الهندسة الوراثية

حتى تاريخ 1970 ميلادية كان إجراء الأبحاث على الحمض النووي          ( DNA) من أصعب الأمور التي كانت تواجه علماء الوراثة و الكيمياء.و كانت معظم الأبحاث تجرى بشكل غير مباشر على الحمض النووي الريبوزي (RNA)أو البروتين.و لكن الحال تحول بشكل كامل فأصبح علم الوراثة المتعلق بفحص DNA(و المعروف بعلم الوراثة الجزيئية)من أسهل العلوم و أكثرها تطورا.لقد أصبح من السهل صنع نسخ عديدة من أي جين أو مقطع محدد من DNA.كما أمكن معرفة تسلسل الأحماض النووية بسرعة تتعدى المئات في اليوم الواحد.كما استطاع العلماء استكشاف الجينات الموجودة في على الكروموسومات كما استطاعوا تغيير و تعديلها بشكل الذي يريدون و ليس هذا فحسب بل استطاعوا أن يعيدوا هذه الجينات المعدلة إلى الخلية و إدخالها في الكروموسوم الذي يريدون.كما أمكن إنتاج كميات كبيرة من البروتينات كالهرمونات و اللقاحات المختلفة و التي كانت تنتج في السابق من الجثث الميتة أو تستخلص من الحيوانات و التي كانت تحوفها المخاطر من انتقال العدوى إلى الإنسان.كما أن هذه الثورة العلمية فتحة المجال أمام الكثيرين من محبي هذا العلم في اختراع و اكتشاف طرق جديدة و حديثة في التعامل و حفظ و تغيير هذه المادة الحيوية في الإنسان و الحيوان و النبات.

 لقد أُطلق على عملية نسخ و تعديل و زرع الجينات اسم الهندسة الوراثية و هو اسم عام لا يحدد فكرة معينة أو تقنيه محدده، ولكنه يعني بكل ما يقام به في تغيير أو تعديل المادة الوراثية.و يتفرع من هذا العلم الكثير من التقنيات .

 أهم  تقنيات تختص بالهندسة الوراثية:

 1- قص و قطع الحمض النووي(Cleavage of DNA ) بإنزيمات تسمى (Restriction Nucleases) واكتشاف هذه الإنزيمات ساعد كثيرا في مهمة التحكم في DNA.

 2- فصل قطع DNA على لوح من الجل بالكهرباء (Gel Electrophoresis ).

 3- معرفة التسلسل النووي(DNA sequencing ) لكل قطع DNA التي يتم عزلها بشكل سريع و دقيق.و التي تسمح للعلماء معرفة التركيب الإنشائي للجينات و معرفة و استنتاج نوع البروتين الذي ينتج منه.

 4- تقنية تهجين الحمض النووي(Nucleic acid hybridization )، و التي مكنتنا في معرفة أحجام القطع. من الحمض النووي و الكشف عن القطع المحددة من الحمض النووي في خليط معقد من القطع المتشابهة.

 5- استنساخ DNA  (DNA cloning )، و التي تسمح بإنشاء نسخ عديدة و متطابقة من القطع DNA.

 6- تقنية هندسة أو تعديل DNA (DNA engineering )، و التي تسمح بإنتاج نسخة معدلة من جين ما ثم أعادته مرة أخرى إلى الخلية.

تقنيات الهندسة الوراثية Recombinant DNA Techniques

<!--

كما هو معروف فان البروتينات موجودة داخل الخلية على شكل قطع منفصلة عن بعضها البعض و هذا بالطبع سهل عملية فصلها عن بعضها البعض بطرق فنية مناسبة.ولكن الجينات موجودة على الكروموسومات على شكل حبات متصلة ببعضها البعض و ليست على شكل قطع منفصلة.وهذا التسلسل و الترابط في الجينات جعل عملية فصله و عزل  و استخلاص جين محدد من بقيه الجينات مهمة صعبة ان لم تكن مستحيلة قبل عام 1970.

ولكن اكتشاف الإنزيمات القاطعة(Restriction Nucleases ) ساعد في عملية استخلاص الجينات و قطع DNA و نسخها .

 الإنزيمات القاطعة (Restriction Nucleases )

 لا شك أن كل كائن حي لديه طرق دفاع مختلفة تحميه من غارات الأعداء و هجوم المعتدين! و البكتيريا هي إحدى هذه الكائنات و لها أعداء كثر و من أهم أعدائها الفيروسات المختلفة.و لقد قامت بعض من البكتيريا بإنتاج إنزيمات مهمتها تدمير الفيروسات.و من هذه الإنزيمات الإنزيمات القاطعة أو (Restriction Nucleases)

و تقوم هذه الانزيمات بقص الحمض النووي(DNA)للفيروس و بذلك يشل عمله و يبطل مفعولة. و بما أن DNA مادة موجودة بشكل طبيعي في البكتيريا كما هو الحال في الفيروسات و الكثير من الكائنات الحية فان هذه الانزيمات قد تشكل خطرا على البكتيريا نفسها في قصها ل DNA الخاص بها.ولكن هذا لا يحدث و السر في ذلك هو  قيام البكتيريا بتحوير أجزاء من DNA الخاص بها عن طريق إضافة مجموعة الميثيل( Methyl) إلى بعض الأحماض النووي من نوع الادنين او السيتوسن(Methylation at an A or a C residue ) فلا يستطيع القاطع من قص الحمض النووي الخاص بالبكتيريا.

و عند اكتشاف هذه القواطع في السبعينيات الميلادية بدأ العلماء في استخدامها كمقصاة لقص DNA.و ساعدتهم هذه المقصاة في عملية التحكم في DNA.و يوجد حاليا أكثر من مائه نوع من هذه الانزيمات .و تقسم هذه المقصاة إلى نوعين رئيسيين، النوع الأول يقص شريط DNA المزدوج بشكل رأسي مستقيم(Blunt ends) و النوع الثاني يقص بشكل متعرج(Staggered cuts, )  و بتالي يجعل طرفي DNA المقطوع مادة قابلة "للزق"قطعة غريبة من DNA فيها.و عن لزق قطعة من DNA في داخل الفراغ الناتج من القطع ينتج لنا قطعة مركبة من قطعتين مختلفتين من DNA و هذه القطعة تسمى دي إن أي مهجّن أو (Recombinant DNA).

كيف يتعرف الإنزيم القاطع على المكان المفترض أن يحدث القطع فيه؟

 كل إنزيم قاطع يعتبر عن مقص خاص لقطع  DNA في نقطة محددة.و يتعرف الإنزيم القاطع على مكان  القطع حسب تسلسل DNA للقطعة.فكل إنزيم قاطع يقطع في تسلسل محدد.

فمثلا الإنزيم القاطع المعروف بالهيبا و احد(Hpa I )يقطع عندما يجد 6 من الأحماض النووية في هذا التسلسل (  GTTAAC) بينما الإنزيم القاطع إيكو أر واحد (Eco RI ) يقطع عندما يجد 6 من الأحماض النووية في هذا التسلسل( GAATTC).و للعلم  فان(Hpa I )سمي بهذا الاسم لأنه يوجد في بكتيريا (Hemophilus parainfluenzae ) و هذا الإنزيم يعتبر من الإنزيمات التي تقطع بشكل رأسي مستقيم.بنما انزيم  ECoR Iفهو مأخوذ من بكتيريا الايكو كولي (Escherichia coli )، ويعتبر من الإنزيمات التي تقطع بشكل متعرج.

القطع المحددة (Restriction fragments ):

عندما يضاف الإنزيم القاطع إلى محلول به شريط من DNA فانه يقطّعه إلى عدة قطع و ليس إلى قطعتين فقط.و كل قطعة مقطوعة بالإنزيم تسمى قطعة محددة.و يختلف طول هذه القطع على حسب المسافة التي بين كل مقطع و أخر.و لكن يجب أن تكون كل قطعة محددة لها نفس الحجم في كل نوع من الكائنات الحية.و ذلك يعني أن جميع الناس(الإنسان)لديه قطعة محددة معينه يقطعها الإنزيم القاطع (Hpa I ) في الكروموسوم رقم 2.       و يمكن التأكد من ذلك بتحليل قياس لهذه القطعة بتقنيه حركة DNA الكهربائية على الجل (  Gel Electrophoresis).و إذا لم حدث أن وجد إنسان ليس لديه نفس الحجم المفترض للقطعة ففي هذه الحالة نستنتج أن هذا الشخص لدية طفرة(تغير في تسلسل DNA)في احد الأماكن التي كان من المفترض أن يقصها الإنزيم فلم يتم القطع فيها.و بذلك فان حجم القطعة قد اختلف تعرف هذه الظاهرة عند علماء الوراثة بتفاوت القطع المحددة المصحوب بطفرة(Restriction Fragment Length polymorphism. RFLP )

خريطة القطع المحددة  RFLP's  Map :

 لقد أنشاء العلماء خريطة تسمى خريطة القطع المحددة لكثير من الكائنات الحية.و هذه الخريطة تبين مكان القطع و محلها مقارنة بالقطع الأخرى .و عملت هذه الخريطة عن طريق تقطيع جميع الكروموسومات بإضافة أنواع مختلفة من الإنزيمات القاطعة ثم رتبت هذه القطع بشكل منتظم.و كان الهدف من هذه الخريطة هو لتحديد نقاط و علامات على طول الشريط الطويل من DNA التي تتركب منه الكروموسومات و لكي يستطيعوا أن يقارنوا بين هذه القطع في الكائنات المختلفة.

الناقلات (    Vectors)

 الناقلات هي في الغالب فيروسات أو قطع من الحمض النووي موجودة في البكتيريا.كما أن هناك أنواع صناعية تم صنعها في المختبرات الطبية و هي في العادة مواد شبه صناعية لأنها في الأصل مصنعة من مواد موجودة في الطبيعة.

1- البلازميد (  Plasmid )

 و هي من اشهر الناقلات ،و هو عبارة عن قطعة صغيرة من الحمض النووي قابلة للتكاثر بمعزل عن بقية الحمض النووي الموجود في الكروموسومات .و هي شبيهة بالفيروس الصغير و لكنها لا تحتوي على طبقة خارجية من البروتين.

و البلازميد عبارة عن قطعة من الحمض النووي موجود في البكتيريا خاصة في  الاي كولي(E.Coli) و بعض أنوع الخميرة (  Yeast) .و لدية القدرة على التكاثر الذاتي و بمعزل من بقية الكروموسومات الموجودة في الخلية.كما أن هناك بلازميدات تستطيع التكاثر داخل البكتيريا و الخميرة في آن واحد.

و يوجد نوعان من البلازميد على حسب نوع الحمض النووي فيها فهناك البلازميد المصنوع من (DNA ) و نوع أخر مصنوع من (RNA ). و هناك أنواع عديدة من البلازميد فمنها الصغير و منها الكبير كما أن منها ما لا يحتوي على أي جين بينما هناك أنواع كبيرة تحتوي على عدة جينات.و بالإضافة إلى وحدة التكاثر الذاتي الموجد على البلازميد هناك الكثير من الجينات التي قد تكون على البلازميد و هي مفيدة للعلماء في عملية نسخ الجينات و القطع النووية فمثلا فد يوجد على البلازميد جين خاص يكافح المضادات الحيوية كالامبيسيلين و التترسيكلين .و هذه الجينات الحامية من المضادات الحيوية تساعد في التعرف و عزل البكتيريا التي تحتوي على البلازميد الذي عليه الجين الذي كنا ننوي استنساخه و يعتقد نظريا أن الفيروسات المنتشرة في الأصل كانت بلازميدات حيث أنها اكتسبت غلاف بروتيني خارجي و أصبحت فيروساً.

2_ الناقلات الفيروسية (  Viral Vectors) :

 إن اشهر هذه الأنواع هي الفيروسات البكتيرية المعروفة Phage. و هي عبارة عن قطعة من DNA مغطاة بغلاف بروتيني. ومن اشهر أنواع الفيج ما يسمى lambda phage و هو فيروس موجود  E. coli..و لقد حوّرت هذه الفيروسات لكي تستطيع حمل كمية اكبر من DNA.فعلا سبيل المثال الكوزميد (  Cosmids ) عبارة عن تهجين جزء(قطعة من DNA تسمى اللاصقة  cohesive sequence و تعرف مختصرة Cos sequence) من lambda phage مع بلازميد (Plasmid ) و الذي يستطيع نقل حتى (40kb ) و الباك الفيروسي المسمى بكروموسوم بي 1 الصناعي (PAC P1-derived Artificial Chromosomes / ) عبارة عن تحوير للفيج بي 1 (P1 Bacteriophage ) و إضافته إلى البلازميد..

الناقلات الكروموسومية الصناعية (Artificial Chromosomes ):

 نظرا للحاجة إلى نقل إحجام كبيرة من DNA فقد قام بعض العلماء بتحوير بعض الناقلات الطبيعية  لكي تقوم بهذه المهمة.و يوجد حاليا ناقلات على شكل كروموسوم و فيها القطع الأساسية لكي تعمل على شكل كروموسوم.و من هذه الأنواع ما يعرف بــ الياك او كروموسوم الخميرة الصناعي(Yeast Artificial Chromosomes / YAC  ) و الذي يستطيع نقل أكثر من (500 kb ).و الياك عبارة عن قطعة من DNA مترابطة و تحتوي على طرفين للكروموسوم(2 Telomeres) و مركز للكروموسوم(Centromere) و مركز للتكاثر(Autonomous replicating sequence ARS).بينما الباك البكتيري(Bacterial Artificial Chromosomes / BAC  )و الذي يستطيع حمل حتى (150 kb ) هو تحوير للبلازميد المعروف ببلازميد تناسل بكتيريا الايكولي(E.coli fertility plasmid-factor)).

النسخ والاستنساخ(Cloning):

كلمة نسخ أو استنساخ تعنى عملية إنشاء صورة طبقا الأصل من المادة التي يراد نسخها.و قد يكون النسخ لقطعة من DNA أو نسخ كائن حي متكامل.

 لذلك فالعلماء يقسمون الاستنساخ أو النسخ إلى 3 أنواع :

<!--

  2- الاستنساخ التكاثري أو الجنسي     Reproductive cloning 

<!--

أولا:   نسخ أو استنساخ القطع من DNA عن طريق الهندسة الوراثية:

  إن ما يهتم به العلماء في باب الاستنساخ هو نسخ قطع من DNA كانت هذه القطع عبارة عن جينأو جميع الجينوم.و اشهر العمليات التي تجرى هي نسخ قطعة من  DNA. و يحتاج العلماء للقيام بنسخ القطع لأنهم يحتاجون إلى كمية كبيرة من هذه النسخ و ذلك لندرة استخلاصها في كل مرة من داخل الخلية و ذلك لوجود التعقيدات الإنشائية للكروموسومات .و على سبيل المثال فان الجين المنتج لسلسة بيتا في الهيموجلوبين و المعروف ببيتا جلوبين(  Beta-Globin Gene) يمثل فقط 0.00005% من حجم DNA الكلي في الخلية   (و الذي يتراوح ب 3بلايين قاعدة نووية).كما أن الجين العملاق و المعروف بجين الدستروفين(  Dystrophin Gene ) و الذي يتراوح حجمه  (2.5Megabases ) لا يمثل أكثر من 0.08% من الحجم الكلي DNA في الخلية.و لذلك فان العلماء يحتاجون إلى إجراء نسخ لهذه الجينات أو القطعة من DNAلكي يتسنى لهم التعامل بها و إجراء التجارب عليها.

و هناك طريقتان رئيسيتان للنسخ:

  1-  النسخ عن طريق استخدام الخلايا الحية(Cell-Based DNA cloning)

<!--

أولا :النسخ عن طريق استخدام الخلايا (Cell-Based DNA cloning)

  يرتكز النسخ باستخدام الخلايا الحية على ثلاث خطوات:

 1- تصميم قطعة مهجنة من DNA المراد نسخها و DNA من ناقل (Vector) و لدية القدرة على التكاثر.و ذلك عن طريق استخدام الإنزيمات القاطعة(Restriction enzymes).

 2-                       Construction of recombinant DNA molecules by in Vitro attachment to Replicon(Vector)

 2- نقل القطعة المهجنة و التي هي بداخل الناقل إلى خلية حية و في العادة تستخدم البكتيريا(Bacteria ) خاصة النوع المعروف بالايكولي (E,coli او الخميرة(  Yeast).

 ثانيا الاستنساخ التكاثري (Reproductive cloning ) استنساخ الكائنات الحية بالكامل:

  يعرف الاستنساخ التكاثري أو الجنسي بأنه إنتاج لكائن حي له نفس المادة الوراثية( Nuclear DNA  ) لكائن حي أخر المنسوخ منه. لقد قام الفريق العلمي بمختبر روزلين بعملية استنساخ جنسي في عملية استنساخ للنعجة دولي.و تعرف هذه العملية أيضا ًبنقل نواة الخلية الجسمية  (somatic cell nuclear transfer" (SCNT ). و بشكل مبسط نقل نواة من خلية من خلايا الجسم غير الجنسية أي غير التي توجد في المبيض (في الأنثى )و من خلايا الخصية(في الذكر).و الخلية التي استعملت لاستنساخ دولي كان من خلايا الثدي لنعجة أخرى.و من ثم أخذت أيضا بويضة من المبيض و قام العلماء من التخلص من النواة التي بداخل تلك البويضة ثم قاموا بزرع النواة التي أخذوها من ثدي في داخل البويضة. ثم قاموا بصعق تلك البويضة بالكهرباء لكي ينشطوا عملية الانقسام. و بعد أن بدأت هذه البويضة في الانقسام قاموا بغرزها داخل رحم نعجة و بعدها نما الجنين في الرحم فأصبح"بإذن الله" نعجة كاملة.

ثالثا :لاستنساخ العلاجي  Therapeutic  cloning

  و يقصد بذلك استنساخ كائنات حية لأخذ خلايا جذعية(Stem Cells) و لا يسمح لها للوصول إلى تخليق كائن حي كامل. و أهمية هذه الخلايا تنبع في قدرة هذه الخلايا في إنتاج أي خلايا أو أعضاء كالكلية و الكبد و الخلايا الدموية و التي يرجى في استخدامها علاج الكثير من الأمراض التي لا يوجد لها علاج شافي. و لقد قامة إحدى الشركات العلمية في ولاية ماسيشيوستز بالولايات المتحدة الأمريكية (Advanced Cell Technologies ) في شهر نوفمبر من  عام 2001 بالإعلان عن محاولة ناجحة لاستخلاص خلايا جذعية من أجنة مستنسخة و ذلك بعد أن قامة باستخدام  8 بويضات بشرية تم تفريغها من نواها ثم زرع بداخلها نوى خلايا من الجلد.و لقد نجحوا في إنتاج خلايا جذعية من بويضة واحدة بينما فشلة البويضات السبع.

فوائد الهندسة الوراثية :

لقد اصبح للهندسة الوراثية اهداف عظيمة تحقق بعضها والعمل جارى على قدم وساق لتحقيق الباقى ولن تنتهي الطموحات التى فتحها هذا العلم لخدمة البشرية فى كافة المجالات والتى نجملها فى التالى :
أولا في مجال تطوير المحاصيل الزراعية
1- إنتاج نباتات مقاومة للأمراض الفيروسية :
2- نباتات مقاومة للحشرات
3-نباتات مقاومة لمبيدات الحشائش
4-ثمار اجود وتقاوم التلف
5-نباتات ذات خصائص غذائية فائقة
6-إنتاج نباتات رباعية الكربون مهندسه وراثيا
7- تحسين مواصفات التيلة للقطن والألياف الطبيعية
ثانيا فى مجال الانتاج الحيوانى :
1. انتاج حيوانات معدلة وراثيا ذات قدرة على مقاومة الأمراض خاصة الفيروسية مثل الأرانب والأسماك والأبقار والخنازير
2. المعاجلة الجينية للحيوانات لزيادة سرعة نموها بتزويدها بالجين الخاص بهرمون النمو السريع

3. إنتاج أغنام ذات صوف عالي الجودة
4. تقسيم جنين الماشية والحصول على توائم ثنائية وثلاثية ورباعيه لزيادة النتاج الثروة الحيوانية
ثالثا فى مجال التصنيع الزراعى :
1. إنتاج الأنزيمات المستخدمة فى صناعه الألبان
2. إنتاج المبيدات الحيوية لمقاومة الكثير من الحشرات
3. إنتاج الهرمونات والأنزيمات لتحويل النشا الى سكر وانتاج عصير ذرة سكرى
4. إنتاج الصبغات الطبيعية ومكسبات النكهة والطعم والرائحة
5. إنتاج لقاحات ضد الأمراض الدواجن مثل النيوكاسل والحمى القلاعية فى الحيوان
6. استخدام الحيوانات والنباتات والبكتريا كمصانع حيوية لتصنيع الدواء والبروتينيات والهرمونات والأنزيمات
7. الاستفادة من مخلفات المزرعة وتحويلها الي سماد عضوي ومخلفات الغابات من قلف ونشارة خشب وكذلك نفايات مصانع السكر وتحويلها باستخدام بكتريا معدلة وراثيا الى بروتين يمكن تصنيعه فى صناعات اللحوم كذلك إنتاج الغاز الحيوى من مخلفات المزرعة أيضا الاستفادة من بروتين شرس اللبن
8. استنباط الطاقة من النفايات ببكتريا تحول السيلولوز الى مواد عضوية نيتروجينية وأخرى تحول الأحماض العضوية الى ميثان كذلك استخدام بكتريا مثل Zymononas mobilis التى تحول النشا الى ايثانول
رابعا فى مجال العلاج الطبى :
1. إنتاج لقاحات ضد الأمراض فى الانسان مثل والملاريا فى الإنسان
2. توصل العلماء الي تكوين بكتريا تحتوى على جينات الانترفيرونات البشرية Inter Ferones وهى عبارة عن بروتينيات تعمل على وقف تضاعف الفيروسات مثل الفيروسات المسببة لللانفلونزا وشلل الأطفال وهى تنتج داخل جسم الإنسان وتنطلق لمهاجمه الفيرس وهى قد تكون مفيدة فى علاج الإيدز والسرطان

3. العلاج الجينى
4. تشخيص الخلل الوراثي
خامسا مقاومة التلوث البيئي :
1. إنتاج بكتيريا محللة لفضلات مياه المجارى
2. إنتاج البكتيريا لبروتينيات تغلف المواد الضارة بالبيئة مثل مركب ددت
3. إنتاج بكتريا تقاوم التلوث البحري بالبترول باستخدام بكتريا تفتت وتلتهم جزيئات البترول
4. إنتاج بولميرات تسمى Biopal تنتجها بكتريا يوتر وفاس الي E. coil ثم الي النبات هذا البلاستك الحيوى يشبة البلاستك ويسهل تحلله بكتيريا وعليه فهو بديل آمن بيئيا5. استخدام البكتريا المحللة لمياه المجارى العادة استخدامها فى زراعة الأشجار الخشبية.