الحمض النووي المؤتلف: التقنية والتطبيقات والأساسيات - مادة الاحياء - 2025

و DNA المؤتلف (الحمض النووي المؤتلف أو الحمض النووي المؤتلف) هو جزيء الحمض النووي الاصطناعي التي تم إنشاؤها في المختبر، من خلال دمج جزأين من المنظمات الفائدة. يُعرف أيضًا باسم DNA chimeric ، وذلك بفضل خصائصه الهجينة. هذا النوع من الحمض النووي غير موجود في الطبيعة.

تتضمن المنهجية الأساسية لتوليدها ما يلي: (أ) اختيار الحمض النووي المستهدف ، وإدخاله في جزء آخر من الحمض النووي (بشكل عام بلازميد بكتيري) ؛ (ب) إدخال هذا البلازميد في البكتيريا ، (ج) اختيار البكتيريا عن طريق المضادات الحيوية وأخيراً (د) التعبير عن الجين.

المصدر: pixabay.com

تستفيد هذه التقنية من مجموعة من الإنزيمات التي تجعل من الممكن نسخ ولصق أجزاء معينة من الحمض النووي وفقًا لحكم الباحث.

يتمثل الهدف من تقنية إعادة الارتباط ، في معظم الحالات ، في التعبير عن البروتين (المعروف باسم البروتين المؤتلف) الذي يطلبه عالم الأحياء الجزيئية للبحث في المستقبل أو لإنشاء بروتين ذي قيمة تجارية وعلاجية - مثل الأنسولين البشري ، فمثلا.

أساسيات تقنية الحمض النووي المؤتلف واستخدامها في الهندسة الوراثية

العقيدة المركزية للبيولوجيا الجزيئية

تشترك جميع الكائنات العضوية التي نعرفها في العديد من الخصائص. أحدهما هو طبيعة المادة الجينية وطريقة صنع البروتينات - وهي عملية تُعرف باسم "العقيدة" المركزية للبيولوجيا الجزيئية.

باستثناء اثنين من الفيروسات ، تخزن جميع الكائنات الحية المعلومات الجينية في الحمض النووي (حمض الديوكسي ريبونوكلييك) ، التي يتم جمعها بطريقة مضغوطة ومنظمة للغاية في نواة الخلية.

للتعبير الجيني ، يتم نسخ جزيء الحمض النووي إلى مرسال RNA ، ويتم ترجمة الأخير إلى لغة الأحماض الأمينية ، اللبنات الأساسية للبروتينات.

ما هو الحمض النووي المؤتلف؟

بين السبعينيات والثمانينيات ، بدأ علماء الأحياء الجزيئية في الاستفادة من العمليات التي تحدث بشكل طبيعي داخل الخلية وتمكنوا من استقراءها في المختبر.

بهذه الطريقة ، يمكن إدخال جين من أصل حيواني (حيوان فقاري ، على سبيل المثال) في جزء من دنا من بكتيريا ؛ أو يمكن دمج الحمض النووي للبكتيريا مع الحمض النووي الفيروسي. وبالتالي ، يمكننا تعريف الحمض النووي المؤتلف كجزيء مكون من دنا من كائنين مختلفين.

بمجرد إنشاء هذا الجزيء الهجين أو المؤتلف ، يتم التعبير عن الجين المعني. مع تعبير الكلمة نريد أن نشير إلى عملية الترجمة إلى البروتين.

إنزيمات التقييد والليغازات: مفتاح العملية

كان اكتشاف الإنزيمات المقيدة أحد العناصر الأساسية في تطوير تقنية الحمض النووي المؤتلف.

هذه هي جزيئات البروتين التي تظهر القدرة على شق الحمض النووي (نوكليازات) في تسلسلات محددة ، تعمل بمثابة "مقص جزيئي". تسمى الشظايا الناتجة عن هذه الإنزيمات شظايا التقييد.

يمكن أن تنتج الإنزيمات المذكورة قطعًا متماثلة في التسلسل المستهدف (في كلتا السلسلتين بنفس الارتفاع) أو قطع غير متماثلة. يتمثل أحد الجوانب الرئيسية لعمل إنزيمات التقييد في أنه بعد انشقاق السلاسل ، يتم الحصول على "حافة فضفاضة" ، مكملة للحافة الأخرى المقطوعة بنفس الإنزيم.

بعض الأمثلة هي ECOR 1 و Sma 1. حاليًا أكثر من 200 نوع من إنزيمات التقييد معروفة ومتاحة تجاريًا.

لكي تكون مفيدة ، يجب أن يكون المقص مصحوبًا بالغراء. يتم تنفيذ هذا الإجراء الختم للحمض النووي (الذي سبق معالجته بإنزيمات تقييدية) بواسطة ligases.

التقنية: كيف يتم تعديل الحمض النووي للكائن بشكل مصطنع في المختبر؟

فيما يلي سنصف الخطوات الرئيسية التي تتطلبها تقنية الحمض النووي المؤتلف. يتم إجراؤها من قبل متخصصين في مختبر البيولوجيا الجزيئية.

ما هو "استنساخ"؟

قبل الاستمرار في البروتوكول التجريبي ، يجب أن نلاحظ أنه في البيولوجيا الجزيئية والتكنولوجيا الحيوية ، يُستخدم مصطلح "استنساخ" والفعل "استنساخ" على نطاق واسع. هذا يمكن أن يؤدي إلى الارتباك.

في هذا السياق ، لا نشير إلى استنساخ كائن حي بأكمله (كما في حالة النعجة دوللي الشهيرة ، على سبيل المثال) ، ولكننا نشير إلى استنساخ قطعة من الحمض النووي ، والتي يمكن أن تكون جينًا. أي إنتاج نسخ عديدة - متطابقة وراثيا - من التسلسل.

1. عزل والحصول على DNA

الخطوة الأولى هي تحديد التسلسل الذي تريد استخدامه. هذا يعتمد كليًا على الباحث وأهداف عمله. يجب بعد ذلك عزل هذا الحمض النووي وتنقيته. تعتمد طرق وإجراءات تحقيق ذلك بدورها على الجسم والأنسجة.

بشكل عام ، يتم أخذ قطعة من الأنسجة وإخضاعها للعلاج في محلول تحلل مع بروتيناز K (إنزيم محلل للبروتين) ثم يتم استخراج الحمض النووي. بعد ذلك ، يتم تجزئة المادة الوراثية إلى أجزاء صغيرة.

2. ناقلات الاستنساخ

بعد الخطوات التحضيرية ، يسعى الباحث إلى إدخال مقطع الحمض النووي محل الاهتمام في ناقل الاستنساخ. من الآن فصاعدًا سوف نسمي هذا الجزء من الحمض النووي DNA الأبيض.

البلازميدات

أحد أكثر النواقل استخدامًا في بلازميد من أصل بكتيري. البلازميد عبارة عن جزيء DNA دائري مزدوج الشريطة يوجد بشكل طبيعي في البكتيريا. إنها غريبة على الكروموسوم البكتيري - أي أنها خارج الصبغية وتوجد بشكل طبيعي في بدائيات النوى هذه.

العناصر الأساسية للناقل هي: (أ) أصل النسخ المتماثل الذي يسمح بتوليف الحمض النووي ؛ (ب) عامل الانتقاء ، الذي يجعل من الممكن التعرف على الكائنات الحية التي تحمل البلازميد مع الدنا المستهدف ، مثل مقاومة بعض المضادات الحيوية ؛ و (ج) موقع متعدد النسيلة ، حيث يتم العثور على التسلسلات التي سيتم التعرف عليها بواسطة إنزيمات التقييد.

تم استنساخ أول DNA مؤتلف ناجح في المختبر في البلازميد pSC101 من بكتيريا E. coli. يحتوي هذا على موقع تقييد لإنزيم التقييد EcoRI وجين لمقاومة مضاد حيوي ، بالإضافة إلى أصل النسخ المتماثل.

يتم إدخال الحمض النووي المستهدف في البلازميد باستخدام الأدوات الجزيئية لأنزيمات التقييد والليغازات الموضحة في القسم السابق.

أنواع المتجهات المتبقية

بالإضافة إلى البلازميدات ، يمكن إدخال الحمض النووي في ناقلات أخرى ، مثل العاثية لامدا ، الكوسميدات ، YACs (كروموسومات الخميرة الاصطناعية) ، BACs (الكروموسومات الاصطناعية البكتيرية) ، والفاجميدات.

3. إدخال الحمض النووي المؤتلف

بمجرد الحصول على جزيء الحمض النووي المؤتلف (الجين المعني بالبلازميد أو ناقل آخر) ، يتم إدخاله في مضيف أو كائن حي مضيف ، والذي يمكن أن يكون بكتيريا.

لإدخال الحمض النووي الغريب في البكتيريا ، يتم استخدام تقنية تسمى التحويل البكتيري ، حيث يخضع الكائن الحي لمعاملة الكاتيونات ثنائية التكافؤ التي تجعله عرضة لامتصاص الحمض النووي.

من الناحية المنهجية ، لا يمكننا ضمان أن 100٪ من البكتيريا في ثقافتنا قد تناولت بشكل فعال جزيء الحمض النووي المؤتلف. هذا هو المكان الذي يلعب فيه جزء البلازميد الذي يحتوي على مقاومة للمضادات الحيوية.

وبالتالي ، فإن البكتيريا التي تناولت البلازميد ستكون مقاومة لمضاد حيوي معين. لتحديدهم ، يكفي استخدام المضاد الحيوي المذكور وأخذ الناجين.

4. "حصاد" البروتين

بعد اختيار البكتيريا مع الحمض النووي المؤتلف لدينا ، نشرع في استخدام الآلية الأنزيمية للمضيف لتوليد منتج البروتين الذي يهمنا. عندما تتكاثر البكتيريا ، يتم تمرير البلازميد إلى نسلها ، لذلك لا يتم فقده أثناء الانقسام.

يستخدم هذا الإجراء البكتيريا كنوع من "مصنع" البروتين. سنرى لاحقًا أنه كان إجراءً وثيق الصلة بتطوير علاجات طبية فعالة.

بمجرد أن تصبح المزرعة جاهزة وإنتاج البكتيريا كميات كبيرة من البروتين ، تتحلل الخلية أو تتعطل. هناك مجموعة واسعة من التقنيات البيوكيميائية التي تسمح بتنقية البروتينات وفقًا لخصائصها الفيزيائية والكيميائية.

في سياق تجريبي آخر ، قد لا نكون مهتمين بتوليد البروتين ، لكننا مهتمون بالحصول على تسلسل الحمض النووي في حد ذاته. إذا كان هذا هو الحال ، فسيتم استخدام البلازميد لإنشاء نسخ متعددة من جزء الاهتمام من أجل الحصول على ما يكفي من الحمض النووي المستهدف لإجراء التجارب ذات الصلة.

التطبيقات

فتحت تقنية الحمض النووي المؤتلف عددًا لا حصر له من الاحتمالات في البيولوجيا الجزيئية ، والتكنولوجيا الحيوية ، والطب ، والمجالات الأخرى ذات الصلة. تطبيقاته الأكثر بروزًا هي التالية.

التحليل الجيني

يرتبط التطبيق الأول ارتباطًا مباشرًا بمختبرات البيولوجيا الجزيئية. تمكن تقنية الحمض النووي المؤتلف الباحثين من فهم الوظيفة الطبيعية للجينات ، ويمكن استخدام البروتينات المتولدة في مزيد من البحث.

صناعة الادوية

للبروتينات المنتجة باستخدام إجراء الحمض النووي المؤتلف تطبيقات في الطب. مثالان مهمان للغاية في هذا المجال هما الأنسولين البشري وهرمون النمو ، والذي يتم تطبيقه على المرضى الذين يفتقرون إلى هذا البروتين.

بفضل الحمض النووي المؤتلف ، يمكن إنتاج هذه البروتينات دون الحاجة إلى استخلاصها من إنسان آخر ، مما يمثل مضاعفات منهجية إضافية ومخاطر صحية. وقد ساعد هذا في تحسين نوعية الحياة لعدد لا يحصى من المرضى.

المراجع

1. باكا ، LEL ، & ألفاريز ، سي إل سي (2015). علم الأحياء 2. Grupo الافتتاحية باتريا.
2. Cooper ، GM ، Hausman ، RE ، & Hausman ، RE (2000). الخلية: نهج جزيئي (المجلد 10). واشنطن العاصمة: مطبعة ASM.
3. ديفلين ، TM (2004). الكيمياء الحيوية: كتاب مدرسي مع التطبيقات السريرية. أنا عكس.
4. خان ، س. ، الله ، م.و ، صديق ، ر. ، نبي ، ج. ، منان ، س. ، يوسف ، م. ، هوو ، هـ. (2016). دور تقنية الحمض النووي المؤتلف في تحسين الحياة. المجلة الدولية لعلم الجينوم ، 2016 ، 2405954.
5. Mindán، FP، & Mindan، P. (1996). التشريح المرضي. إلسفير إسبانيا.
6. Tortora، GJ، Funke، BR، & Case، CL (2007). مقدمة في علم الأحياء الدقيقة. عموم أمريكا الطبية Ed.
7. ال ، MJ (1989). الأنسولين البشري: أول دواء لتكنولوجيا الحمض النووي. المجلة الأمريكية لصيدلة النظام الصحي، 46 (11_suppl)، S9-S11.