أساسيات التعديل الجيني
الكائنات المعدلة وراثيا قصيرة "للكائنات المعدلة وراثيا". لقد كان التحوير الوراثي موجودًا منذ عدة عقود وهو أكثر الطرق فعالية وسرعة لإنشاء نبات أو حيوان ذي سمة أو خاصية معينة. وهو يتيح تغييرات محددة دقيقة لتسلسل الحمض النووي. بما أن الحمض النووي يتكون أساسًا من مخطط الكائن الحي بأكمله ، فإن التغييرات التي تطرأ على الحمض النووي (DNA) تغير الوظائف التي يستطيع الكائن الحي القيام بها.
لا توجد طريقة أخرى للقيام بذلك إلا باستخدام التقنيات التي تم تطويرها على مدى الأربعين سنة الماضية للتلاعب المباشر بالحمض النووي.
كيف تعدل كائنًا جينيًا؟ في الواقع ، هذا سؤال واسع النطاق. يمكن أن يكون الكائن الحي نباتًا أو حيوانًا أو فطرًا أو بكتيريا ، ويمكن أن يكون كل هذا ، وقد تم تصميمه وراثيًا لمدة 40 عامًا تقريبًا. أول الكائنات المعدلة وراثيا كانت البكتيريا في أوائل 1970s . منذ ذلك الحين ، أصبحت البكتيريا المعدلة وراثيا هي العمود الفقري لمئات الآلاف من المختبرات التي تقوم بتعديلات وراثية على كل من النباتات والحيوانات. تم تصميم معظم التحوير والتعديل الجيني الأساسي باستخدام البكتيريا ، وخاصةً بعض أنواع E. coli ، ثم نقلها إلى الكائنات الحية المستهدفة.
إن المقاربة العامة لتغيير النباتات والحيوانات والميكروبات جينيا مماثلة من الناحية النظرية. ومع ذلك ، هناك بعض الاختلافات في تقنيات محددة بسبب الاختلافات العامة بين الخلايا النباتية والحيوانية.
على سبيل المثال ، الخلايا النباتية لديها جدران الخلايا والخلايا الحيوانية لا.
أسباب التعديلات الجينية للنباتات والحيوانات
تصنع الحيوانات المعدلة وراثيا في المقام الأول لأغراض البحث ، وغالبا ما تستخدم كنظم بيولوجية نموذجية لتطوير الأدوية. كانت هناك بعض الحيوانات المعدلة وراثيا وضعت لأغراض تجارية أخرى ، مثل الأسماك الفلورية كحيوانات أليفة ، والبعوض المعدلة وراثيا للمساعدة في السيطرة على البعوض الناقل للأمراض.
ومع ذلك ، فهذه تطبيقات محدودة نسبياً خارج البحوث البيولوجية الأساسية. وحتى الآن ، لم تتم الموافقة على أي حيوانات معدلة وراثيًا كمصدر للغذاء. بعد فترة وجيزة ، قد يتغير ذلك مع AquaAdvantage Salmon الذي يشق طريقه خلال عملية الموافقة.
مع النباتات ، ومع ذلك ، فإن الوضع مختلف. في حين يتم تعديل الكثير من النباتات للبحث ، فإن الهدف من معظم التعديل الجيني للمحاصيل هو جعل سلالة نباتية ذات فائدة تجارية أو اجتماعية. على سبيل المثال ، يمكن زيادة الإنتاجية إذا تم تصميم النباتات بمقاومة محسنة للآفة المسببة للأمراض مثل قوس قزح البابايا ، أو القدرة على النمو في منطقة غير قاسية ، ربما أكثر برودة. الفاكهة التي تبقى ناضجة لفترة أطول ، مثل الطماطم الصيفية التي لا نهاية لها ، توفر المزيد من الوقت لوقت الرفوف بعد الحصاد للاستخدام. كذلك ، فإن السمات التي تعزز القيمة الغذائية ، مثل الأرز الذهبي المصمم ليكون غنيًا بفيتامين أ ، أو فائدة الفاكهة ، مثل التفاح القطبي غير البني قد تم صنعه أيضًا.
بشكل أساسي ، يمكن إدخال أي سمة يمكن إظهارها مع إضافة أو تثبيط جين معين. يمكن أيضا إدارة السمات التي تتطلب جينات متعددة ، ولكن هذا يتطلب عملية أكثر تعقيدا لم يتم تحقيقها بعد مع المحاصيل التجارية.
ما هو الجين؟
قبل شرح كيفية وضع الجينات الجديدة في الكائنات الحية ، من المهم أن نفهم ما هو الجين. وكما يعرف الكثيرون على الأرجح ، فإن الجينات تصنع من الحمض النووي ، الذي يتكون جزئياً من أربعة قواعد يشيع ذكرها على أنها ببساطة A ، T ، C ، G. يمكن اعتبار الترتيب الخطي لهذه الأسطر في صف على أحد خيط DNA من الجين رمزًا لبروتين معين ، تمامًا مثل الأحرف في سطر من رمز النص للجملة.
البروتينات هي جزيئات بيولوجية كبيرة مصنوعة من الأحماض الأمينية المرتبطة ببعضها البعض في مجموعات مختلفة. عندما ترتبط التركيبة الصحيحة من الأحماض الأمينية ببعضها البعض ، تطوى سلسلة الأحماض الأمينية معًا في بروتين ذي شكل محدد والميزات الكيميائية الصحيحة معًا لتمكينه من أداء وظيفة أو تفاعل معين. الكائنات الحية تتكون في الغالب من البروتينات. بعض البروتينات هي إنزيمات تحفز التفاعلات الكيميائية. تنقل مواد أخرى إلى الخلايا ويعمل بعضها كمفاتيح تعمل على تنشيط أو إيقاف تنشيط بروتينات أو بروتينات أخرى.
لذلك ، عندما يتم إدخال جين جديد ، فإنه يعطي الخلية تسلسل الشفرات لتمكينها من إنتاج بروتين جديد.
كيف تقوم الخلايا بتنظيم جيناتها؟
في النباتات والخلايا الحيوانية ، يتم ترتيب جميع الحمض النووي تقريبا في عدة خيوط طويلة تصل إلى كروموسومات. الجينات هي في الواقع مجرد أجزاء صغيرة من التسلسل الطويل للحمض النووي الذي يصنع كروموسوم. في كل مرة تتكرر فيها الخلية ، يتم نسخ كل الكروموسومات أولاً. هذه هي المجموعة المركزية للتعليمات للخلية ، وكل خلية ذرية تحصل على نسخة. لذلك ، لإدخال جينة جديدة تمكن الخلية من إنتاج بروتين جديد يمنح سمة معينة ، يحتاج المرء ببساطة إلى إدخال جزء من الدنا في أحد خيوط الكروموسوم الطويلة. بمجرد إدخال ، سيتم تمرير الحمض النووي إلى أي خلايا ابنة عند تكرار الخلية تماما مثل جميع الجينات الأخرى.
في الواقع ، يمكن الاحتفاظ بأنواع معينة من الدنا في خلايا منفصلة عن الكروموسومات ويمكن إدخال الجينات باستخدام هذه التراكيب حتى لا تندمج في الحمض النووي الكروموسومي. ومع ذلك ، مع هذا النهج ، حيث يتم تغيير الحمض النووي الكروموسومي للخلية لا يتم الاحتفاظ عادة في جميع الخلايا بعد عدة مكررات. بالنسبة للتعديل الوراثي الدائم والوراثي ، مثل تلك العمليات المستخدمة في هندسة المحاصيل ، يتم استخدام التعديلات الصبغية.
كيف يتم إدراج جين جديد؟
تشير الهندسة الوراثية ببساطة إلى إدخال تسلسل قاعدة DNA جديد (عادةً ما يقابل جينة كاملة) في الحمض النووي الكروموسومي للكائن الحي. قد يبدو ذلك مفهوما ، لكن من الناحية الفنية ، يصبح الأمر أكثر تعقيدا. هناك العديد من التفاصيل التقنية التي ينطوي عليها الحصول على تسلسل الحمض النووي الصحيح مع الإشارات الصحيحة في الكروموسوم في السياق الصحيح الذي يمكّن الخلايا من التعرف عليه هو جين ويستخدمه لصنع بروتين جديد.
هناك أربعة عناصر أساسية مشتركة بين جميع إجراءات الهندسة الوراثية:
- أولا ، تحتاج إلى جين. هذا يعني أنك تحتاج إلى جزيء الحمض النووي الفيزيائي مع متواليات قاعدة معينة. تقليديا ، تم الحصول على هذه المتواليات مباشرة من كائن حي باستخدام أي من تقنيات شاقة عديدة. في أيامنا هذه ، بدلاً من استخراج الحمض النووي من كائن حي ، يقوم العلماء عادةً بتصنيع المواد الكيميائية الأساسية A ، T ، C ، G. وبمجرد الحصول على هذا التتابع ، يمكن إدخال التسلسل إلى جزء من الحمض النووي البكتيري يشبه كروموسومًا صغيرًا (بلازميد) ، وبما أن البكتيريا تتكاثر بسرعة ، فيمكن إجراء الكثير من الجينات حسب الحاجة.
- بمجرد أن يكون لديك الجين ، تحتاج إلى وضعه في حبلا الحمض النووي محاطا بالسلسلة المحيطة المحيطة بالحمض النووي لتمكين الخلية من التعرف عليه والتعبير عنه. وهذا يعني في الأساس أنك تحتاج إلى تسلسل دنا صغير يسمى المروج الذي يشير إلى الخلية للتعبير عن الجين.
- بالإضافة إلى الجين الرئيسي الذي يجب إدخاله ، غالباً ما يحتاج الأمر إلى جين ثانٍ لتوفير علامة أو اختيار. هذا الجين الثاني هو في الأساس أداة تستخدم لتحديد الخلايا التي تحتوي على الجين.
- أخيراً ، من الضروري أن يكون هناك طريقة لإيصال الحمض النووي الجديد (أي ، المروج ، الجين الجديد ، وعلامة التحديد) إلى خلايا الكائن الحي. هنالك عدة طرق لعمل هذا. بالنسبة للنباتات ، فإن الطريقة المفضلة هي نهج الجينات التي تستخدم بندقية 22 معدلة لتصوير جزيئات التنغستن أو الجسيمات الذهبية في الخلايا.
مع الخلايا الحيوانية ، وهناك عدد من الكواشف ترنسفكأيشن التي ترسم أو تعقيد الحمض النووي وتمكينه من المرور عبر أغشية الخلايا. ومن الشائع أيضًا أن يتم ربط الحمض النووي مع الحمض النووي الفيروسي المعدل الذي يمكن استخدامه كجين ناقل لنقل الجين إلى الخلايا. يمكن تغليف الحمض النووي الفيروسي المعدل بالبروتينات الفيروسية العادية لتصنيع الفيروس الزائف الذي يمكن أن يصيب الخلايا ويدخل الحمض النووي الذي يحمل الجينة ، ولكن لا يتكاثر ليصنع فيروسًا جديدًا.
بالنسبة للعديد من نباتات ديكوت ، يمكن وضع الجين في متغير معدل من الناقل T-DNA للبكتيريا Agrobacterium tumefaciens. هناك بعض الأساليب الأخرى كذلك. ومع ذلك ، ففي معظم الحالات ، يلتقط عدد صغير فقط من الخلايا الجينة التي تجعل من اختيار الخلايا المهندسة جزءاً بالغ الأهمية من هذه العملية. هذا هو السبب في ضرورة وجود جينات تحديد أو علامة.
ولكن ، كيف تجعل الفئران المهندسة وراثيا أو الطماطم؟
الكائنات المعدلة وراثيا هي كائن حي بملايين الخلايا ، والطريقة المذكورة أعلاه تصف فقط حقا كيفية هندسة وحيدة للخلايا الوراثية. ومع ذلك ، فإن عملية توليد كائن حي بالكامل تنطوي أساسا على استخدام تقنيات الهندسة الوراثية هذه على الخلايا الجنسية (أي الحيوانات المنوية والبويضات). وبمجرد إدخال الجين الرئيسي ، تستخدم بقية العملية أساسًا تقنيات التربية الجينية لإنتاج النباتات أو الحيوانات التي تحتوي على الجين الجديد في جميع الخلايا في جسمها. إن الهندسة الوراثية هي فعلاً مجرد خلايا. علم الأحياء يفعل الباقي.