أدوات التكنولوجيا الحيوية

• أمثلة قديمة:
• إضافة الخميرة إلى الطحين لإعداد الخبز
• إدخال البكتيريا في عمليات التعدين وصناعة الألبان ومنتجاتها

• في ظلّ التطوّر في علم الوراثة والبيولوجيا الجزيئية، أصبح الإنسان يستخدم الكائنات الحيّة بعد تعديل المادة الوراثية فيها ومعالجتها.
• ثم ينقلها إلى كائن حيّ آخر.

• تتطلّب التكنولوجيا الحيوية وجود أدوات ومواد مختلفة، مثل: إنزيمات الحمض النووي ⁦DNA⁩، ونواقل الجينات.

• أصف الأدوات المختلفة المُستخدمة في معالجة ⁦DNA⁩.
• أُوضّح أهم التقنيات المُستخدمة في التكنولوجيا الحيوية.

التكنولوجيا الحيوية: كائنات حيّة في خدمة الإنسان

تُستخدَم في التكنولوجيا الحيوية أدوات وتقنيات تساعد في تعديل المادة الوراثية ⁦DNA⁩، ونقلها، وتكثيرها، وفصلها.

إنزيمات القطع المُحدَّد: مقصّ الجينات

• تتعرَّف الإنزيمات منطقة التعرُّف، وهي تسلسل مُحدَّد من النيوكليوتيدات.
• تسلسل النيوكليوتيدات في إحدى سلسلتي ⁦DNA (⁩من '5 إلى '3) هو التسلسل نفسه للسلسلة المُقابلة لها (من '5 إلى '3).
• تقطع جزيء ⁦DNA⁩ عند مواقع القطع، بين نيوكليوتيدين متتاليين.

• وقد تتكرَّر مناطق تعرُّف إنزيم قطع مُحدَّد ما على جزيء ⁦DNA⁩، فيقطع في أكثر من موقع.
• فيُنتج أجزاء مُتعدِّدة الأطوال من ⁦DNA⁩.

• تُنتج أنواع مختلفة من البكتيريا إنزيمات القطع للدفاع عن نفسها ضد أنواع مختلفة من الفيروسات.
• تُسمّى الإنزيمات تبعًا لجنس البكتيريا المُنتِجة لها، ونوعها، وترتيب اكتشاف الإنزيم.

أُوضِّح المقصود بإنزيمات القطع المُحدَّد.

النهايات اللزجة وغير اللزجة: أيّها يلتحم؟

• يسهل التحامها بنهاية لزجة مُتمِّمة لها من قطعة ⁦DNA⁩ أخرى.

• يصعب التحامها بسلاسل أُخرى؛ ما يحدُّ من استخدامها في التكنولوجيا الحيوية.

أُحدِّد على الشكل النهايات اللزجة، والنهايات غير اللزجة.

أُوضِّح نوع الروابط التي يُكوّنها إنزيم الربط.

إنزيم الربط: لصق القطع معًا

• يُستخدم إنزيم الربط في التكنولوجيا الحيوية لربط الجين المعزول وإنتاج ⁦DNA⁩ مُعاد تركيبه.
• ولربطه بناقل جينات ينقل الجين المعزول إلى الخلية الحيوية المُستهدفة من التعديل الجيني.
• يكوّن روابط تساهمية فوسفاتية ثنائية الإستر بين نهايات سلسلتي ⁦DNA⁩؛ ما يؤدّي إلى التحامها.

إنزيمان آخران: من بكتيريا ومن فيروسات

• يتحمَّل هذا الإنزيم درجات حرارة عالية.
• يُعدُّ الإنزيم الأساسي في تقنية تفاعل إنزيم البلمرة المتسلسل ⁦(PCR)⁩.

• عملها في الاتجاه المعاكس للاتجاه المعتاد لانتقال المعلومات الوراثية.
• يُعدُّ مهمًّا في تقنيات مقارنة التعبير الجيني من خلال عزل وإنتاج جين معين.

نواقل الجينات: كيف يصل الجين إلى الخلية؟

• تُستخدَم نواقل الجينات لنقل الجين المرغوب فيه إلى الخلية الحيَّة المُستهدفة.

• تحتوي البلازميدات المُستخدمة في التكنولوجيا الحيوية على:
• منطقة مُحفِّز عوامل النسخ Promoter
• مناطق تعرُّف إنزيمات القطع المُحدَّد
• جينات لمقاومة أنواع مختلفة من المضادات الحيوية
• منطقة أصل التضاعف Origin of Replication ⁨(ORI)⁩ التي تسمح بتضاعف البلازميد

• تُعدَّل جينيًّا باستخدام إنزيمات القطع المُحدَّد وإنزيم الربط.

أُوضِّح دور منطقة أصل التضاعف في البلازميد.

نشاط: نقصّ تسلسل الحمض النووي على الورق

أُقارن بين نهايات القطع الناتجة من استخدام إنزيمات القطع المُحدّد في النشاط.

أُفسّر تعدّد القطع أحيانًا عند استخدام إنزيم قطع مُحدّد.

أتوقّع: أي القطع أكثر استخدامًا في هندسة الجينات؟

أُفسّر سبب استعمال إنزيم القطع المُحدّد نفسه لقطع الجين المرغوب، وقطع الناقل الجيني عند إنتاج ⁦DNA⁩ المُعاد تركيبه.

تفاعل البلمرة المتسلسل: ملايين النسخ من القليل

• يُعزى إلى العالم كاري موليس تطوير هذه التقنية.

• يلزم لإتمام التفاعل:
• عيّنة DNA التي يراد مضاعفتها
• إنزيم البلمرة مُتحمّل الحرارة
• أعداد من النيوكليوتيدات الأربعة: ⁦A⁩,⁦T⁩,⁦G⁩,⁦C⁩؛ لاستخدامها في بناء سلاسل جديدة
• سلاسل البدء Primers

• ثم ترتبط بها، فتصبح بداية السلسلة المراد بناؤها مزدوجة.
• لأنّ إنزيم بلمرة ⁦DNA⁩ مُتحمّل الحرارة يتطلّب وجود تسلسل ⁦DNA⁩ مزدوج لبدء بناء السلسلة المُكمّلة.

أُوضّح المقصود بسلاسل البدء.

مراحل الدورة: فصل ثم ربط ثم استطالة

• توجد ثلاث مراحل أساسية لتفاعل البلمرة في كل دورة، وتعتمد كل مرحلة على درجة حرارة مُعيّنة.

• مرحلة الفصل ⁦Denaturation Stage⁩: تحطيم الروابط الهيدروجينية التي تربط بين القواعد النيتروجينية في سلسلتي ⁦DNA⁩ لفصل السلسلتين.
• ما يؤدّي إلى إنتاج سلسلتين أحاديتين.
• تتطلّب توافر درجة حرارة تتراوح بين $94°\text{C}$ و$96°\text{C}$
• مرحلة الربط ⁦Ligation Stage⁩: ربط النهاية المفردة للسلاسل الأحادية بسلاسل البدء.
• تتطلّب توافر درجة حرارة تتراوح بين $55°\text{C}$ و$65°\text{C}$
• ليس هو إنزيم الربط، الذي يكوّن روابط تساهمية فوسفاتية ثنائية الإستر بين نهايات سلسلتي ⁦DNA⁩.
• مرحلة الاستطالة ⁦Extending Stage⁩: بناء جزيئات ⁦DNA⁩ جديدة وكاملة بواسطة إنزيم بلمرة ⁦DNA⁩ مُتحمّل الحرارة.
• تتطلّب توافر درجة حرارة تتراوح بين $70°\text{C}$ و$75°\text{C}$
• فينتج جزيئتا ⁦DNA⁩، في كلّ منها سلسلة قديمة وأخرى جديدة.

• تتكرّر هذه الخطوات في الدورة الجديدة لكل جزيء من جزيئي ⁦DNA⁩ الناتجين.

عدد جزيئات ⁦DNA⁩ الناتجة = $(2^n)$، حيث ⁦n⁩ هو عدد الدورات

أحسُب عدد جزيئات ⁦DNA⁩ الناتجة بعد 5 دورات في جهاز الدورية الحرارية.

يُستعمَل تفاعل إنزيم البلمرة المُتسلسِل لتكثير ⁦DNA⁩ ضمن ثلاث مراحل مختلفة. أُوضِّح ما يحصل في المرحلة التي تبدأ بها الدورة الثانية.

أحسبُ عدد جزيئات ⁦DNA⁩ الناتجة من جزيء واحد بعد 8 دورات في جهاز الدورية الحرارية.

الفصل الكهربائي الهلامي: ترتيب القطع بحسب الطول

• تُفصل قطع ⁦DNA⁩ اعتمادًا على شحنتها السالبة والاختلاف في أطوالها.
• يُستخدم جهاز الفصل الكهربائي الهلامي الذي يحوي محلولًا موصلًا للتيار الكهربائي.
• توضع عينات ⁦DNA⁩ داخل ثقوب في المادة الهلامية، ثم يوصل التيار الكهربائي مدة مناسبة.
• فتتحرك قطع ⁦DNA⁩ في اتجاه القطب الموجب.
• يُفصل التيار، وتُرفع المادة الهلامية، وتوضع في محلول يحوي صبغة خاصة بـ ⁦DNA⁩، ثم تُنقل إلى جهاز التصوير بالأشعة فوق البنفسجية.
• تظهر خطوط تُمثّل قطع ⁦DNA⁩ على مسافات مختلفة من القطب السالب تبعًا لطول القطعة.

• تتناسب المسافة المقطوعة مع طول القطعة تناسبًا عكسيًا.
• مجموعة الخطوط الظاهرة تُمثّل خرائط قطع ⁦Restriction Maps⁩.
• تُستخدم في هندسة الجينات، ودراسة الطفرات، والتمييز بين الأفراد كما في البصمة الوراثية.

أربط بين أطوال قطع ⁦DNA⁩ والمسافة التي تقطعها على المادة الهلامية.

أوضّح آلية الفصل الكهربائي الهلامي.

أستنتج دور التقدُّم العلمي في الوراثة والبيولوجيا الجزيئية في تطوُّر التكنولوجيا الحيوية.

أكتب في الجدول الآتي وظائف الإنزيمات المستخدمة في التكنولوجيا الحيوية.