تطبيقات التكنولوجيا الحيوية

التطبيقات: ماذا غيّرت التكنولوجيا الحيوية في حياتنا؟

للتكنولوجيا الحيوية العديد من التطبيقات التي تُستخدم في تحسين حياة الإنسان في مجالات مختلفة، منها: الجنائية، والطبية والزراعية وغيرها.

• أوضح أهم تطبيقات التكنولوجيا الحيوية.
• استقصي أثر هندسة الجينات على الانسان.
• أوضح دور الجينوم البشري في تشخيص الاختلالات الجينية.
• أتعرف القضايا الاخلاقية المرتبطة بالتكنولوجيا الحيوية.

البصمة الوراثية: ما الذي يُميّز شخصًا عن آخر؟

• تُؤخذ العيّنة من نواة خلية حيّة، مثل: خلايا الدم البيضاء، وجذور الشعر، والخلايا الطلائية.

• تُعدُّ الخريطة باستخدام هذه المنطقة ⁦(Variable Number Tandem Repeats (VNTRs))⁩.
• تختلف من شخص إلى آخر، وتتشابه فقط في التوائم المُتطابقة.
• تُستخدم في القضايا القانونية، مثل:
• تحديد النسب.
• التحقيق في الجرائم.
• تحديد هوية الضحايا في الكوارث الطبيعية.
• في تحديد النسب تُحلَّل هذه الخريطة، ثم تُقارن بنتائج عيّنات الفحص للأبوين.
• تكون بعض قطع ⁦DNA⁩ للطفل من الأم، وبعضها الآخر من الأب.
• والشيء نفسه ينطبق على العينات المجهولة التي تُؤخذ من مسرح الجريمة، أو من موقع الكارثة الطبيعية.

أستنتج: أيُّ الطفلين هو طفل لهذه العائلة؟

وكيف نحصل على المادة الوراثية لنراها بأعيننا؟

تجربة: كيف نرى المادة الوراثية من خلايا الخد؟

أربط بين تركيب الغشاء البلازمي واستخدام محلول سائل الصحون.

أتوقَّع: ماذا يحدث إذا حرَّكتُ الأنبوب حركة سريعة؟

أُفسِّر: ما مصدر جزيء ⁦DNA⁩ الموجود في الناتج؟

أتنَبَّأ بنتيجة التجربة إذا استُخدمت خلايا دم حمراء.

هندسة الجينات: كيف نُعدّل المادة الوراثية لكائن حيّ؟

• يتغيَّر نوع البروتينات التي يُكوّنها الكائن؛ ما يؤدّي إلى إنتاج مواد جديدة، أو أداء وظائف جديدة.
• تعتمد العملية على عزل جينات مُحدَّدة من ⁦DNA⁩ المُتبرِّع، ثم إضافتها إلى ⁦DNA⁩ المُستقبِل.

• من تطبيقاتها تعديل البكتيريا ⁦Escherichia coli⁩ جينيًّا؛ لتكتسب صفة تكوين هرمون الإنسولين البشري.
• الإنسولين يتألَّف من سلسلتين من الحموض الأمينية، ويُعدُّ أول هرمون أُنتج اعتماداً على هندسة الجينات.

وما المراحل التي تمرّ بها هذه العملية؟

خطوات هندسة الجينات: من الجين إلى البروتين

• يُمكن تلخيص خطوات هندسة الجينات كما في المُخطَّط.

العزل: كيف نحصل على الجين المطلوب؟

• استخدم العلماء ثلاث طرائق للعزل، هي: إنزيمات القطع المُحدَّد، وتصنيع سلسلة عديد النيوكليوتيد، والنسخ العكسي.

• تصنيع سلسلة عديد النيوكليوتيد المسؤولة عن تصنيع بروتين مُعيّن يتم باستخدام أدوات خاصة إذا كان تسلسل الحموض الأمينية في هذا البروتين معلومًا.

• يُطلق على سلسلة ⁦DNA⁩ الناتجة اسم سلسلة ⁦DNA⁩ المُكمّلة ⁦cDNA (Complementary DNA)⁩.
• يُستخدم في العملية ⁦mRNA⁩ من خلايا نشيطة في تصنيع بروتين مُعيّن.
• مثلاً: يُستخلَص ⁦mRNA⁩ من خلايا بيتا في جزر لانجرهانز في البنكرياس، وهي الخلايا المسؤولة عن تصنيع الإنسولين البشري.

أقارن بين تسلسل النيوكليوتيدات في ⁦mRNA⁩، وتسلسلها في سلسلة ⁦DNA⁩ المُكمّلة لنسخة القالب.

الربط: كيف يصل الجين إلى البكتيريا؟

• يُستخدم إنزيم الربط ⁦DNA Ligase⁩ لربط الجين المعزول بناقل جينات.
• ينقل الناقل الجين المعزول إلى الخلية الحية المُستهدفة من التعديل الجيني مثل البكتيريا.
• من النواقل المُستخدَمة في هندسة الجينات البلازميد في البكتيريا.

• يُفتح البلازميد في منطقة التعرّف باستخدام نفس إنزيم قطع ⁦DNA⁩ المُحدَّد الذي استُخدِم في عزل الجين المرغوب فيه.
• لكي تتطابق النهايات المفردة في هذه المنطقة من البلازميد مع نهايات الجين المرغوب الناتج من عملية القطع.
• يُضاف إنزيم الربط ⁦DNA Ligase⁩ لربط النهايات المفردة في البلازميد، ونهايات الجين المرغوب فيه.

فكيف نعرف أنّ الخلية استقبلت البلازميد فعلًا؟

التحوّل والانتخاب: أيّ الخلايا استقبلت البلازميد؟

• تتحوّل الخلايا البكتيرية التي يدخلها البلازميد إلى خلايا مُعدّلة جينيًا، ولكنّ البلازميد لا يدخل الخلايا البكتيرية جميعها.

• يستخدم العلماء طرائق عدّة للانتخاب، منها: إضافة جين آخر يُسمّى الجين العلامة ⁦Marker gene⁩.
• من أمثلته: جين ⁦GFP (Green Fluorescent Protein)⁩ الموجود في نوع من قناديل البحر يُعرف باسم ⁦Aequorea victoria⁩.

• تُعرَّض الخلايا التي استقبلت البلازميد المُعدَّل جينيًا الذي يحوي ⁦GFP⁩ للأشعة فوق البنفسجية.

• تتوهّج هذه الخلايا باللون الأخضر؛ ما يدل على دخول البلازميد فيها.

التكاثر: كيف نحصل على البروتين المطلوب؟

• تُحفّز الخلايا المُعدّلة جينيًا إلى الانقسام؛ لكي تزداد أعدادها.
• تبدأ إنتاج البروتين الذي تعذّر عليها إنتاجه قبل عملية التعديل الجيني.
• يُستخلَص هذا البروتين، وتُستخدَم بعض أنواعه علاجًا للأفراد غير القادرين على إنتاجه.

• أمثلة على مواد أُنتجت باستخدام البكتيريا المُعدّلة جينيًا موضّحة في الجدول.

التطبيقات الطبية: من الإنسولين إلى العلاج الجيني

• تُستخدم هندسة الجينات في إنتاج اللقاحات والبروتينات العلاجية، مثل: هرمون الأنسولين، وهرمون النمو، ومادة تُستعمل لعلاج العقم وتُسمى الفولستم ⁦follistim⁩.

• من الأمراض التي يُمكن معالجتها جينيًا: مرض التليف الكيسي، وأنواع مُعينة من نزف الدم، ومرض مناعي يُسمى ⁦ADA-SCID⁩.

• من تحديات العلاج الجيني:
• التأكد من اندماج الجين المرغوب في المادة الوراثية للخلية التي تحتاج إليه.
• التأكد أنَّ الجين سيكون نشطًا.
• اختيار ناقل مناسب لا يُحدث ردود فعل مناعية.

الاستنساخ: نسخة مطابقة من خلية واحدة

استنساخ النبات: من خلية جذر إلى نباتات كثيرة

• يُستنسخ نبات الأوركيد نظرًا إلى أهميته الاقتصادية، وصعوبة تكثيره خضريًا.
• وتُستنسخ نباتات أخرى لخصائصها المُميّزة، مثل: جودة المحصول، ومقاومة مُسببات الأمراض النباتية.
• استنسخ العالم ⁦F.C Steward⁩ نبات الجزر باستخدام خلايا الجذر لإنتاج نباتات جزر كثيرة، مُتماثلة وراثيًا، ومُماثلة للنبات الأصلي.

استنساخ الحيوان: كيف وُلدت النعجة دولّي؟

• استنسخ العلماء الأغنام والبقر والقطط والفئران.
• تُستبدل نواة بويضة غير مُخصّبة بنواة خلية جسمية سليمة ثنائية المجموعة الكروموسومية مأخوذة من الحيوان المراد استنساخه.
• تُحفَّز البويضة ثنائية المجموعة الكروموسومية على الانقسام؛ فيتكوّن الجنين الذي يُزرع في رحم أنثى أخرى.
• تكون صفات النسل الناتج مُماثلة لصفات الحيوان الذي أُخذت منه الخلية الجسمية.

• في عام 1997م أعلن باحثون في اسكتلندا عن ولادة النعجة دولّي، وهي نعجة مستنسخة من نعجة بالغة عن طريق نقل النواة من خلية جسمية متمايزة.
• مثّل ذلك بداية عهد جديد لاستنساخ عدد من الكائنات الحيّة.

الجينوم البشري: قراءة المادة الوراثية للإنسان كاملة

• بدأ المشروع عام 1990م بتضافر جهود مؤسسات ومراكز بحوث في دول عدّة، وأُعلن عن انتهائه عام 2003م.
• استنتج العلماء تشابه تركيب ⁦DNA⁩ في الأشخاص بما نسبته 99.9% تقريبًا.
• يحتوي الجينوم البشري ما يزيد على 3 مليارات من أزواج القواعد النيتروجينية.
• توصّل العلماء إلى معرفة التسلسل الكامل للنيوكليوتيدات في الجينوم البشري ⁦Human Genome⁩.

• يستفاد من المشروع في:
• تشخيص الأمراض الوراثية، وتعرّف علاجاتها.
• تحديد الأمراض التي تنتج من أليلات سائدة أو متنحيّة، ويتحكَّم فيها جين واحد، مثل: مرض هنتنغتون، والتليُّف الكيسي.
• اكتشاف الجينات التي تُؤثِّر في أمراض أكثر تعقيدًا، مثل: مرض السرطان، وأمراض القلب.

المعلومات الحيوية: عندما يقرأ الحاسوب الجينات

• يتطلّب ذلك توافر نظام ذي سعة وسرعة كبيرتين.

• تعتمد المعلومات الحيوية على أجهزة حاسوب مُتطوّرة يُمكنها تخزين كمّ هائل من البيانات وإدارتها.
• وإنشاء قواعد بيانات ⁦Databases⁩ يُمكنها تخزين:
• تسلسل النيوكليوتيدات في الجينوم.
• تسلسل الحموض الأمينية في البروتين وتركيبها.
• وتبني نماذج ثلاثية الأبعاد لـ ⁦DNA⁩ والبروتينات المختلفة.
• وتُصمّم برامج محاكاة للعمليات الحيوية التي تحدث داخل الخلايا.

• تُسهم المقارنة في تعرُّف وظائف الجينات، وتمييز الجينات المُسبّبة للاختلالات الوراثية.

• المركز الوطني للمعلومات التكنولوجية الحيوية ⁦(NCBI)⁩ ⁦The National Center for Biotechnology Information⁩ قاعدة بيانات مُتخصّصة.
• يضم بيانات الجينات المتسلسلة في بنك الجينات.
• ويضم فهرسًا لمقالات البحوث الطبية الحيوية.
• ومعلومات إضافية لها تعلُّق بالتكنولوجيا الحيوية.
• هذه البيانات كافة متوافرة في شبكة الإنترنت، إلى جانب قواعد بيانات أخرى.

علم المحتوى البروتيني: ماذا تفعل بروتينات الجسم؟

• يتضمَّن معرفة تسلسل الحموض الأمينية في البروتين.
• اعتمادًا على المعلومات الحيوية يُمكن تعرُّف الجين المسؤول عن إنتاج بروتين ما.
• ويُمكن تحديد الأمراض الوراثية، وتشخيصها، وتطوير الأدوية المناسبة لعلاجها.
• مشروع رسم خريطة البروتينات للإنسان قاعدة بيانات مرجعية (⁦Human Protein Reference Database (HPRD)⁩.
• يستفاد منها في تعرُّف عدد البروتينات، ووظائفها المختلفة، وعلاقة البروتينات بالأمراض.

الأخلاقيات: ما الآثار السلبية للتكنولوجيا الحيوية؟

• بالرغم من الإيجابيات العديدة لاستخدام التكنولوجيا الحيوية، توجد آثار سلبية لها، مثل:
• تأثير الجين المنقول في الجينات الأُخرى، مثل: زيادة نشاطها، أو تثبيط عملها.
• مهاجمة جهاز المناعة للناقل الجيني.
• التأثير في الأنظمة البيئية، وإصابة الإنسان أو الكائنات الحيَّة الأُخرى بالأمراض.
• إنتاج سلالات من الكائنات الحيَّة لاستخدامها أسلحة بيولوجية في تدمير البشرية.
• تعديل صفات الأجنَّة غير المَرضية، مثل: الذكاء، والجمال، والطول.

المصفوفة الدقيقة: أيّ الجينات تعمل في الخلية؟

• ينقل هذه التعليمات جزيء ⁦mRNA⁩.
• مصفوفة ⁦DNA⁩ الدقيقة تقنية تُستخدم في مجالات عدّة، منها: مقارنة التعبير الجيني في الخلايا.
• تفيد المقارنة في تقصّي بعض الاختلالات الوراثية، والأمراض الناتجة منها، مثل بعض أنواع السرطان التي تُعزى إلى أسباب وراثية.

وكيف تبدو الشريحة التي تحمل هذه الجينات؟

• تُستخدم رقاقات خاصة من السيليكون أو الزجاج، تحوي ثقوبًا كثيرةً يصل عددها إلى عشرات الآلاف.
• يلتصق داخل كل ثقب سلاسل أحادية قصيرة من ⁦DNA⁩ مُكمّلة لجزء من جين مُحدّد.
• ونظرًا إلى وجود عدد كبير من الثقوب في الشريحة الواحدة؛ يُمكن الكشف عن التعبير الجيني لعدد كبير من الجينات في الوقت نفسه.

• حفظ الشريحة في ظروف مخبرية خاصة تسمح بحدوث ارتباط بين عينة ⁦cDNA⁩ المضافة إلى الشريحة والجزء المُكمّل لتسلسل النيوكليوتيدات على ⁦cDNA⁩ الموجود في الشريحة.
• غسل للتخلُّص من المواد غير المُرتبطة.
• استخدام جهازي الليزر والحاسوب في قراءة النتائج.