن من مشاهدة قطع DNA منفصلة.
استخدامات الهجرة الكهربائية:
- فصل قطع DNA حسب الحجم.
- دراسة التركيب الجيني.
- التحقق من نتائج تقنية PCR.
- التعرف على الطفرات الوراثية.
البصمة الوراثية (DNA Fingerprinting)
يحتوي الجينوم البشري على تتابع من نيوكليوتيدات مميزة للفرد الواحد، وتختلف من شخص لآخر، بعض هذه العلامات المميزة كتتابع الأنماط القصيرة المتكررة (Short Tandem Repeats – STRs) التي قد تتكرر بشكل محدود. من الأمثلة على هذه العلامات المميزة تتابع ACAT الذي يتكرر في جينوم شخص ما 30 مرة في موقع معين، في حين قد يتكرر في شخص آخر 18 مرة في نفس الموقع، حيث يسمى هذا التكرار المميز بالبصمة الوراثية.
- خطوات إجراء البصمة الوراثية:
1) جمع عينة دم كدلائل من مسرح الجريمة.
2) استخلاص DNA من العينة باستخدام تقنيات الاستخلاص.
3) تضخيم تجربة PCR لتكثير قطع DNA المستهدفة.
4) فصل قطع DNA الناتجة باستخدام الهجرة الكهربائية.
5) مقارنة النتائج مع عينات المشتبه بهم لتحديد هوية مرتكبي الجرائم.
تطبيقات البصمة الوراثية
- الطب الشرعي: تحديد هوية مرتكبي الجرائم.
- تحديد هوية الوالدين في قضايا النسب.
- تحديد هوية ضحايا الكوارث كالحوادث والطيران والحروب.
• الحصول على العينات من خلايا الدم البيضاء والحيوانات المنوية واللعاب والشعر والجلد وبقايا الجثث
تحدي الهندسة الوراثية
من المبتدئ إلى خبير DNA
أحسنت!
لقد أكملت المستوى الأول بنجاح
