درسنامه آموزشی زیست شناسی (3) کلاس دوازدهم علوم تجربی
فصل هفتم- گفتار 1: زیست فناوری و مهندسی ژنتیک
آیا تاکنون دربارهٔ تولید پلاستیکهای قابل تجزیۀ زیستی شنیدهاید؟ با توجه به اهمّیت محیط زیست و حفظ آن، تولید و استفاده از چنین پلاستیکهایی راهکار مناسبی برای پیشگیری از مصرف بیرویۀ پلاستیکهای غیرقابل تجزیه است. امروزه به کمک روشهای زیست فناوری، تولید پلاستیکهای قابل تجزیه با صرف هزینۀ کمتر ممکن شده است. این کار با وارد کردن ژنهای تولید کنندۀ بسیاری از این نوع مواد از باکتری به گیاه امکانپذیر است.
چگونه میتوان از فناوریهای زیستی برای بهبود زندگی انسان و حفظ محیط زیست استفاده کرد؟ آیا میتوان با استفاده از آنها همۀ مشکلات بشر را حل کرد؟
انسان از نظر اخلاقی تا چه حد میتواند این فناوریها را به خدمت بگیرد؟
در این فصل با این فناوریها آشنا میشویم و میتوانیم در آخر، به بخشی از پرسشهای مطرح شده در مورد این فناوریها پاسخ دهیم.
همانطور که میدانیم جهش در یک ژن و درنتیجه، تغییر در محصول آن میتواند به بروز بیماری منجر شود. اختلال در عملکرد و مقدار عوامل مؤثر در انعقاد خون از این دسته هستند. با توجه به افزایش افراد نیازمند به این ترکیبات، تأمین نیاز دارویی آنها با مشکل مواجه میشود.
امروزه استفاده از روشهای زیستفناوری و مهندسی ژنتیک تحولات مهمی در زمینۀ تولید چنین فراوردههایی فراهم آورده است. تا چندی پیش، انتقال ژنهای انسان به داخل یاختههای سایر موجودات زنده و یا استفاده از باکتریها برای ساختن پروتئینهای انسانی غیرقابل تصور بود اما اکنون روشهای لازم برای تحقق آن توسعه یافته و کاربرد فراوانی پیدا کرده است. آیا میدانید چگونه میتوان از باکتری برای ساختن یک پروتئین انسانی استفاده کرد؟ فرض کنید میخواهیم باکتری را برای ساختن هورمون رشد انسانی تغییر دهیم، پس ضرورت دارد تمام احتیاجات این فرایند را در یاختۀ باکتری فراهم کنیم. در ادامه مطلب با مراحل این روش آشنا خواهیم شد.
زیست فناوری چیست؟
به طورکلی به هرگونه فعالیت هوشمندانه آدمی در تولید و بهبود محصولات گوناگون با استفاده از موجود زنده، زیست فناوری گویند.
زیستفناوری قلمروی بسیار گسترده دارد و روشهایی مانند مهندسی ژنتیک، مهندسی پروتئین و بافت را در برمیگیرد. زیستفناوری از گرایشهای علمی متعددی مانند علومزیستی، فیزیک، ریاضیات و علوم مهندسی بهره میبرد. کاربردهای فراوان زیستفناوری، آن را بهعنوان نشانۀ پیشرفت کشورها در قرن حاضر و به یکی از ابزارهای مهم برای تأمین نیازهای متنوع تبدیل کرده است.
تاریخچۀ زیست فناوری
برای زیستفناوری، که از سالهای بسیار دور آغاز شده است، سه دوره در نظر میگیرند:
زیست فناوری سنتی: تولید محصولات تخمیری مانند سرکه، نان و فراوردههای لبنی با استفاده از فرایندهای زیستی مربوط به این دوره است.
زیست فناوری کلاسیک: با استفاده از روشهای تخمیر و کشت ریزجانداران (میکروارگانیسم)ها تولید موادی مانند پادزیستها، آنزیمها و مواد غذایی در این دوره ممکن شد.
زیست فناوری نوین: این دوره با انتقال ژن از یک ریزجاندار به ریزجاندار دیگر آغاز شد. دانشمندان توانستند با تغییر و اصلاح خصوصیات ریزجانداران ترکیبات جدید را با مقادیر بیشتر و کارایی بالاتر تولید کنند.
مهندسی ژنتیک
یکی از روشهای مؤثر در زیستفناوری نوین، مهندسی ژنتیک است. در مهندسی ژنتیک قطعهای از دنای یک یاخته توسط ناقل به یاختهای دیگر انتقال مییابد. در این حالت، یاختۀ دریافت کننده قطعه دنا دچار دستورزی ژنتیکی و دارای صفت جدید میشود. به جانداری که از طریق مهندسی ژنتیک دارای ترکیب جدیدی از مواد ژنتیکی شده است، جاندار تغییریافته ژنتیکی یا تراژنی میگویند. گرچه این روش ابتدا با باکتریها شروع شد؛ اما پیشرفتهای بعدی، امکان دستورزی ژنتیکی برای سایر موجودات زنده مثل گیاهان و جانوران را نیز فراهم کرد. مثلاً مراحل ایجاد گیاهان زراعی تراژنی از طریق مهندسی ژنتیک را میتوان بهصورت زیر خلاصه کرد:
1- تعیین صفت یا صفات مطلوب 2- استخراج ژن یا ژنهای صفت مورد نظر 3- آمادهسازی و انتقال ژن به گیاه 4- تولید گیاه تراژنی 5- بررسی دقیق ایمنی زیستی و اثبات بیخطر بودن برای سلامت انسان و محیط زیست 6- تکثیر و کشت گیاه تراژنی با رعایت اصول ایمنی زیستی
شکل 1 بعضی از مراحل را نشان میدهد.
مراحل مهندسی ژنتیک
یکی از اهداف مهندسی ژنتیک تولید انبوه ژن و فراوردههای آن است. تولید انبوه ژن با همسانهسازی دنا انجام میشود. جداسازی یک یا چند ژن و تکثیر آنها را همسانهسازی دِنا میگویند. در همسانهسازی دِنا مادۀ وراثتی با ابزارهای مختلفی در خارج از یاخته تهیه و بهوسیلۀ یک ناقل همسانهسازی به درون ژنوم میزبان منتقل میشود. هدف از این کار تولید مقادیر زیادی از دنای خالص است که میتواند برای دستورزی، تولید یک مادۀ بخصوص و یا مطالعه مورد استفاده قرار گیرد.
برای این منظور مراحل زیر انجام میشود:
جداسازی قطعهای از دِنا: این کار بهوسیلۀ آنزیمهای برشدهنده انجام میشود. این آنزیمها در باکتریها وجود دارند و قسمتی از سامانۀ دفاعی آنها محسوب میشوند. اولین مرحله از همسانهسازی که جداسازی ژنها است، به وسیلهٔ. این آنزیمها انجام میشود. این آنزیمها توالیهای نوکلئوتیدی خاصی را در دنا تشخیص و برش میدهند. مثلاً آنزیم $EcoR1$ توالی شش جفت نوکلئوتیدی $_{CTTAAG}^{GAATTC}$ را شناسایی و برش میدهد. به این توالی جایگاه تشخیص آنزیم گفته میشود (شکل 2).
همان طور که در شکل میبینید در جایگاه تشخیص آنزیم $EcoR1$، توالی نوکلئوتیدهای هر دو رشته دنا از دو سمت مخالف یکسان خوانده میشود. این آنزیم پیوند فسفودی استر بین نوکلئوتید گوانین دار و آدنین دار هر دو رشته را برش میزند. در نتیجه، انتهایی از مولکول دنا ایجاد میشود که یک رشته آن بلندتر از رشته مقابل است و به آن انتهای چسبنده میگویند. برای تشکیل چنین انتهایی از مولکول دنا، علاوه بر پیوندهای فسفودی استر، پیوندهای هیدروژنی بین دو رشته دنا در منطقه تشخیص نیز شکسته میشوند. استفاده از آنزیمهای برش دهنده، دنا را به قطعات کوتاهتری تبدیل میکند. این قطعات را با روشهای خاصی جدا میکنند و تشخیص میدهند.
اتصال قطعه دِنا به ناقل و تشکیل دِنای نوترکیب: مرحله بعدی، اتصال قطعه دنای جداسازی شده به ناقل همسانهسازی است. این ناقلین، توالیهای دنایی هستند که در خارج از فامتن اصلی قرار دارند و میتوانند مستقل از آن تکثیر شوند. یکی از این مولکولها دیسَک حلقوی باکتری است. این نوع دیسَک یک مولکول دنای دورشتهای و خارج فامتنی است که معمولاً درون باکتریها و بعضی قارچها مثل مخمرها وجود دارد و میتواند مستقل از ژنوم میزبان همانندسازی کند. دیسَکها را فامتَنهای کمکی نیز مینامند چون حاوی ژنهایی هستند که در فامتن اصلی باکتری وجود ندارند. مثلاً ژن مقاومت به پادزیست در دیسَک قرار دارد. در صورت انتقال قطعه دنای مورد نظر به دیسَک و ورود آن به یاخته میزبان، با هر بار همانندسازی دیسَک، دنای مورد نظر نیز همانندسازی میشود. بهتر است از دیسَکی استفاده شود که فقط یک جایگاه تشخیص برای آنزیم برش دهنده داشته باشد. به نظر شما چرا؟
شکل 3 طرح سادهای از دیسَک دارای یک جایگاه تشخیص آنزیم $EcoR1$ را نشان میدهد، بسیاری از دیسَکها دارای ژنهای مقاومت به پادزیستها هستند. چنین ژنهایی به باکتری این توانایی را میدهند که پادزیستها را به موادی غیرکشنده و قابل استفاده برای خود تبدیل کنند. این ویژگی در مهندسی ژنتیک اهمیت زیادی دارد که در مباحث بعد به آن میپردازیم.
در ساخت یک دنای نوترکیب، قطعه دنای حاوی توالی موردنظر در دنای ناقل جاسازی میشود. دانستید که برای جداسازی قطعه دنای مورد نظر از نوعی آنزیم برش دهنده استفاده میشود. توجه داشته باشید آنزیم مورد استفاده برای برش دادن دیسَک، باید همان آنزیمی باشد که در جداسازی دنای مورد نظر استفاده شده است. چرا؟
برش دیسَک با آنزیم، آن را به یک قطعه دنای خطی تبدیل میکند که دارای دو انتهای چسبنده است. همچنین قطعه دنای خارجی نیز دو انتهای چسبنده دارد. برای اتصال دنای مورد نظر به دیسَک از آنزیم لیگاز (اتصال دهنده) استفاده میشود. این آنزیم پیوند فسفودی استر بین دو انتهای مکمل را ایجاد میکند. به مجموعه دنای ناقل و ژن جاگذاری شده در آن، دنای نوترکیب گفته میشود (شکل 4).
باکتری خوارها (باکتریوفاژها) ویروسهای معمولاً دنادار هستند که به باکتریها حمله میکنند و آنها را از بین میبرند. نوکلئیک اسید این فاژها از دیسَک بزرگتر است. مزیت دنای فاژها به عنوان ناقل همسانهسازی در این است که میتوان قطعات دنای بزرگتری را در آنها جاسازی کرد.
وارد کردن دِنای نوترکیب به یاخته میزبان: در این مرحله، دنای نوترکیب را به درون یاخته میزبان مثلاً باکتری منتقل میکنند (شکل 5). به این منظور باید در دیواره باکتری منافذی ایجاد شود. این منافذ را میتوان با کمک شوک الکتریکی و یا شوک حرارتی همراه با مواد شیمیایی ایجاد کرد.
بر طبق اطلاعات بهدست آمده، مشخص شده همه باکتریها دنای نوترکیب را دریافت نمیکنند. بنابراین لازم است باکتری دریافت کنندۀ دیسَک از باکتری فاقد آن تفکیک شود.
جداسازی یاختههای تراژنی: برای انجام این مرحله، از روشهای متفاوتی میتوان استفاده کرد. یکی از این روشها استفاده از دیسَکی است که دارای ژن مقاومت به پادزیستی مثل آمپیسیلین است. اگر باکتری، دنای نوترکیب را دریافت کرده باشد، در محیط حاوی پادزیست رشد میکند. باکتریهای فاقد دنای نوترکیب به دلیل حساسیت به پادزیست در چنین محیطی از بین میروند (شکل 6).
در شرایط مناسب، باکتریهای تراژنی با سرعت بالایی تکثیر میشوند. همچنین از دناهای نوترکیب نیز بهصورت مستقل از فامتنِ اصلی یاخته، نسخههای متعددی ساخته میشود که درنتیجۀ آن دنای خارجی به سرعت تکثیر میشود. بنابراین، تعداد زیادی باکتری دارای دنای خارجی آماده خواهد شد که میتوان از آنها برای تولید فراورده یا استخراج ژن استفاده کرد.
امروزه با پیشرفت روشهای مهندسی ژنتیک میتوان یاختههای دیگری مثل مخمرها، یاختههای گیاهی و حتی جانوری را با این فرایند تغییر داد. دناها و سایر مولکولهای حاصل از دناهای تولید شده برای اهداف گوناگون علمی و کاربردی استفاده میشوند. در گفتارهای بعدی این فصل به برخی از این موارد اشاره شده است.