التكنولوجيا الجزيئية والهندسة الوراثية

• المعلوماتية الحيوية مجال دراسي يجمع بين علم الأحياء وعلوم الكمبيوتر، مما يتيح تحليل كميات هائلة من البيانات الحيوية. فالجينوم في كلٍّ من البشر والشمبانزي ضخم للغاية، ولذا فإن مقارنتهما يدويًّا تكاد تكون أمرًا مستحيلًا! ويمكننا باستخدام أجهزة الكمبيوتر محاذاةُ هذين التتابُعين وملاحظة أوجُه التشابه والاختلاف بينهما. الشكل 1 التالي هو مثال على ذلك.
• يمكن تحديد العلاقات التطورية عن طريق المقارنة بين أوجُه التشابه الشكلية أو الجزيئية بين الكائنات الحية.

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• عبر التاريخ التطوري، تتراكم الطفرات عشوائيًّا في جين الإنسولين، وهذه بدورها قد تُحدث تغيرًا في تتابُع الأحماض الأمينية للبروتين. ونظرًا لكون هذه العملية تستغرق وقتًا طويلًا، فإنه كلما بعدت صلة القرابة بين الكائنات الحية، زادت الاختلافات في تتابُعات البروتينات بها. ويمكنك ملاحظة ذلك من الشكل 2؛ حيث يتضح أن الاختلافات بين تتابُعَي الإنسولين في الدجاج والإنسان تزيد عن الاختلافات بين تتابُعَي الإنسولين في الشمبانزي والإنسان. وهذا يعني أن الإنسان والشمبانزي وثيقَا القرابة أكثر من الإنسان والدجاج.
• تُستخدم المعلوماتية الحيوية أيضًا للمقارنة بين تتابُعات البروتينات في الكائنات الحية. الإنسولين هرمون مَعنيٌّ بتنظيم مستويات السكر في الدم، ويوجد في كثير من الكائنات الحية. لعلك تتذكر أن البروتين يتجمع في صورة تَسلسُل من الأحماض الأمينية، يُمثَّل كلٌّ منها بحرف.

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• تتمثَّل الخطوة الأولى في اختيار البروتين محل الاهتمام. سنختار في هذا المثال بروتين الإنسولين من دجاجة وإنسان وشمبانزي، كما هو موضَّح في الشكل 3. ولتبسيط الأمر، دعونا نركز فحسب على منطقة أصغر تضم 14 حمضًا أمينيًّا في التتابُع الذي يُظهر معظم الاختلافات. ظُلِّلَت هذه التتابُعات باللون الأصفر في الشكل 3 التالي.
• حيث يمكننا باستخدام آلة الجينات تخليق جين عن طريق إدخال تتابُع البروتينات إلى الكمبيوتر! وثمة خطوات عدة لإجراء هذه العملية.

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) هو رسالة تُنسخ من الحمض النووي (DNA) للجين، ويمكن ترجمتها لإنتاج البروتين المقابل.
• مصطلح رئيسي: الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA).

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• يُجمع التتابُع الكامل للجين باستخدام آلة الجينات؛ نظرًا لأن قليلات النيوكليوتيد جزيئات متداخلة. تُجمع واحدة من قليلات النيوكليوتيد في الاتجاه 5 ′ - 3 ′ بمجرد إدخال تتابُع الجين، في حين يُجمع قليل النيوكليوتيد الآخر في الاتجاه المعاكس. وتعمل قليلات النيوكليوتيد بعد ذلك بمثابة قالب لتخليق الحمض النووي (DNA) باستخدام تقنية متخصصة تُعرف باسم تفاعل البلمرة المتسلسل (PCR). وخلال هذه الخطوة، يتكون الحمض النووي (DNA) المزدوج الشريط من قليلات النيوكليوتيد المفردة الشريط. ويمكنك أن تلاحظ ذلك كله في الشكل 5 التالي.
• قليلات النيوكليوتيد هي قطع قصيرة من الحمض النووي (DNA) أو الحمض النووي الريبوزي (RNA) المُخلَّقة صناعيًّا، وعادةً ما تكون مفردة الشريط. وتُستخدم قليلات النيوكليوتيد في تطبيقات متعددة في مجال التكنولوجيا الجزيئية.

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• كان هار جوبيند خورانا هو مَن وَضَع أساس تقنية آلات الجينات، وهو أول شخص ينجح في تجميع جين صناعي في السبعينيات. يوضِّح المخطط 6 التالي خطوات إنتاج تتابُع الحمض النووي (DNA) لجين ما من تتابُع البروتين الخاص به باستخدام آلة الجينات.
• ومن ثم، فإن قليل النيوكليوتيد هو عبارة عن شريط قصير مُنتَج صناعيًّا من الحمض النووي (DNA) أو الحمض النووي الريبوزي (RNA).

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• الحمض النووي جزيء يتكون من شريطين يرتبطان معًا بواسطة روابط هيدروجينية بين النيوكليوتيدات المتكاملة الموجودة على الشريطين المتقابلين، كما هو موضَّح في الشكل 7 التالي. عند تسخين الحمض النووي (DNA) إلى درجة حرارة مرتفعة ( 9 5 ∘ C - 1 0 0 ∘ C عادةً)، يمكن للروابط الهيدروجينية التي تربط الشريطين معًا أن تَضعُف وتتفكك، ما يؤدي إلى تكوين شريطين مفردين. يتسم DNA المفرد الشريط بأنه غير مستقر. وعند تبريده بسرعة ( 5 ∘ C - 1 0 ∘ C )، يلتصق هذا الشريط من الحمض النووي أو يلتحم بالشريط المكمِّل له عن طريق الروابط الهيدروجينية، فيتكون الحمض النووي المزدوج الشريط مرة أخرى.
• والآن لنلقِ نظرة على إحدى خواص الحمض النووي (DNA) المهمة، تُعْرف بالتهجين، ويمكن استخدامها في التكنولوجيا الجزيئية.

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• وبالعودة إلى المثال الذي ذكرناه عن جينات الإنسولين في الدجاج والإنسان والشمبانزي، يمكننا تطبيق هذه الفكرة المتعلقة بالتهجين لمعرفة مدى التشابه بين هذه التتابُعات. فبتسخين الحمض النووي (DNA) لمقطع من الإنسولين المأخوذ من الحمض النووي للدجاج والإنسان، ثم بتبريد هذا الخليط سريعًا، يُهجَّن شريطان مفردان من الحمض النووي (DNA) أحدهما مع الآخر. ويمكنك ملاحظة ذلك في الشكل 8 التالي.
• أثناء التهجين، قد لا يكون التتابُعان متكاملين تمامًا. وفي هذه الحالة، لا تتكون روابط هيدروجينية بين هذه النيوكليوتيدات غير المتكاملة ولا يلتصق بعضها ببعض. يعزِّز وجودُ عدد كبير من النيوكليوتيدات المتكاملة، ومن ثم الروابط الهيدروجينية، شدةَ الالتصاق بين التتابُعين، مما يتطلب توافر درجة حرارة أعلى لفصلهما. ويمكن استخدام هذه الخاصية لتقييم التشابه بين تتابُعين لجزيئين من الحمض النووي (DNA).

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• يوضِّح المثال السابق كيفية تهجين جزيئين من الحمض النووي (DNA) لإنسولين الإنسان والدجاج، كما يمكن تكرار الأمر نفسه مع الحمض النووي للإنسان والشمبانزي. يوضِّح الشكل 9 التالي عملية التهجين بين الإنسان والدجاج، وبين الإنسان والشمبانزي. ويمكننا أن نلاحظ وجود عدد أكبر من الروابط الهيدروجينية بين تتابُعَي الحمض النووي (DNA) لإنسولين الإنسان والشمبانزي، مقارنةً بتلك الموجودة بين تتابُعَي الحمض النووي (DNA) لإنسولين الدجاج والإنسان. ومن ثم، فإن فصل الحمض النووي (DNA) للإنسان عن الحمض النووي (DNA) للشمبانزي يتطلب درجات حرارة أعلى. وتشير هذه الدرجة العالية من التهجين أيضًا إلى أن إنسولين الإنسان وثيق القرابة بإنسولين الشمبانزي، مقارنةً بإنسولين الدجاج.
• وبالعودة إلى المثال الذي ذكرناه عن جينات الإنسولين في الدجاج والإنسان والشمبانزي، يمكننا تطبيق هذه الفكرة المتعلقة بالتهجين لمعرفة مدى التشابه بين هذه التتابُعات. فبتسخين الحمض النووي (DNA) لمقطع من الإنسولين المأخوذ من الحمض النووي للدجاج والإنسان، ثم بتبريد هذا الخليط سريعًا، يُهجَّن شريطان مفردان من الحمض النووي (DNA) أحدهما مع الآخر. ويمكنك ملاحظة ذلك في الشكل 8 التالي.

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• يُمكِن استخدام تهجين الحمض النووي (DNA) للمساعدة في تحديد العلاقة التطوُّريَّة بين نوعين، وهذه العملية موضَّحة ومُبسَّطة في الشكل المُبيَّن. عندما يُهجَّن الحمض النووي، يُكوِّن روابط هيدروجينية بين أيِّ أزواج قواعد مُتكامِلة. يُشِير الرمز X على الشكل إلى أن الرابطة الهيدروجينية لم تتكوَّن.
• مثال ٤: استخدام تهجين الحمض النووي (DNA) لقياس قوة العلاقات التطوُّريَّة

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• عبر التاريخ التطوري، قد تحدُث عدة طفرات عشوائية في الحمض النووي (DNA) للنوع. ونظرًا لكون هذه العملية قد تستغرق وقتًا طويلًا، فقد افترض العلماء أنه كلما بعدت صلة القرابة بين الكائنات، زادت الاختلافات فيما بينها من حيث الحمض النووي (DNA). ومن ثم، فإذا ما عقدنا مقارنة بين تتابُع DNA في الإنسان والدجاجة (البعيدَي القرابة) وبين تتابُع DNA في الإنسان والشمبانزي (الوثيقَي القرابة)، فسنلاحظ وجود عدد أكبر من الروابط الهيدروجينية بين الحمض النووي (DNA) الهجين للإنسان والشمبانزي:
• إذا كان تتابُعَا الحمض النووي (DNA) متشابهين، تتكون روابط هيدروجينية بين النيوكليوتيدات المتكاملة على الشريطين. وكلما زاد التشابه بين التتابُعين، زاد عدد الروابط الهيدروجينية المتكونة بين الشريطين.

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• يحمل mRNA المعزول من أنسجة مختلفة صبغات فلورية مختلفة. فعلى سبيل المثال، يمكن أن يحمل mRNA المعزول من نسيج سليم صبغة فلورية خضراء، في حين أن mRNA المعزول من ورم يحمل صبغة فلورية حمراء. عند جمع هذه العينات ووضعها على رقاقة دقيقة ليحدث التهجين، تتوهج كل حفرة بحسب عدد جزيئات mRNA الخضراء أو الحمراء الموجودة بداخلها. فإذا احتوى الورم على جزيئات mRNA محدَّدة أكثر من تلك التي يحتوي عليها النسيج السليم، فإن الحفرة التي تمثِّل الجين المقابل سيغلب عليها اللون الأحمر. وهذا ما يوضِّحه الشكل 10.
• يمكن استخدام التهجين في تطبيقات مختلفة للتكنولوجيا الجزيئية. تقنية رقائق الحمض النووي الدقيقة، على سبيل المثال. وهذه عبارة عن رقائق صغيرة جدًّا تحتوي على العديد من الحفر التي يحتوي كلٌّ منها على قليل نيوكليوتيد مميز ومخصص لجين واحد. يمكن لرقاقة واحدة من الرقائق الدقيقة أن تحتوي على آلاف الحفر، ولذا يمكن استخدامها لتحديد آلاف الجينات المختلفة. يمكن استخدام تقنية الرقائق الدقيقة في دراسة التعبير الجيني لعدد هائل من الجينات لمعرفة إذا ما كانت الأنسجة المختلفة تعبِّر عن كمية أكبر من الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA).

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• لعلك تتذكر أن الإنزيمات عبارة عن بروتينات تعمل عوامل حفازة بيولوجية تزيد من سرعة التفاعلات الكيميائية. دائمًا ما يكون للإنزيمات ركيزة تتفاعل معها على وجه التحديد لإنتاج ناتج ما. وفي حالة إنزيمات القطع، تكون الركيزة هي DNA المزدوج الشريط، ويكون الناتج هو جزيء DNA المقطوع. يمكن لإنزيمات القطع تحفيز التحلل المائي للرابطة الفوسفاتية ثنائية الإستر التي تُكوِّن هيكل جزيء DNA، وذلك «لقطع» جزيء DNA، وتكوين أجزاء منه. يمكنك رؤية ذلك في الشكل 1.
• وعليه، فإن الإجابة الصحيحة هي الخيار (هـ)، البكتيريا. لا توجد إنزيمات القطع في الكائنات الحية الأخرى الموضَّحة.

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• هناك أنواع متعددة من إنزيمات القطع، ولكل منها تتابع مستهدف خاص به في جزيء DNA، أو تتابع تعرُّف، وهو تتابُع محدَّد يتعرف عليه إنزيم القطع تحديدًا. في الشكل 2، سنتناول إنزيم القطع EcoRI (يُنطق Eco-R-1)، وهو إنزيم يتعرف على التتابع GAATTC في جزيء DNA.
• لعلك تتذكر أن الإنزيمات عبارة عن بروتينات تعمل عوامل حفازة بيولوجية تزيد من سرعة التفاعلات الكيميائية. دائمًا ما يكون للإنزيمات ركيزة تتفاعل معها على وجه التحديد لإنتاج ناتج ما. وفي حالة إنزيمات القطع، تكون الركيزة هي DNA المزدوج الشريط، ويكون الناتج هو جزيء DNA المقطوع. يمكن لإنزيمات القطع تحفيز التحلل المائي للرابطة الفوسفاتية ثنائية الإستر التي تُكوِّن هيكل جزيء DNA، وذلك «لقطع» جزيء DNA، وتكوين أجزاء منه. يمكنك رؤية ذلك في الشكل 1.

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• وفقًا للاصطلاح المتعارف عليه، فإننا نصِف الاتجاه في جزيء DNA على أنه الاتجاه الذي يتم فيه تخليق شريط واحد من جزيء DNA. فيُخلق جزيء DNA دائمًا في الاتجاه 5 ′ إلى 3 ′، في إشارة إلى الكربون حيث يتم إضافة النيوكليوتيدات الجديدة التي تحتوي على سكر الريبوز المنقوص الأكسجين على شريط DNA المتنامي. تُرقم ذرات الكربون الموجودة في النيوكليوتيدات التي تحتوي على سكر الريبوز المنقوص الأكسجين من 1 ′ إلى 5 ′، كما هو موضح في الشكل 3. عند تخليق جزيء DNA،فإن مجموعة الفوسفات (التي ترتبط بذرة الكربون رقم 5 ′ ) للنيوكليوتيدات الجديدة التي تحتوى على سكر الريبوز المنقوص الأكسجين ترتبط بذرة الكربون رقم 3 ′ لشريط DNA المتنامي.
• عندما نتناول كلمة مثل «رادار»، من المنطقي وصف إمكانية قراءة الكلمة من جهتي اليسار واليمين. لكن عندما نتناول جزيء DNA، فإنه لا يوجد «يسار» أو «يمين». يعزي ذلك إلى أن شريطَيْ جزيء DNA يسيران في اتجاهين متعاكسين؛ حيث يسير أحد الشريطين في اتجاه، بينما يسير الآخر في اتجاه معاكس له. لكن، كيف يُحدد ذلك الاتجاه؟

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• تتعرف بعض إنزيمات القطع على مقطع من الحمض النووي (DNA) يقرأ تتابعه في الاتجاه 3 ′ - 5 ′ على شريط، مثلما يقرأ في الاتجاه 3 ′ - 5 ′ على الشريط المكمل. يوضح الشكل الآتي مثالًا لذلك.
• مثال ٢: التعرف على التتابعات المتناظرة

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• يشير كل من 5 ′ و 3 ′ إلى موقع ذرتي الكربون في النيوكليوتيدات التي تحتوي على سكر الريبوز المنقوص الأكسجين. عند تخليق جزيء DNA، فإن مجموعة الفوسفات (التي ترتبط بذرة الكربون رقم 5 ′ ) للنيوكليوتيدات الجديدة التي تحتوي على سكر الريبوز المنقوص الأكسجين ترتبط بذرة الكربون رقم 3 ′ لشريط DNA المتنامي. هذا يعني أن شريطَي جزيء DNA يُخلقان في اتجاهين متعاكسين. وفقًا للاصطلاح المتعارف عليه، وكما هو موضح بالأسفل على اليمين، يُكتب جزيء DNA في الاتجاه 5 ′ إلى 3 ′ في الأعلى، بينما يُكتب الشريط المعاكس له في الاتجاه 3 ′ إلى 5 ′ في الأسفل.
• تشبه إنزيمات القطع المقصات الجزيئية التي تقطع جزيء DNA إلى أجزاء. تستطيع إنزيمات القطع التعرف على تتابعات محددة من جزيء DNA تسمى تتابعات التعرف. ولكل إنزيم قطع تتابع تعرُّف فريد خاص به. العديد من تتابعات التعرُّف تكون تتابعات متناظرة. هذا يعني أن التتابع الموجود على كلا شريطي جزيء DNA هو نفسه عندما يُقرأ في الاتجاه 5 ′ إلى 3 ′.

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• التتابع GAATTC هو تتابع تعرُّف لإنزيم القطع EcoRI. وهو تتابع متناظر، وله محدد للغاية يتعرف عليه إنزيم القطع EcoRI. ومن ثَمَّ، في الخلية البكتيرية التي أصابها الفيروس بجزيء DNA الخاص به، يرتبط العديد من إنزيمات القطع EcoRI بجزيء DNA الخاص بالفيروس، وتمسحه حتى تجد هذا التتابع. عندها يرتبط الإنزيم بشكل قوي مع تتابع التعرف الخاص به بمجرد أن يجده، ويقطع شريطَي جزيء DNA إلى أجزاء أصغر، كما هو موضح بالشكل 4.
• وعليه، فإن الإجابة الصحيحة هي الخيار (أ): المتناظر.

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• دعونا نفترض أن جزيئي DNA لكلا الكائنين الحيين خطيان؛ بمعنى أن شكلهما ليس دائريًّا. وبما أن إنزيم القطع BamHI يقطع جزيء DNA للكائن الحي (أ) إلى ثلاث أجزاء، فإن هذا يشير إلى أن جزيء DNA للكائن الحي (أ) يحتوي على تتابعي تعرف لإنزيم القطع BamHI. وبما أن قطع جزيء DNA للكائن الحي (ب) بواسطة إنزيم القطع BamHI أنتج جزأين، فإن هذا يشير إلى أن جزيء DNA للكائن الحي (ب) يحتوي على تتابع تعرف واحد فقط. انظر إلى الشكل الآتي لتصور ذلك.
• BamHI هو مثال على إنزيمات القطع. إنزيمات القطع أو إنزيمات القطع الداخلي هي إنزيمات تقطع جزيئات DNA في مواقع تعرُّف محددة. ولكل إنزيم قطع تتابع تعرُّف مختلف.

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• إنزيمات القطع، التي تنتج نهايات لاصقة، يمكنها قطع جزيء DNA تاركة أطرافًا منه تكون «لاصقة» بعضها لبعض بسبب أزواج قواعدهم المتكاملة، كما يوضح الشكل 5. والميل إلى الترابط الموجود بين القواعد هو ما يجعلها «متلاصقة».
• تقطع إنزيمات القطع جزيء DNA بطريقتين. إما عن طريق تكوين نهايات لاصقة، أو عن طريق تكوين نهايات حادة.

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• يوضِّح الرسم الآتي قطعة من الحمض النووي (DNA) ناتجة عن قَطْع تتابع باستخدام إنزيم القَطْع BamHI. تحتوي القطعة على قواعد نيوكليوتيدات مكشوفة. ما المصطلح الذي يُطلَق على هذه القواعد؟
• مثال ٤: التعرف على النهايات اللاصقة

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• الطريقة الأولى هي قطع جزيء DNA وترك أطراف غير مزدوجة من قواعد جزيء DNA، أو نهايات «لاصقة». يُطلق على هذه الأطراف النهايات اللاصقة؛ نظرًا لأن قواعد جزيء DNA لكل نهاية غير مزدوجة لها صلة بعضها ببعض وفقًا لأسس ازدواج القواعد المتكاملة. يوضح الشكل الآتي ذلك.
• يمكن قطع جزيء DNA بواسطة إنزيمات القطع بطريقتين مختلفين.

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• الطريقة الأخرى لقطع جزيء DNA هي ترك نهايات «حادة»، بحيث لا يوجد أطراف، كما هو موضح بالأسفل.
• الطريقة الأولى هي قطع جزيء DNA وترك أطراف غير مزدوجة من قواعد جزيء DNA، أو نهايات «لاصقة». يُطلق على هذه الأطراف النهايات اللاصقة؛ نظرًا لأن قواعد جزيء DNA لكل نهاية غير مزدوجة لها صلة بعضها ببعض وفقًا لأسس ازدواج القواعد المتكاملة. يوضح الشكل الآتي ذلك.

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• على سبيل المثال، افترض أننا ندرس بروتينًا جديدًا موجود في نوع محدَّد من الأسماك، وأردنا معرفة مكان تمركُز البروتين في جسم السمكة. باستخدام إنزيمات القطع، يمكننا خلق حمض نووي (DNA) معاد الاتحاد بلصق جين البروتين الفلوري المستخدم كإشارة مع الجين الخاص ببروتين هذا النوع من السمك. بعد ذلك، يمكننا الانتظار لنرى أين يُنتج بروتين السمكة! يوضح الشكل 6 هذا الأمر.
• يمكن الاستفادة من خاصية «النهايات اللاصقة» لإنزيمات القطع في تطبيقات التكنولوجيا الحيوية. فيمكن خلق حمض نووي (DNA) مُعاد الاتحاد عن طريق «قطع ولصق» جزيئات DNA حُصل عليها من كائنات حية متعددة لها النهايات اللاصقة نفسها. ويوجد تطبيقات لا حصر لها على ذلك!

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• تُقطع إنزيمات القطع جزيء DNA بطريقتين. لا تنتج جميع إنزيمات القطع نهايات لاصقة؛ حيث إن بعضها يقطع تتابعات التعرُّف الخاصة به دون ترك أطراف أو تتابعات غير مزدوجة من جزيء DNA. وتسمى هذه الأطراف نهايات حادة. يمكن استخدام هذا النوع من إنزيمات القطع في إنتاج حمض نووي (DNA) معاد الاتحاد أيضًا، لكنها ليست فعالة كإنزيمات القطع التي تترك نهايات لاصقة.

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• يوضِّح الشكل الآتي آلية عمل إنزيم القَطْع Hpal. ما المصطلح الذي يُشير إلى نوع القَطْع الذي يُحدِثه إنزيم Hpal؟
• مثال ٥: التعرف على النهايات الحادة

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• الطريقة الأولى لقطع جزيء DNA هي ترك نهاية «حادة» لا يوجد فيها أطراف، كما هو موضح بالأسفل.
• يمكن قطع جزيء DNA بواسطة إنزيمات القطع بطريقتين مختلفتين.

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• الطريقة الثانية هي قطع جزيء DNA وترك أطراف من القواعد غير المزدوجة من جزيء DNA، أو نهايات «لاصقة». يطلق على تلك الأطراف نهايات لاصقة لأن قواعد جزيء DNA لكل نهاية غير مزدوجة لها صلة بعضها ببعض وفقًا لأسس ازدواج القواعد المتكاملة. يوضح الشكل الآتي ذلك.
• الطريقة الأولى لقطع جزيء DNA هي ترك نهاية «حادة» لا يوجد فيها أطراف، كما هو موضح بالأسفل.

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• ولكي نحقِّق النتائج المرجوة من استخدام الحمض النووي المعاد الاتحاد، علينا تخليق نسخ عديدة منه. يمكن تحقيق ذلك باستخدام طريقة تسمى استنساخ الحمض النووي DNA، وهذه الطريقة تسمح لنا بتخليق العديد من النسخ للتتابع المطلوب من جزيء DNA. أولًا، يجب عزل التتابع المطلوب من جزيء DNA ودمجه مع تتابع DNA الحامل الذي يُسمى بلازميد. والبلازميدات جزيئات دائرية غير كروموسومية من الحمض النووي، قد يحتوي بعضها على جينات مقاومة المضادات الحيوية. وقد اكتُشفت في الأصل في البكتيريا.
• الحمض النووي المعاد الاتحاد هو الحمض النووي الذي يتكون من مادة وراثية معزولة من مصدرين أو أكثر.

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• يمكن قطع البلازميدات باستخدام إنزيمات القطع لإدخال تتابع DNA موضع الاهتمام. وبقطع تتابع جزيء DNA والبلازميد باستخدام إنزيمات القطع نفسها، تنتج نهايات لاصقة متوافقة يمكن أن تندمج معًا. ولعلك تتذكر أن النهايات اللاصقة تنتج عند قطع جزيء DNA بإنزيم قطع، حيث تتكون عند هذه النهايات امتدادات من قواعد غير مزدوِجة لها ميل للتجاذب لبعضها البعض وفقا لمبادئ ازدواج القواعد المتكاملة. يمكنك رؤية ذلك في الشكل 1.
• إذن، فالإجابة المحتملة الوحيدة لهذا السؤال هي الخيار (د): البكتيريا.

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• إنزيم الربط إنزيم يمكن أن يربط بين الفراغات التي تتكوَّن في بنية السكر والفوسفات لقطعتين من الحمض النووي DNA من خلال تكوين رابطة فوسفاتية ثنائية الإستر.
• تعريف: إنزيم الربط

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• يوضح الشكلان 1 و2 جانبًا واحدًا من DNA موضع الاهتمام والبلازميد. تحدث الخطوات نفسها على الجانب الآخر؛ بحيث يمكن ربط القطعة الكاملة من الجزيء المطلوب من DNA في البلازميد. الشكل 3 يلخِّص العملية بأكملها.
• إنزيم الربط إنزيم يمكن أن يربط بين الفراغات التي تتكوَّن في بنية السكر والفوسفات لقطعتين من الحمض النووي DNA من خلال تكوين رابطة فوسفاتية ثنائية الإستر.

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• ولدمج البلازميد مع التتابع المطلوب من DNA، تُستخدم إنزيمات القطع. يمكن لهذه الإنزيمات أن تقطع جزيء DNA عند تتابعات محددة لتترك إما نهايات لاصقة أو غير لاصقة. تسمى النهايات اللاصقة كذلك لأن لها ميلًا للتجاذب بينها وفقًا لقواعد ازدواج القواعد المتكاملة، وهي تلتصق بعضها ببعض فقط عند استخدم إنزيم القطع نفسه. لنلقِ نظرة على المثال التالي الذي يتحدث عن مقطع من DNA قُطِعَ باستخدام إنزيم القطع BamHI (الذي يتعرف على التتابع GGATCC).
• ولتحقيق النتائج المرجوَّة من استخدام الحمض النووي المعاد الاتحاد، علينا تخليق نسخ عديدة منه. يمكننا تحقيق ذلك باستخدام طريقة تسمى استنساخ الحمض النووي، وهذه تسمح لنا بتخليق العديد من النسخ من التتابع المطلوب من DNA. أولًا، يجب عزل التتابع المطلوب من DNA ودمجه مع تتابع حامل DNA الذي يسمى بلازميد.

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• يتضاعف الحمض النووي المعاد الاتحاد بمجرد إدخاله في الخلية البكتيرية لتخليق المزيد من النسخ. ويمكن أيضًا نسخه وترجمته إلى البروتينات المصاحبة. على سبيل المثال، إذا ما استنسخ جين الإنسولين في البلازميد ثم نُقل إلى داخل البكتيريا، يمكننا الحصول على بروتين الإنسولين من الخلايا البكتيرية، كما هو موضح في الشكل 4. لقد أحدث استنساخ الحمض النووي DNA ثورة في طرق إنتاج الإنسولين.
• وبناء عليه، فالإجابة هي الخيار (ب)، إدخال بلازميد مُعدَّل وراثيًّا في خلية بكتيرية.

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• يستخدم هذا الإنزيم mRNA باعتباره قالبًا لتخليق شريط مكمل من DNA، ويُسمى الحمض النووي المكمل cDNA. ويكون cDNA عبارة عن شريط واحد من DNA. يتكون cDNA وفقًا لمبادئ ازدواج القواعد المتكاملة (حيث يزدوج الأدينين (A) مع الثايمين (T) ويزدوج الجوانين (G) مع السيتوزين (C))، لكن علينا أن ننتبه أن اليوراسيل (U) يزدوج مع الأدينين (A) بدلًا من الثايمين (T) في الحمض النووي الريبوزي RNA. يمكنك أن تطلع على كيفية تخليق الحمض النووي المكمل cDNA في الشكل 5.
• تسمى عملية تحويل mRNA إلى DNA بالنسخ العكسي، ويسمى الإنزيم المسئول عن هذا التحول بإنزيم النسخ العكسي.

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• مع ذلك، فتصنيع cDNA ليس كافيًا. فنظرًا لأنه جزئ أحادي الشريط، علينا إيجاد طريقة لتحويله إلى جزيء DNA مزدوج الشريط. يسمى الإنزيم الذي بإمكانه فعل ذلك بإنزيم بلمرة الحمض النووي. وهو إنزيم يحول جزيء DNA أحادي الشريط إلى DNA مزدوج الشريط، كما أنه الإنزيم المسئول عن تضاعف DNA في خلايا البشر. يمكنك ملاحظة ذلك في الشكل 6.
• تزدوج قواعد الحمض النووي (DNA) وفقًا لمبادئ محددة، حيث يزدوج الأدينين (A) مع الثايمين (T)، ويزدوج الجوانين (G) مع السيتوزين (C). يحتوي RNA على اليوراسيل (U) بدلًا من الثايمين (T). وهذه المبادئ التي تزدوج على أساسها أزواج القواعد المتكاملة تلعب دورًا مهمًّا للغاية في عمليتي تضاعف الحمض النووي ونسخه.

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• لعلك تتذكر أن DNA مُعاد الاتحاد هي تقنية تهدف إلى تكوين معلومات وراثية جديدة من عدة مصادر لجزيئات DNA. وعادةً ما تتضمن الهندسة الوراثية إنتاج DNA مُعاد الاتحاد لأننا نريد نقل صفات مرغوبة من جينوم إلى جينوم آخر. فعلى سبيل المثال، عند أخذ جين الإنسولين البشري وإدخاله في جزيء DNA البكتيري، يمكننا أن نحصل على DNA مُعاد الاتحاد الموضح في الشكل 2 أدناه. لكن حالات الهندسة الوراثية لا تتضمن كلها إنتاج DNA مُعاد الاتحاد. ففي بعض الحالات، قد نرغب ببساطة في تعديل جين موجود أو استبداله بنسخة أخرى من الجين نفسه في جينوم الكائن الحي.
• وعليه، فإن الإجابة الصحيحة هي الخيار (ب): إنتاج الأرز الذهبي عن طريق إدخال جين إنتاج فيتامين أ في جينوم سلالات الأرز الشائعة.

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• الإنسولين هو هرمون يلعب دورًا في تنظيم الجلوكوز؛ وقد يؤدي عدم إنتاج كمية كافية منه في الجسم إلى الإصابة بمرض السكري. غيرت الهندسة الوراثية للبكتيريا بغرض إنتاج الإنسولين من الطريقة التي نصنع بها الإنسولين؛ إذ يمكننا، من خلال دمج جين الإنسولين البشري مع DNA البلازميدي للبكتيريا، كما هو موضح في الشكل 3، إدخال DNA مُعاد الاتحاد الناتج عن ذلك إلى البكتيريا؛ وبالتالي تصنيع الإنسولين بوفرة لاستخدامه لأغراض طبية.
• الكائن الحي المعدل وراثيًّا هو كائن حي تم تعديل حمضه النووي باستخدام الهندسة الوراثية.

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• على الرغم من المميزات الطبية الواضحة لاستخدام الهندسة الوراثية، فإن ثمة عيوب تترتب أيضًا على استخدامها. ولعل أحد هذه العيوب هو أن البكتريا المستخدمة في توليد DNA مُعاد الاتحاد تحتوي داخل بلازميداتها على واسمات مقاوِمة للمضادات الحيوية. ومن الممكن أن تنتقل هذه البلازميدات إلى بكتيريا مسببة لأمراض أخرى، فتحدث مقاومة للمضادات الحيوية. وربما يكون السبب في ذلك عملية تسمى الاقتران، يحدث خلالها أن تتحد خليتان بكتيريتان، فتنتقل المادة الوراثية من خلال تركيب يُشبه الجسر. يمكنك ملاحظة ذلك في الشكل 4 أدناه.
• في السبعينيات، وقبل أن تصبح الهندسة الوراثية شائعة الاستخدام على نطاق واسع، كانت الإنترفيونات تُستخرج من الخلايا البشرية، وكانت هذه العملية باهظة التكلفة. ومع ذلك، نقل الباحثون، في ثمانينيات القرن العشرين، جينات الإنترفيرون إلى البكتيريا لإنتاج DNA مُعاد الاتحاد بحيث يمكن تصنيع جينات الإنترفيرون باستخدام البكتيريا. وقد ترتب على هذا التطبيق للهندسة الوراثية خفض تكلفة هذا العلاج الطبي كثيرًا.

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.

• يقلل استخدام سم Bt من استخدام المبيدات الحشرية، وهو ما يخفض التكاليف التي يتحملها المزارعون، ويحد بالتالي من التكلفة الإجمالية لإنتاج الغذاء. ويساهم استخدامه أيضًا في حماية البيئة لأنه يقلل استخدام المبيدات الحشرية مع المحاصيل المُهندسة باستخدامه.
• يمكننا هندسة النباتات لتحمل مقاومة للآفات. فالعديد من النباتات تموت كل سنة بسبب الحشرات والمبيدات الحشرية، التي قد تكون مرتفعة التكلفة، فضلًا عن كونها ضارة بالبيئة. يعد السم الذي يُستخرج من بكتيريا Bacillus thuringiensis (Bt) مبيدًا حشريًّا فعالًا، وعند نقله عن طريق الهندسة الوراثية إلى داخل النباتات، فإنه ينقل هذه الصفة إلى النبات نفسه. وبالتالي، تستهلك الحشرات التي تتغذى على النبات أيضًا سم Bt، والذي يؤدي إلى تكون ثقوب في خلايا القناة الهضمية للحشرة مما يؤدي إلى موتها. ويرجع أحد الأسباب التي تجعل سم Bt آمنًا للاستخدام إلى أنه لا ينشط إلا في البيئة القاعدية للقناة الهضمية للحشرات. ونظرًا لأن معدة الثدييات، كمعدة البشر على سبيل المثال، حامضية، فهي لا تتأثر بسم Bt، كما هو موضح في الشكل 5.

💡 اقرأ نقاط الشرح أسفل الرسم — كل نقطة تربط الرسم بالمفهوم.