أحياء – الهندسة الوراثية للصف الثالث الثانوى 2016

 التكنولوجيا الجزيئية ” الهندسة الوراثية “

 أهم إنجازات التكنولوجيا الجزيئية ” الهندسة الوراثية”

* أدى التقدم فى علم الجينات وكيفية تخليق البروتين إلى إمكانية:

1 – عزل جين مرغوب فيه وتكوين ملايين النسخ منه داخل خلايا البكتريا أول الخميرة
2 – تحليل أى جين لمعرفة تتابع النيوكليوتيدات فيه
3 –لإجراء مقارنة بين تركيب جينات نفس الفرد أو جينات أفراد مختلفة
4 – معرفة تتابع الأحماض الأمينية فى أى بروتين من خلال معرفة تتابع النيوكليوتيدات فى الجين
5 –نقل جينات وظيفية من خلاليا إلى خلايا أخرى ( نباتية أو حيوانية )
6 –بناء جزيئات DNA  حسب الطلب ففى عام 1979م قام خورانا بإنتاج جين صناعى وإدخاله إلى داخل خلية بكتيرية
7 – إنتاج شرائط قصيرة من DNA   تحتوى على تتابع النيوكليوتيدات الذى نرغب فيه , عن طريق برمجة النظم الجينية الموجودة فى العديد من المعامل
8 –استخدام DNA   الصناعى فى تجارب تخليق البروتين
9 –معرفة أثر الأحماض الأمينية على وظيفة البروتين عن طريق تغيير الشفرة لاستبدال حمض أمينى بحمض أمينى اخر

تقنيات التكنولوجيا الجزيئية

تهجين الحمض النووى

* الأساس العلمى لتهجين الحمض النووى:

- عند رفع درجة حرارة جزئ DNA   إلى 100^° م تنكسر الروابط الهيدروجينية التى تربط القواعد النتروجينية فى شريطى اللولب المزدوج ويتكون شريطان مفردان غير ثابتان.

- عند خفض درجة حرارة جزئ DNA تتحد الأشرطة المفردة ببعضها لتكوين لولب مزدوج من جديد حيث أنها تميل إلى حالة الثبات

- أى شريطين مفردين من DNA  أو RNA  يمكنهما تكوين شريط مزدوج إذا وجد بينهما تتابعات ولو قصيرة من القواعد المتكاملة .

-تتوقف شدة الإلتصاق بين الشريطين على درجة التكامل بين تتابعات قواعدهما النيتروجينية ويمكن قياس شدة الإلتصاق بين الشريطين بمقدار الحرارة اللازمة لفصل الشريطين عن بعضهما مرة أخرى فكلما زادت درجة الحرارة اللازمة لفصلهما دل ذلك على شدة التصاق الشريطين وهذا معناه أن هناك تكاملا أكبر بين القواعد النيتروجينية

- يمكن إستخدام قدرة الشريط المفرد لـ DNA أو RNA على الإلتصاق طويلا فى انتاج لولب مزدوج هجين

* كيفية تكوين DNA المهجن:

- خطوات إنتاج لولب مزدوج هجين من DNA:

1 – تمزج أحماض نووية من مصدرين مختلفين ( نوعين مختلفين من الكائنات الحية )
2 – ترفع درجة حرارة المزيج إلى  100^° م فتنفصل جزيئات DNA إلى أشرطة مفردة
3 – يترك الخليط ليبرد فيحدث ازدواج للقواعد النيتروجينية المتكاملة بين الشرائط فتتكون بعض اللوالب المزدوجة الأصلية بالإضافة إلى عدد من اللوالب المزدوجة المهجنة ( DNA مهجن ) التى يتكون كل منها من شريط من كلا المصدرين.

* استخدامات DNA   المهجن:

DNA المهجن :    لولب مزدوج يتكون من شريطين احدهما من كائن والشريط المتكامل معه من كائن آخر 

1- الكشف عن وجود جين معين وتحديد كميته داخل محتواه الجينى ويتم ذلك كالتالى :

   1- يُحضر شريط مفرد لتتابعات النيوكليوتيدات يتكامل مع أحد أشرطة الجين محل الدراسة وذلك بإستخدام نظائر مشعة ( حتى يسهل التعرف عليه بعد ذلك )

   2 –يُخلط هذا الشريط مع جينات المحتوى الجينى للعينة غير المعروفة

   3 – تُرفع درجة الحرارة إلى  100^° م ثم يبرد الخليط بهدف الحثول على DNA  هجين  ( أحد الشريطين طبيعى والشريط المتكامل معه صناعى مشع )

   4 – تستدل على وجود الجين وكميته بالسرعة التى تتكون بها اللوالب المزدوجة المشعة

2- تحديد العلاقات التطورية بين الأنواع المختلفة :

كلما تشابه تتابع نيوكليوتيدات DNA  بين نهوعين من الكائنات الحية وزادت درجة التهجين بينهما . كلما كانت العلاقات التطورية أقرب بينهما

إنزيمات القطع أو القصر البكتيرية

* ساد الأعتقاد بأن الفيروسات التى تنمو داخل سلالة بكتيريا إيشيريشيا كولاى (E-coli ) يقتصر نموها على هذه السلالة فقط.

* أرجع العلماء عدم وجود هذه الفيروسات داخل سلالات اخرى من البكرتيا إلى أن هذه السلالات تكون انزيمات تتعرف على مواقع معينة على جزئDNA الفيروسى الغريب وتهضمه إلى قطع عديمة القيمة وأطلق على هذه الإنزيمات أسم ( انزيمات القصر البكتيرية )

* وقد تم فصل ما يزيد عن 250 نوعا من هذه الانزيمات من سلالات بكتيرية مختلفة

لماذا لا تهاجم هذه الانزيمات DNA الخاص بالخلية البكتيرية نفسها ؟؟

لأن البكتريا التى تحتوى على إنزيمات القصر تكون إنزيمات معدلة تقوم بإضافة مجموعة ميثيل CH₃ إلى النيوكليوتيدات التى تتعرف عليها إنزيمات القصر فى جزئ DNA  البكتيرىمما يجعل DNA  البكتيرى مقاوما لتأثير هذا الأنزيم وبذلك تحافظ الخلية البكتيرية على مادتها الوزراثية ( DNAالخاص بها ) من التحلل بفعل إنزيمات القصر.

* كيفية عمل إنزيمات القصر :

1- يتعرف كل إنزيم من إنزيمات القصر على تتابع معين من النيوكليوتيدات بشريطى DNA مكون من ( 4 :7 ) نيوكليوتيدات يسمى ” موقع التعرف “

1-   يقص الإنزيم جزئ DNA عند أو بالقرب من موقع التعرف بحيث يكون تتابع القواعد النيتروجينية على شريطى DNA عند موقع القطع هو نفسه عندما يقرأ التتابع على كل شريط فى إتجاه 3َ , ولكل انزيم قصر القدرة على قطع جزئ DNA  بغض النظر عن مصدره  ( فيروسى أو بكتيرى أو نباتى أو حيوانى ) مادام هذا الجزء يحتوى على نسخة أو أكثر من تتابعات التعرف.

* أهمية أنزيمات القصر:

توفر إنزيمات القصر وسيلة لقص DNA إلى قطع معلومة النيوكليوتيدات تاركة أطراف لاصقة متكاملة ( أطراف مائلة مفردة الشريط ) يمكن لقواعدها أن تتزاوج مع قواعد أطراف لاصقة لشريط DNA   أخر تم معاملته بنفس إنزيمات القصر , ثم يتم ربطها معا بواسطة انزيم الربط , وبهذه الطريقة يمكن لصق قطعة معينة من جزئ DNA بقطعة اخرى من جزئ DNA أخر .

إستنساخ تتابعات DNA

* كيفية الحصول على DNA المراد نسخه : يتم ذلك بطريقتين

أ – فصل DNA من المحتوى الجينى للخلية

- يتم الحصول على المحتوى الجينى للخلية ثم يتم قص DNA بواسطة إنزيمات القصر.

- بهذه الطريقة يتم الحصول من المحتوى الجينى لأحد الثديات – مثلا – على ملايين من قطع DNA   يمكن لصقها ببلازميدات أو فاج لاستنساخها ( مضاعفتها )

ب – إستخدام mRNA

  هى الطريقة الأفضل وتتم كالتالى :

1-يتم عزل mRNA من بعض الخلايا التى يكون بها الجين نشطاً مثل: خلايا البنكرياس التى تكون الأنسولين أول الخلايا المولدة لكرات الدم الحمراء التى تكون الهيموجلوبين . وذلك لوجود كمية كبيرة من mRNA الذي يحمل الرسالة اللازمة لبناء هذه البروتينات

2 – يتم إستخدام mRNA كقالب لبناء شريط DNAالذي يتكامل معه وذلك بإستخدام إنزيم النسخ العكسى

3 – يتم بناء الشريط المتكامل مع شريط DNA  المتكون بواسطة إنزيم بلمرة DNA فنحصل على لولب مزدوج من DNA  يمكن إستنساخه

ملحوظة: توجد شفرة إنزيم النسخ العكسى فى الفيروسات التى يكون محتواها الجينى RNA وذلك حتى يمكنها تحويل مادتها الوراثية من RNAإلى DNA   لكى ترتبط مع DNA  لخلية العائل وبذلك تضمن تضاعفها.

* طرق إستنساخ تتابعات DNA ( يتم نسخ جين أو قطعة من DNA  بطريقتين هما ):

أ -  إستخدام البلازميد ( أو الفاج )

1- يتم عزل DNA ( أو الجين ) المراد استنساخه ومعاملته بإنزيمات قصر تؤدى إلى قطعه تاركة أطراف لاصقة.

2- يتم عزل البلازميد من خلايا بكتيرية ومعاملته بنفس إنزيمات القصر السابقة وذلك حتى تتعرف على نفس المواقع وتقوم بالقطع عندها تاركة نفس الأطراف اللاصقة. 

3- يتم خلط قطع DNA وقطع البلازميد فتتزاوج النهايات اللاصقة لـDNA  مع النهايات اللاصقة بالبلازميد ثم يتم ربط الاثنين باستخدام إنزيم الربط

4- يتم إضافة البلازميد وعليه DNA   إلى مزرعة بكتيرية أو خلايا فطر الخميرة التى سبق معاملتها لزيادة نفاذية DNA  , ومع إنقسام الخلية البكتيرية أو خلية الخميرة تتضاعف البلازميدات مع تضاعف المحتوى الجينى للخلية .

5-يتم تكسير الخلايا وتحرير البلازميدات ويتم إطلاق قطع DNA (أو الجين) من البلازميدات بمعاملتها بنفس إنزيمات القصر التى سبق إستخدامها .

6 – يتم عزل قطع DNA( أو الجينات  ) بالطرد المركزى المفرق . وبذلك يمكن الحصول على كمية كافية من قطع DNA المتماثلة لتحليلها ومعرفة تتابع النيوكليوتيدات بها أو زراعتها فى خلايا أخرى.

ب -  إستخدام جهاز PCR

* يقوم جهاز PCR بمضاعفة قطع DNA الاف المرات خلال دقائق معدودة بإستخدام إنزيم     Taq Polymerase( تاك بوليميرز ) الذى يعمل عند درجة حرارة مرتفعة

DNA معاد الاتحاد:

-  هو عملية إدخال جزء من DNA الخاص بكائن حى إلى خلايا كائن حى اخر

* لقد تخيل بعض العلماء أنه قد يأتى الوقت الذى يمكن فيه إدخال نسخ من جينات طبيعية إلى بعض الأفراد المصابة بعض جيناتهم بالعطب وبذلك يمكن شفائهم دون الاستخدام المستمر للعقاقير لعلاج النقص الوراثى

التطبيقات العلمية لتكنولوجيا DNA  معاد الاتحاد  ( أهمية DNA معاد الاتحاد )

أ- مجال الطب

1- إنتاج بروتينات مفيدة على نطاق تجارى مثل :

* إنتاج هرمون الأنسولين البشرى  ( لعلاج مرضى السكر )

- يتم إنتاج الأنسولين بزراعة الجين الخاص به مع البلازميد داخل خلايا بكتيرية فتصبح البكتيريا منتجة للأنسولين

- الأنسولين البشرى المصنع بواسطة DNA معاد الاتحاد ( فى البكتريا ) بالرغم من تكلفته العالية إلا أنه أفضل لبعض المرضى الذين لا يتحملون الفروق الطفيفة بين الأنسولين البشرى والأنسولين المستخلص من بنكرياس المواشى والخنازير بعملية طويلة وباهظة التكاليف.

* إنتاج بروتينات توقف تضاعف الفيروسات تعرف بالانترفيروناتInterferones    :

- تبنى الأنترفيرونات داخل جسم الإنسان حيث تنطلق من الخلايا المصابة بالفيروس فتعمل بذلك على حماية الخلايا المجاورة لها من مهاجمة الفيروس.

- كان الأنترفيرون الطبى حتى عام 1970م يستخلص بصعوبة من خلايا الأنسان لذلك كان نادر الوجود وغالى الثمن ولقد تمكن الباحثون من إنتاج الانترفيرون بواسطة البكتيريا حيث تم إدخال 15 جينا بشريا للأنترفيرون إلى داخل خلايا بكتيرية وبذلك أصبح متوفرا ورخيص الثمن نسبيا

- يعتقد العلماء أن الانترفيرونات قد تكون مفيدة فى علاج بعض أنواع السرطان . ولكن الدراسات المبدئية لإستخدام الانترفيرون فى علاج السرطان كانت مخيبة للامال . وقد يرجع ذلك إلى مشاكل تقنية يمكن التغلب عليها فى المستقبل

2- تشخيص الخلل الوراثى قبل أو بعد الميلاد

3- تشخيص الأمراض المعدية مثل ( الالتهاب الكبدى الوبائى )

4 – تحضير لقاحات أكثر أمانا ( بتحضير عينة ضعيفة من مسببات الأمراض )

ب- مجال الصناعة

1- إنتاج مركبات كيميائية بتسخير بعض الكائنات الدقيقة

2- إنتاج إنزيمات تستخدم فى صناعة الألبان ( بدلا من المستخلصة من صغار الماشية بعد ذبحها )

3 – التخلص من المخلفات العضوية الناشئة عن الصناعة .

ج- فى مجال الزراعة

قد يتمكن الباحثون الزراعيون فى القريب العاجل من

1 – إدخال جينات مقاومة المبيدات العشبية ولبعض الأمراض الهامة لنباتات المحاصيل.

2-محاولة عزل ونقل الجينات الموجودة فى النباتات البقولية ( والتى تمكنها من استضافة البكتريا القادرة على تثبيت النيتروجين الجوى فى جذورها ) إلى نباتات محاصيل أخرى لا تستطيع استيعاب هذه البكتريا . لأمكن الإستغناء عن إضافة الأسمدة النيتروجينية عالية التكلفة والتى تسبب تلويث المياه فى المناطق الزراعية.

د – مجال التجارب والأبحاث

لقد تمكن الباحثون من :

1- زرع جين لون الياقوت الأحمر للعيون من سلالة ذبابة الفاكهة ( الدروسوفيلا ) فى خلايا مقرر لها ان تكون أعضاء تكاثرية لجنين من سلالة أخرى وعند نمو الجنين أنتج أفرادا لها عيون ذات لون الياقوت الأحمر بدلا من اللون البنى .

2- إدخال جين يحمل شفرة هرمون النمو من فأر من النوع الكبير ( أو إنسان ) إلى فئران من النوع الصغير . فنمت هذه الفئران الصغيرة إلى ضعف حجمها الطبيعى وقد انتقلت هذه الصفة إلى الاجيال التالية

3 – إدخال جينات معينة فى خلايا من نباتات البيتونيا والدخان فنمت إلى نباتات كاملة التزاوجى

* بعض مخاطر DNA  معاد الاتحاد :

على الرغم من أهمية DNA   معاد الاتحاد فى مجالات عديدة الان ان له مخاطر كثيرة فمثلا من المحتمل أن يتم إدخال جين مسئول عن إنتاج مواد سامة داخل خلايا بكتيرية وإطلاقها فى العالم . ويعتقد أن هذا الاحتمال ضعيف لأن سلالات البكتيريا المستخدمة فى هذه التجارب المعملية الأن أصبحت غير قادرة على الحياة إلا فى أنابيب الأختبار.

الجينوم البشرى

* فى عام 1953م أثبت واطسون وكريك أن الجينات عبارة عن لولب مزدوج من الحمض النووى DNA

* فى عام 1980م ظهرت فكرة الجينوم وكان عدد الجينات البشرية التى تعرف عليها العلماء حوالى 450 جين فى منتصف الثمانينات تضاعف هذا العدد ثلاث مرات ليصل إلى 1500 جين , بعض هذه الجينات كانت المسببة لزيادة الكوليسترول فى الدم ( أحد أسباب مرض القلب ) وبعضها يمهد للإصابة بالأمراض السرطانية

* توصل العلماء إلى ان هناك ما بين 60 : 80 ألف جين فى الأنسان موجودة على 23 زوجا من الكروموسومات وتعرف المجموعة الكاملة للجينات بأسم الجينوم البشرى وقد تم إكتشاف أكثر من نصف هذه الجينات حتى الأن.

* ترتب الكرموسومات حسب حجمها من رقم (1 ) : ( 23) ولا يخضع الكروموسوم (X) لهذا الترتيب فهو يلى الكرموسوم السابع فى الحجم ولكنه يرتب فى نهاية الكروموسومات ويحمل رقم (23)

 *أمثلة لموضع الجينات ( التى تم تحديدها ) على الكروموسومات فى الإنسان :

* إستخدامات الجينوم البشرى :

1- معرفة الجينات المسببة للأمراض الوراثية الشائعة والنادرة

2- معرفة الجينات المسببة لعجز بعض الأعضاء عن اداء وظائف الجسم

3 – الإستفادة منه فى المستقبل فى مجال صناعة العقاقير والوصول إلى عقاقير بلا أثار جانبية

4 – دراسة تطور الكائنات الحية من خلال مقارنة الجينوم البشرى بغيره من جينات الكائنات الحية الأخرى

5- تحسين النسل من خلال التعرف على الجينات المرضية فى الجنين قبل ولادته والعمل على تحسينها

6 – تحديد خصائص وصفات أى إنسان يعيش على سطح الأرض من خلال فحص شعرة رأسه أو حيوان منوى منه . فيمكن من خلال الجينوم البشرى أن نرسم صورة لكل شخص بكل ملامج وجهه.