زیست فناوری و مهندسی ژنتیک

امروزه به کمک روش های زیست فناوری، تولید پلاستیک های قابل تجزیه با صرف هزینه کمتر ممکن شده است. این کار با وارد کردن ژن های تولید کننده بسیاری از این نوع مواد از باکتری به گیاه امکان پذیر است. با توجّه به اهمیت محیط زیست و حفظ آن، تولید و استفاده از چنین پلاستیک هایی راهکار مناسبی برای پیشگیری از مصرف بی رویه پلاستیک های غیرقابل تجزیه است.

🔰زیست فناوری و مهندسی ژنتیک
🔶همان طور که می دانیم جهش در یک ژن و در نتیجه، تغییر در محصول آن می تواند به بروز بیماری منجر شود. اختلال در عملکرد و مقدار عوامل مؤثر در انعقاد خون از این دسته هستند. با توجّه به افزایش افراد نیازمند به این ترکیبات، تأمین نیاز دارویی آنها با مشکل مواجه می شود

🔶امروزه استفاده از روش های زیست فناوری و مهندسی ژنتیک تحولات مهّمی در زمینه تولید چنین فراورده هایی فراهم آورده است. تا چندی پیش، انتقال ژن های انسان به داخل یاخته های سایر موجودات زنده و یا استفاده از باکتری ها برای ساختن پروتئین های انسانی غیرقابل تصوّر بود امّا اکنون روش های لازم برای تحقّق آن توسعه یافته و کاربرد فراوانی پیدا کرده است. (یادآوری می کنیم که نکته قابل توجه این است که رمزه آمینواسیدها در جانداران یکسان اند.)
🔶فرض کنید می خواهیم باکتری را برای ساختن هورمون رشد انسانی تغییر دهیم، پس ضرورت دارد تمام احتیاجات این فرایند را در یاخته باکتری فراهم کنیم. در ادامه مطلب با مراحل این روش آشنا خواهیم شد.

🔷🔶🔷🔶🔷🔶🔷🔶🔷🔶🔷🔶🔷🔶🔷🔶🔷🔶🔷🔶🔷🔶

🔰زیست فناوری چیست؟
🔶به طور کلی به هر گونه فعالیت هوشمندانه آدمی در تولید و بهبود محصوالت گوناگون با استفاده از موجود زنده، زیست فناوری گویند.

🔶زیست فناوری قلمروی بسیار گسترده دارد و روش هایی مانند مهندسی ژنتیک، مهندسی پروتئین و بافت را در بر می گیرد. زیست فناوری از گرایش های علمی متعدّدی مانند علوم زیستی، فیزیک، ریاضیات و علوم مهندسی بهره می برد. کاربردهای فراوان زیست فناوری، آن را به عنوان نشانهی پیشرفت کشورها در قرن حاضر و به یکی از ابزارهای مهّم برای تأمین نیازهای متنوع تبدیل کرده است.

🔷🔶🔷🔶🔷🔶🔷🔶🔷🔶🔷🔶🔷🔶🔷🔶🔷🔶🔷🔶🔷🔶

🔰تاریخچه زیست فناوری
🔶برای زیست فناوری، که از سال های بسیار دور آغاز شده است، سه دوره در نظر می گیرند:
🔹زیست فناوری سنتی: تولید محصولات تخمیری مانند سرکه، نان و فرآورده های لبنی با استفاده از فرایندهای زیستی مربوط به این دوره است.

🔹زیست فناوری کلاسیک: با استفاده از روش های تخمیر و کشت ریزجانداران (میکروارگانیسم)ها تولید موادی مانند پادزیست ها، آنزیم ها و مواد غذایی در این دوره ممکن شد.

🔹زیست فناوری نوین: این دوره با انتقال ژن از یک ریز جاندار به ریز جاندار دیگر آغاز شد. دانشمندان توانستند با تغییر و اصلاح خصوصیات ریز جانداران، ترکیبات جدید را با مقادیر بیشتر و کارایی بالاتر تولید کنند.

🔷🔶🔷🔶🔷🔶🔷🔶🔷🔶🔷🔶🔷🔶🔷🔶🔷🔶🔷🔶🔷🔶

🔰مهندسی ژنتیک
🔶یکی از روش های مؤثر در زیست فناوری نوین، مهندسی ژنتیک است. در مهندسی ژنتیک قطعه ای از دنای یک یاخته توسط ناقل به یاخته ای دیگر انتقال می یابد. در این حالت، یاخته دریافت کننده قطعه دنا دچار دست ورزی ژنتیکی و دارای صفت جدید می شود.

🔶به جانداری که از طریق مهندسی ژنتیک دارای ترکیب جدیدی از مواد ژنتیکی شده است، جاندار تغییر یافته ژنتیکی یا تراژنی می گویند. گرچه این روش ابتدا با باکتری ها شروع شد؛ امّا پیشرفت های بعدی، امکان دست ورزی ژنتیکی برای سایر موجودات زنده مثل گیاهان و جانوران را نیز فراهم کرد.

🔶مثلا مراحل ایجاد گیاهان زراعی تراژنی از طریق مهندسی ژنتیک را می توان به صورت زیر خلاصه کرد:
1 -تعیین صفت یا صفات مطلوب 2 -استخراج ژن یا ژن های صفت مورد نظر 3 -آماده سازی و انتقال ژن به گیاه 4 -تولید گیاه تراژنی 5 -بررسی دقیق ایمنی زیستی و اثبات بی خطر بودن برای سالمت انسان و محیط زیست 6 -تکثیر و کشت گیاه تراژنی با رعایت اصول ایمنی زیستی.
شکل زیر بعضی از این مراحل را نشان می دهد.

🔰مراحل مهندسی ژنتیک
🔶یکی از اهداف مهندسی ژنتیک تولید انبوه ژن و فراورده های آن است. تولید انبوه ژن با همسانه سازی دنا یا Cloning DNA انجام می شود. جداسازی یک یا چند ژن و تکثیر آنها را همسانه سازی دنا می گویند. در همسانه سازی دنا ماده وراثتی با ابزارهای مختلفی در خارج از یاخته تهیه و به وسیله یک ناقل همسانه سازی یا Vector Cloning به درون ژنوم میزبان منتقل می شود.هدف از این کار تولید مقادیر زیادی از دِنای خالص است که می تواند برای دست ورزی، تولید یک ماده بخصوص و یا مطالعه مورد استفاده قرار گیرد.

🔷🔶🔷🔶🔷🔶🔷🔶🔷🔶🔷🔶🔷🔶🔷🔶🔷🔶🔷🔶🔷🔶
🔶برای این منظور مراحل زیر انجام می شود:
1 -جداسازی قطعه ای از دِنا 2 -اتصال قطعه دنا به ناقل و تشکیل دنای نوترکیب 3 -وارد کردن دِنای نوترکیب به یاخته میزبان 4 -جداسازی یاخته های تراژنی

🔰1 -جداسازی قطعه ای از دِنا :
🔶این کار به وسیله آنزیم های برش دهنده انجام می شود. این آنزیم ها در باکتری ها وجود دارند و قسمتی از سامانه دفاعی آن ها محسوب می شوند. اوّلین مرحله از همسانه سازی که جداسازی ژن ها است، به وسیله این آنزیم ها انجام می شود. این آنزیم ها توالی های نوکلئوتیدی خاصی را در دنا تشخیص و برش می دهند.مثلا آنزیم EcoR1 توالی شش جفت نوکلئوتیدی
𝑮𝑨𝑨𝑻𝑻𝑪
𝑪𝑻𝑻𝑨𝑨𝑮
را شناسایی و برش می دهد. به این توالی جایگاه تشخیص آنزیم گفته می شود.

🔶همان طور که در شکل می بینید در جایگاه تشخیص آنزیم EcoR1 ، توالی نوکلئوتیدهای هر دو رشته دنا از دو سمت مخالف یکسان خوانده می شود. این آنزیم پیوند فسفو دی استر بین نوکلئوتید گوانین دار و آدنین دار هر دو رشته را برش می زند.

🔶در نتیجه، انتهایی از مولکول دنا ایجاد می شود که یک رشته آن بلندتر از رشته مقابل است و به آن انتهای چسبنده می گویند. برای تشکیل چنین انتهایی از مولکول دنا، عالوه بر پیوندهای فسفو دی استر، پیوندهای هیدروژنی بین دو رشته دنا در منطقه تشخیص نیز شکسته می شوند. استفاده از آنزیم های برش دهنده، دنا را به قطعات کوتاه تری تبدیل می کند. این قطعات را با روش های خاصی جدا می کنند و تشخیص می دهند.

🔰 2-اتصال قطعه دنا به ناقل و تشکیل دنای نوترکیب:
🔶مرحله بعدی، اتصال قطعه دنای جداسازی شده به ناقل همسانه سازی است. این ناقلین، توالی های دنایی هستند که در خارج از فام تن اصلی قرار دارند و می توانند مستقل از آن تکثیر شوند. یکی از این مولکول ها دیسک (پلازمید) حلقوی باکتری است.

🔶این نوع دیسک یک مولکول دنای دو رشته ای و خارج فام تنی است که معمولا درون باکتری ها و بعضی قارچ ها مثل مخمرها وجود دارد و می تواند مستقل از ژنوم میزبان همانند سازی کند. دیسک ها را فام تن های کمکی نیز می نامند چون حاوی ژن هایی هستند که در فام تن اصلی باکتری وجود ندارند.

🔶مثلا ژن مقاومت به پادزیست (آنتی بیوتیک) در دیسک قرار دارد. در صورت انتقال قطعه دنای مورد نظر به دیسک و ورود آن به یاخته میزبان، با هر بار همانند سازی دیسک، دنای مورد نظر نیز همانند سازی می شود. بهتر است از دیسکی استفاده شود که فقط یک جایگاه تشخیص برای آنزیم برش دهنده داشته باشد. چرا؟

🔶شکل بالا طرح ساده ای از دیسک دارای یک جایگاه تشخیص آنزیم EcoR1 را نشان می دهد، بسیاری از دیسک ها دارای ژن های مقاومت به پاد زیست ها هستند. چنین ژن هایی به باکتری این توانایی را می دهند که پاد زیست ها را به موادی غیر کشنده و قابل استفاده برای خود تبدیل کنند.

🔶این ویژگی در مهندسی ژنتیک اهمیت زیادی دارد که در مباحث بعد به آن می پردازیم. در ساخت یک دنای نوترکیب، قطعه دنای حاوی توالی مورد نظر در دنای ناقل جاسازی می شود. دانستید که برای جداسازی قطعه دنای مورد نظر از نوعی آنزیم برش دهنده استفاده می شود. توجه داشته باشید آنزیم مورد استفاده برای برش دادن دیسک، باید همان آنزیمی باشد که در جدا سازی دنای مورد نظر استفاده شده است. چرا؟

🔶برش دیسک با آنزیم، آن را به یک قطعه دنای خطی تبدیل می کند که دارای دو انتهای چسبنده است. همچنین قطعه دنای خارجی نیز دو انتهای چسبنده دارد. برای اتصال دنای مورد نظر به دیسک از آنزیم لیگاز (اتصال دهنده) استفاده می شود. این آنزیم پیوند فسفو دی استر بین دو انتهای مکمل را ایجاد می کند. به مجموعه دنای ناقل و ژن جاگذاری شده در آن، دنای نوترکیب گفته می شود.

🔰 3-وارد کردن دِنای نوترکیب به یاخته میزبان:
🔶در این مرحله، دنای نوترکیب را به درون یاخته میزبان مثلا باکتری منتقل می کنند. به این منظور باید در دیواره باکتری منافذی ایجاد شود. این منافذ را می توان با کمک شوک الکتریکی و یا شوک حرارتی همراه با مواد شیمیایی ایجاد کرد. بر طبق اطلاعات به دست آمده، مشخص شده همه باکتری ها دنای نوترکیب را دریافت نمی کنند. بنابراین لازم است باکتری دریافت کننده دیسک از باکتری فاقد آن تفکیک شود.

🔰4 -جداسازی یاخته های تراژنی:
🔶برای انجام این مرحله، از روش های متفاوتی می توان استفاده کرد. یکی از این روش ها استفاده از دیسکی است که دارای ژن مقاومت به پاد زیستی مثل آمپی سیلین است. اگر باکتری، دنای نوترکیب را دریافت کرده باشد، در محیط حاوی پاد زیست رشد می کند. باکتری های فاقد دنای نوترکیب به دلیل حساسیت به پادزیست در چنین محیطی از بین می روند.

🔶در شرایط مناسب، باکتری های تراژنی با سرعت بالایی تکثیر می شوند. همچنین از دناهای نوترکیب نیز به صورت مستقل از فام تن اصلی یاخته، نسخه های متعدّدی ساخته می شود که در نتیجه آن دنای خارجی به سرعت تکثیر می شود. بنابراین، تعداد زیادی باکتری دارای دنای خارجی آماده خواهد شد که می توان از آنها برای تولید فرآورده یا استخراج ژن استفاده کرد.

🔶امروزه با پیشرفت روش های مهندسی ژنتیک می توان یاخته های دیگری مثل مخمرها، یاخته های گیاهی و حتی جانوری را با این فرایند تغییر داد. دناها و سایر مولکول های حاصل از دناهای تولید شده برای اهداف گوناگون علمی و کاربردی استفاده می شوند. در گفتارهای بعدی این فصل به برخی از این وارد اشاره شده است.