تطبيقات في علم الوراثة

شملت تطبيقات علم الوراثة والتقانة الحيوية مجالات أساسية مختلفة في حياة الإنسان، كاستخدام الهندسة الوراثية في الأبحاث الخاصة في علاج الأمراض الوراثية، واستخدام الكائنات الحية الدقيقة لتصنيع الأدوية، وأيضاً تطوير الإنتاج الحيواني والنباتي والزراعي وتحسينه. فما المقصود بالهندسة الوراثية؟ وما أهم التطبيقات المستخدمة ومحاذير استخدامها؟ هذه الأسئلة وغيرها سأتمكن من الإجابة عليها، بعد دراسة هذا الفصل، وسأكون قادراً على:

1. التعرف إلى مفهوم الهندسة الوراثية.
2. تعداد بعض تقنيات الهندسة الوراثية.
3. تصنيف تطبيقات الهندسة الوراثية.
4. تذكر الضوابط الأخلاقية الواجب مراعاتها عند استخدام تطبيقات الهندسة الوراثية في المجالات المختلفة.

1. وتعني التغيير المباشر لجينوم الكائن الحي باستخدام تطبيقات مختلفة في الوراثة والأحياء الجزيئية، هنالك العديد من التطبيقات المستخدمة لوصف الهندسة الوراثية كالتعديل الوراثي، ⁦DNA⁩ معاد التركيب ⁦(Recombinant DNA Technology)⁩، واستنساخ الجينات (الاستنساخ الجزيئي).
2. وتبرز أهمية هذه التقانات في نقل الجينات لإنتاج كائنات محسنة أو جديدة ذات أهمية طبية أو اقتصادية.
3. فقد تمكن العلماء من الحصول على سلالات بكتيرية تعمل على إنتاج مواد لها تأثير طبي كهرمون الأنسولين ومحاصيل زراعية تقاوم ملوحة التربة والآفات الزراعية.

لقد تطور علم الهندسة الوراثية بسرعة فائقة، وأصبح يستخدم في الكثير من المجالات، بما في ذلك الطب العدلي ⁦(Forensic Medicine)⁩، حيث يتم الكشف عن مرتكبي الجرائم. بالإضافة إلى تحديد الأبوة، والتشخيص الطبي، والعديد من التطبيقات في الصناعة. تستخدم الهندسة الوراثية كثيراً من الوسائل والأدوات، ومن أهمها:

1. إنزيمات قطع ⁦DNA (Restriction Enzymes)⁩: لقد تم استخلاص المئات من إنزيمات القطع المختلفة من البكتيريا، وسمي كل منها نسبة إلى البكتيريا التي تم استخلاصه منها، فمثلاً إنزيم ⁦EcoR1⁩ مستخلص من بكتيريا ⁦E. coli⁩.

   وهي عبارة عن إنزيمات متخصصة في قطع ⁦DNA⁩ عن طريق التعرف على تتابع معين من النيوكليوتيدات لتقوم بالقطع في هذا التتابع أو بالقرب منه. فمثلاً إنزيم القطع ⁦EcoR1⁩ يتعرف على التتابع ⁦GAATTC⁩ في ⁦DNA⁩ ومن ثم يقوم بقطع سلسلتي ⁦DNA⁩ بين نيوكليوتيدات ⁦A⁩ و ⁦G⁩ مكوناً نهايات لزجة.

هذه النهايات اللزجة يتم لصقها مع قطعة من مصادر أخرى قُطعت بنفس الإنزيم.

2. إنزيم اللصق ⁦(DNA Ligase)⁩: يُستخدم لربط نهايات ⁦DNA⁩ التي تم قطعها من قبل إنزيم القطع.
3. النواقل ⁦(Vectors)⁩: مثل البلازميدات والفيروسات التي تستخدم لنقل ⁦DNA⁩ الذي تم قطعه من الجينوم وتكثيره في الخلية المستقبلة (خلايا بكتيرية، نباتية، حيوانية) لإنتاج المواد المطلوبة.

   تُعد البلازميدات من أكثر أنواع النواقل شيوعاً في الهندسة الوراثية؛ وذلك لحجمها المناسب، وتنوعها، وسهولة الحصول عليها والتعامل معها، وتضاعفها المستقل عن الكروموسوم البكتيري بالإضافة لاحتوائها على مواقع مختلفة لإنزيمات القطع. ولكن اختيار الناقل يعتمد بالدرجة الأولى على طبيعة وحجم قطع ⁦DNA⁩ المراد نقلها.

سؤال: لماذا يتم قطع سلسلتي ⁦DNA⁩ وليس سلسلة واحدة من قبل إنزيمات القطع؟

أدرس الشكل (2) الذي يبين مراحل إنتاج مواد ذات أهمية طبية باستخدام تقانة ⁦DNA⁩ معاد التركيب ثم أجيب عن الأسئلة:

1. كيف أفسر اختيار البلازميد لحمل هذا الجين؟
2. أتتبع الخطوات الرئيسة لإنتاج هرمون الأنسولين.
3. أستنتج تعريف تقانة ⁦DNA⁩ معاد التركيب.

بروتينات تم الحصول عليها بتقنية ⁦DNA⁩ معاد التركيب

أول بروتين تم إنتاجه بتقنية ⁦DNA⁩ معاد التركيب هو هرمون الأنسولين، وتم اعتماده وطرحه للاستخدام في العام 1982، حيث كان مرضى السكري من النوع الأول ⁦(Diabetes Type 1)⁩ يحصلون على هذا الهرمون من الأبقار والخنازير وبكميات محدودة وبتكلفة عالية. كما تم إنتاج هرمون النمو ⁦(Growth Hormone)⁩ لعلاج الأطفال المصابين بقصر القامة الناجم عن خلل في الغدة النخامية، بالإضافة إلى إنتاج عوامل التخثر ⁦(Clotting Factors)⁩ اللازمة لعلاج مرضى نزف الدم الوراثي.

تُستخدم الهجرة الكهربائية لفصل قطع ⁦DNA⁩ خلال مرورها في مجال كهربائي بالاعتماد على حجومها؛ وذلك بهدف دراستها والتعرف عليها، ويُستخدم لهذه الطريقة جهاز يحتوي على طبقة من جل مسامي من مادة الأغاروز (⁦Agarose) (⁩مادة كربوهيدراتية تستخرج من الأعشاب البحرية) حيث يتم توصيل الجهاز بمصدر للطاقة الكهربائية كما هو مبين في الشكل (3). تتحرك (تهاجر) قطع ⁦DNA⁩ السالبة الشحنة (بسبب مجموعة الفوسفات) باتجاه القطب الموجب بتأثير المجال الكهربائي، وكلما كانت قطعة ⁦DNA⁩ أصغر حجماً كلما كانت أسرع في الحركة باتجاه القطب الموجب للجهاز، وبعد انفصال القطع يتم استخدام صبغة بروميد الإيثيديوم ⁦(Ethidium Bromide)⁩ التي ترتبط مع قطع ⁦DNA⁩، وتتألق عند تعرضها لطاقة الأشعة فوق البنفسجية لنتمكن من مشاهدة قطع ⁦DNA⁩ مفصولة كما في شكل (4).

يحتوي الجينوم البشري على تتابع من نيوكليوتيدات مميزة للفرد الواحد، وتختلف من شخص لآخر، بعض هذه العلامات المميزة كتتابع الأنماط القصيرة ⁦(STRs) (Short Tandem Repeats)⁩، التي قد تتكرر بشكل محدود، من الأمثلة على هذه العلامات المميزة تتابع ⁦ACAT⁩، الذي يتكرر في جينوم شخص ما 30 مرة في موقع معين، في حين قد يتكرر في شخص آخر 18 مرة في نفس الموقع، حيث يسمى هذا التكرار المميز بالبصمة الوراثية. أنظر الشكل (5). يتم في الوقت الحاضر الاستفادة من البصمة الوراثية في عمليات البحث الجنائي، وذلك بمقارنة مادة ⁦DNA⁩ المأخوذة من موقع الجريمة مع ⁦DNA⁩ الخاص بالمشتبه بهم لتحديد هوية الجاني، كما أن هذه العملية مهمة أيضاً في إثبات الأبوة أو نفيها، كما تستخدم في تحديد هوية ضحايا الكوارث كالحرائق وحوادث الطيران والحروب وغيرها. ويمكن الحصول على العينات من خلايا الدم البيضاء، والحيوانات المنوية، واللعاب، والشعر، والجلد، وبقايا الجثث.

سؤال: تم جمع عينات دم كدلائل من مسرح جريمة ما، مستعينا بالشكل (5)، أحدد أي المشتبه بهم هو الجاني؟ أفسر إجابتي.

للهندسة الوراثية تطبيقات في مختلف المجالات كالطب والبحوث والصناعة والزراعة، ويمكن استخدامها على مجموعة واسعة من النباتات والحيوانات والكائنات الحية الدقيقة. ومن هذه التطبيقات ما يأتي:

علاج مرض انتفاخ الرئة الوراثي ⁦(Genetic Emphysema)⁩ الناتج عن نقص بروتين ألفا-1- أنتيتريبسين ⁦(Alpha-1- antitrypsin)⁩ من خلال إنتاج أغنام معدلة وراثياً قادرة على إنتاج حليب يحوي هذا الإنزيم. كما قام العلماء بتطوير نباتات أرز معدلة وراثياً لتعطي حبوب أرز ذهبية اللون، تحتوي على صبغة بيتا كاروتين، الذي تحتاجه أجسامنا لإنتاج فيتامين ⁦A⁩، واستخدم هذا الأرز على نطاق واسع للوقاية من حالات العشى الليلي التي تصيب الأطفال في الدول التي يعتمد غذاؤها بصورة رئيسية على الأرز. أنظر الشكل (6).

1. العلاج الجيني هو تقانة تجريبية تُستخدم الجينات لعلاج أو منع الإصابة ببعض الأمراض لاسيما الوراثية منها.
2. في المستقبل، قد تسمح هذه التقانة للأطباء علاج الأمراض الوراثية عن طريق إدخال جين فعال في خلايا المريض ويكون قادراً على تشفير البروتين أو الإنزيم المفقود كبديل من استخدام الأدوية أو الجراحة، أنظر الشكل (7).

قضية للبحث: أبحث عن إمكانية الكشف عن بعض الأمراض الوراثية أثناء الحمل؟

تمكن العلماء باستخدام العلاج الجيني من علاج الطفرة التي تؤدي إلى نقص إنزيم أدينوسين دي- أمينيز ⁦(ADA) (Adenosine Deaminase)⁩ المهم في تفاعلات الهدم الخاصة بالقواعد النيتروجينية من نوع بيورين. نقص هذا الإنزيم يؤدي إلى تراكم البيورينات في الجسم، ويشكل أحد مسببات مرض نقص المناعة المشترك الشديد (سكيد) ⁦(SCID) (Severe Combined Immunodeficiency)⁩ الذي يتميز بضعف الاستجابات المناعية، والالتهابات المتكررة، كما أن نقص هذا الإنزيم يسبب اختلالاً في عمل الكبد والجهاز العصبي.

1. إنتاج نباتات معدلة وراثياً تمتاز بقدرتها على مقاومة الآفات الزراعية، حيث تم عزل جين من بكتيريا ⁦(Bacillus thuringiensis)⁩ ينتج سماً قاتلاً، ويتم إدخال هذا الجين إلى نباتات مثل الذرة وفول الصويا، فتصبح مقاومة للآفات الحشرية، وبعض النباتات تتحمل ملوحة التربة لاحتوائها على بروتين خاص بنقل أيونات الصوديوم +⁦Na⁩ من السيتوبلازم إلى داخل الفجوات الخلوية دون أن يلحق الضرر بنمو النبات، ومن الأمثلة على نباتات معدلة وراثياً لمقاومة الملوحة؛ القمح والأرز والبندورة.
2. كما تم إنتاج نباتات معدلة وراثياً تتحمل الجفاف والصقيع، وبالنسبة للحيوانات تم الحصول على حيوانات معدلة وراثياً كالأغنام والأبقار لإنتاج كميات وافرة من الحليب أو اللحوم، بالإضافة لإنتاج حيوانات لديها القدرة على مقاومة مسببات الأمراض.

قام العلماء باستخدام تقنيات الهندسة الوراثية بإنتاج سلالات بكتيريا تعمل على تحليل بقع النفط المتسربة من ناقلات النفط العملاقة، حيث تقوم بالتغذي على هذه البقع، وبالتالي تعمل على مكافحة التلوث.

انتشرت زراعة المحاصيل المعدلة وراثياً حول العالم، وتمتاز هذه المحاصيل بإنتاجيتها العالية، وبالتالي توفرها في الأسواق بأسعار مناسبة، كما أن النباتات المعدلة وراثياً تقاوم الآفات الحشرية وتقلل إمكانية استخدام المبيدات الحشرية. لكن من جهة أخرى هناك قلق من أن تقضي النباتات المعدلة وراثياً المقاومة للآفات الحشرية على الحشرات النافعة بالإضافة لتلك الضارة.

سؤال: أوضح حق المستهلك بوجود عبارة ⁦(Genetically Modified Organism) (GMO)⁩ على المنتجات المعدلة وراثياً.

السؤال الأول: أضع دائرة حول رمز الإجابة الصحيحة فيما يأتي

1. أي العبارات الآتية لا تنطبق على تعريف البلازميد؟

• أ. يحمل جينات إضافية
• ب. يوجد في الخلايا الحيوانية
• جـ. يوجد في الخلايا البكتيرية
• د. ⁦DNA⁩ حلقي

2. ماذا يسمى الكائن الذي يتم إدخال جين غريب إلى الجينوم الخاص به؟

• أ. معدل وراثياً
• ب. مستنسخاً
• جـ. ناقلاً
• د. طافراً

3. لأي الأغراض يتم إنتاج الأرز المعدل وراثياً؟

• أ. مقاومة الآفات
• ب. علاج نقص فيتامين ⁦A⁩
• جـ. إنتاج هرمون الأنسولين
• د. علاج مرض سكيد

4. أي الأدوات الآتية تستخدم في تقانة ⁦DNA⁩ معاد التركيب؟

• أ. إنزيمات القطع
• ب. إنزيم اللصق
• جـ. النواقل
• د. جميع ما ذُكر صحيح

5. أي الطرق الآتية تستخدم لفصل قطع ⁦DNA⁩ بهدف دراستها؟

• أ. العلاج الجيني
• ب. إنزيم اللصق
• جـ. الهجرة الكهربائية
• د. جهاز الطرد المركزي

إنزيمات القطع، الكائنات المعدلة وراثياً، الهجرة الكهربائية، بصمة ⁦DNA⁩

1. تتحرك قطع ⁦DNA⁩ باتجاه القطب الموجب أثناء الهجرة الكهربائية.
2. تعتبر إنزيمات القطع من أهم أدوات إنتاج ⁦DNA⁩ معدل وراثياً.
3. البلازميدات واحدة من أهم أدوات الهندسة الوراثية.