مهندسي ژنتيک

گرگور مندل در اواسط قرن 19 با مطالعه‌ي صفات ظاهر و انجام آزمايشات دورگه‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌گيري بر روي گياه نخود موفق به ارائه‌‌ي قوانين توارث صفات زيستي شد و در سال 1866 رساله‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌ي خود را تحت عنوان «آزمايش‌هاي دورگه‌گيري» به چاپ رساند. کشف اين قوانين به منزله‌ي تولد علم ژنتيک بود.

طي 30 سال‌ از زمان شکل گيري، اين علم به طور چشم‌گيري رشد کرد. در سال 1882 والتر فلمينگ، سلول‌شناس اتريشي، ميتوز را، که طي آن هسته‌ي يک سلول n2 کروموزومي به دو هسته با تعداد کروموزوم برابر با سلول اوليه تقسيم مي‌شوند، کشف کرد. در 1892 پرفسور آلماني، تئودور بوواري، ميوز يا تقسيم کاهشي را تعريف کرد. در اين تقسيم تعداد کروموزوم‌هاي سلول نصف مي‌شود و 4 گامت (سلول جنسي) حاصل مي‌شود. در 1903 يک دانشجوي آمريکايي به نام ساتن اهميت کاهش کروموزوم قبل از لقاح را نشان داد و نظريه‌ي کروموزومي توارث را ارائه کرد. در اين نظريه وي بيان کرد که ژن‌ها بر روي کروموزوم‌ها واقع‌اند. در 1910 مورگان با تحقيق بر روي توارث در مگس سرکه، نحوه‌‌ي قرارگيري ژن‌ها بر روي کروموزوم را بررسي کرد و تکنيک‌هايي براي نقشه‌کشي ژن (gene mapping) ارائه کرد. توسعه‌ي اين تکنيک‌ها در سال 1923 منتهي به ارائه‌ي چگونگي قرارگيري بيش از 2000 ژن روي چهار کروموزوم مگس سرکه شد.

علي‌رغم درخشش اين مطالعات در زمينه‌ي ژنتيک کلاسيک، تا دهه‌ي 1940 هيچ‌گونه اطلاعاتي درباره‌ي ماهيت مولکولي ژن در دست نبود. در سال 1944 اسوالد آوري با همکاري مک‌لود و مک‌کارتي نشان دادند که اسيد نوکلئيک‌ها ماده‌ي ژنتيک سلول هستند در حالي که تا پيش از آن تصور مي‌شد پروتئين ماده‌ي ژنتيکي سلول است زيرا ساختمان اسيدنوکلئيک ساده‌تر از آن به نظر مي‌رسيد که بتواند ماده‌ي ژنتيکي باشد. ده سال بعد از کشفِ آوري، مدل مولکولي DNA به وسيله‌ي واتسون و کريک کشف شد و چگونگي عمليات رونويسي و ترجمه‌ي DNA توضيح داده شد.

از اين زمان به بعد رشد علم ژنتيک تا 1990 دچار وقفه شد چرا که تکنيک‌هاي موجود براي درک مفاهيم اساسي و مهم با جزئيات بيشتر کافي نبودند. در سال 1973 تحقيقات ژنتيک شتاب تازه‌اي گرفت چرا که در اين سال‌ها دانيال ناتانر توانست ايده‌اي جديد براي نقشه‌کشي ژن ارائه کند و آن استفاده از آنزيم‌هاي محدود کننده براي توالي‌يابي DNA بود. آنزيم‌هاي محدود کننده، آنزيم‌هاي اندونوکلئازي مي‌باشند که DNA را در محل‌هايي با توالي خاص مي‌برند. اين کشف اساس شکل‌گيري تکنيک کلون کردن DNA توسط نورسن کوهن آمريکايي بود که در سال 1917 توانست با استفاده از آنزيم‌هاي محدود کننده قطعاتي ازمولکول DNA باکتري استفلوکوکوس را جدا کند و آن را به نوعي پلاسميد پيوند بزند. به اين ترتيب نوعي پلاسميد نوترکيب ايجاد کرد و توانست آن را وارد باکتري ايکولاي کند که در ميزبان جديد تکثير شد و  DNA نوترکيب ازدياد يافت.

بدين ترتيب فصل جديدي در علم ژنتيک آغاز شد و آن تولد مهندسي ژنتيک است که اساس آن توليد DNA نوترکيب با استفاده از کلونينگ ژن مي‌باشد. ژن کلونينگ منجر به ايجاد روش‌هاي سريع و کارآمد توالي‌يابي DNA شد و در نهايت در سال 1990 با انجام پروژه‌ي مهم توالي‌يابي ژنوم (شامل پروژه‌ي ژنوم انسان که در سال 2000 کامل شد) استفاده از اين روش‌ها و تکنيک‌ها به نقطه‌ي اوج خود رسيد. اما کاربرد کلونينگ ژن فراتر از تعيين توالي DNA است. با استفاده از اين تکنيک دانشمندان زيست مولکولي توانستند به مطالعه‌ي چگونگي تنظيم ژن‌ها بپردازند و تأثير اختلال تنظيم ژن را در بيماري‌هايي نظير سرطان دريابند. همچنين اين تکنيک‌ها در توليد انبوه پروتئين‌هاي خاص نظير انسولين که ترکيبات مهم در پزشکي و فرايندهاي صنعتي مي‌باشند کاربرد دارند.

روش‌هاي زيادي در مهندسي ژنتيک وجود دارد اما به‌طور اساسي شامل چهار مرحله‌ي زير است:

1- جدا کردن ژن مورد نظر (ايزولاسيون).

2- الحاق (Insertion ) ژن جدا شده به وکتور (ناقل).

3- انتقال (Transformation) وکتور به سلول‌‌هاي هدف.

4- جداسازي سلول‌هايي که وکتور دريافت کرده‌اند از آن‌هايي که وکتور دريافت نکرده‌اند.

در مرحله‌ي ايزولاسيون دانشمندان ژن مورد نظر را تعيين مي‌کنند. براي اين امر معمولاً از بررسي عملکرد ژن استفاده مي‌کنند. براي بدست آوردن ژن مورد نظر از  کتابخانه‌هاي cDNA و gDNA و يا به‌کارگيري تکنيک PCR استفاده مي‌شود.

در مرحله‌ي الحاق، ژن جدا شده را به وکتور، که مي‌تواند پلاسميد، DNA ويروس و يا وکتورهاي ديگر باشد، منتقل مي‌شود. در اين مرحله پلاسميد يا DNA ويروس را با آنزيم‌هاي محدود کننده‌اي که داراي جايگاه شناسايي در اين مولکول‌ها باشند، مي‌برند و قطعه‌ي  DNAايزوله شده را که داراي انتهاي مکمل دو انتهاي باز شده‌ي وکتور است توسط آنزيم ليگاز به وکتور متصل مي‌کنند.

براي انتقال وکتور به موجود هدف از روش‌هاي مختلف استفاده مي‌شود. اگر موجود هدف يک يوکاريوت باشد معمولا از ليپوزوم، تفنگ ژني و يا ويروس آن موجود استفاده مي‌شود. در اکثر موارد جاندار هدف يک پروکاريوت (باکتري) است. انتقال به باکتري‌ها ساده‌تر از يوکاريوت‌ها و معمولاً در محيط‌هاي کشت مناسب باکتري‌ها قادر به دريافت پلاسميد نوترکيب مي‌باشد.

اولين دارويي که از طريق مهندسي ژنتيک توليد شد هورمون رشد انساني بود که در سال 1982 توسط يک شرکت آمريکايي به نام Drug Adninstrat Food & صورت گرفت. دانشمندان براي توليد انسولين از باکتري داراي پلاسميدي نوترکيب با ژن انسولين استفاده کردند. اين باکتري به اين ترتيب قادر به توليد و ترشح انسولين گشت. سپس دانشمندان به توليد هورمون رشد انساني و واکسن هپاتيت پرداختند.

يکي از بهترين کاربرد‌هاي مهندسي ژنتيک اصلاح ژنتيکي موجودات از قبيل گياهان و سبزيجات و انقلاب حاصل از آن در کشاورزي, اصلاح نباتات و توليد و تأمين غذاي انسان‌ها و دام‌ها مي‌باشد. اصلاح ژنتيکي موجودات اين پتانسيل را دارد که براي مثال ميوه‌‌هايي با قابليت توليد واکسن در خود ايجاد کرد و واکسيناسيون دهاني و با هزينه‌ي کمتر انجام داد.

گردآوري: سمانه سادات عنايتي