مهندسی ژنتیک چیست؟ – کاربرد و تکنیک های مختلف آن

مهندسی ژنتیک بخشی از زیست فناوری است که آرایش ژنتیکی را در ساختار ژنوم ارگانیسم های زنده می تواند تغییر دهد. این علم با استفاده از روش های مختلف، این کار را انجام می دهد. روش هایی مانند تغییر یک جفت باز و از بین بردن یک قسمت از مولکول DNA نمونه هایی از آن هاست. با علم مهندسی ژنتیک که در کتب علوم پایه هشتم نیز معرفی شده است، می توان خصوصیات ارگانیسم ها را تقویت و یا اصلاح کرد. مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک زیر به معرفی این علم و کاربردهای آن می پردازد.

فهرست مطالب :

۱- تاریخچه مهندسی ژنتیک

۲- مهندسی ژنتیک چیست؟

۳- چگونگی انجام عمل علم ژنتیک

۴- فرایند انجام مهندسی ژنتیک

۵- کاربرد مهندسی ژنتیک

۶- انواع روش های مهندسی ژنتیک

۷- نگرانی های استفاده از علم ژنتیک

۸- گروه های اصلی مهندسی ژنتیک

۱- تاریخچه مهندسی ژنتیک :

با کشف ساختمان سه بعدی DNA در سال ۱۹۵۳ توسط واتسون و کریک، سیستم های مختلف ژنتیکی بعد از آن توسط دانشمندان دیگری مورد مطالعه قرار گرفت. به طوریکه محققان با دریافت ژنوم از یک موجود و وارد کردن آن به بدن موجودات دیگر، می توانستند تاثیرات این جابجایی را مورد مطالعه و بررسی قرار دهند. به این علم، زیست شناسی مولکولی می گفتند که بعدها به مهندسی ژنتیک معروف شد. تاسیس اولین شرکت مهندسی ژنتیک در سال ۱۹۷۶ و بعد از پیشرفت فناوری DNA نوترکیب در سال ۱۹۷۰ بود.

اولین فعالیت این شرکت تزریق ژن های انسولین انسانی به یک نوع باکتری برای تولید انسولین توسط آن ها بود. بدین ترتیب سال ۱۹۸۲ اولین داروی انسولین انسانی تولید شد. سال ۱۹۸۷ نیز اولین واکسن ژنتیکی که برای هپاتیت B بود مورد تایید FDA قرار گرفت. امروزه علم ژنتیک برای تهیه بسیاری از محصولات مختلف مانند موادی که مقاوم در برابر عفونت ها هستند و باتری های لیتیم که مطابقت با محیط زیست دارند، مورد استفاده قرار می گیرد.

۲- مهندسی ژنتیک چیست؟

علم ژنتیک به ایجاد تغییر در ژنوم موجودات و بررسی این تغییرات و آثار آن ها می پردازد. هدف از این علم بهتر کردن خواص و ویژگی های موجود در یک ارگانیسم است. به عنوان مثال برای این که گیاهان را در برابر علف کش ها مقاوم کنند و یا گیاهان با ارزش غذایی بالاتر را تولید کنند از ژنتیک بهره می برند. استفاده از علم ژنتیک می تواند برای تمام موجودات از ساده ترین آن ها گرفته (ویروس ها) تا پیچیده ترین مانند گوسفندها استفاده می شود. نحوه عمل این علم با تغییر دادن یک جفت باز موجود در ژنوم، اضافه کردن یک بخش از DNA، حذف و استخراج بخشی از ژنوم و ترکیب آن با ژنوم یک فرد انجام می شود.

۳- چگونگی انجام عمل علم ژنتیک :

برای بیان نحوه عمل علم ژنتیک باید از یک مثال استفاده کرد. تنظیم قند خون در بدن انسان با یک پروتئینی به نام انسولین انجام می شود. افراد مبتلا به دیابت نوع ۱ نمی توانند انسولین تولید کنند. علم ژنتیک این طور به ما کمک می کند که می تواند با تزریق نسخه هایی از این ژن در باکتری ها باعث تولید انسولین شوند. انسولین تولید شده با تزریق در بدن بیماران دیابتی، به درمان آن ها می پردازد.

مثال دیگر تجزیه شدن لبنیات در بدن انسان ها با یک آنزیمی که توسط یک ژن تولید می شود، انجام می شود. بعضی از افراد به دلیل کمبود این آنزیم نمی توانند لبنیات مصرف کنند. علم ژنتیک با تزریق نسخه هایی از این ژن در باکتری ها و یا مخمرها، باعث تولید این آنزیم ها می شود.

۴- فرایند انجام مهندسی ژنتیک :

انجام پروسه ژنتیک دارای مراحل زیر است.

مرحله اول :

مرحله ی اول انتخاب ژنی است که صفت مد نظر دانشمندان است. استخراج  DNA محتوی این ژن از موجودی است که به طور طبیعی محتوی این ژن است.

مرحله دوم :

در مرحله دوم ژن مورد نظر را در DNA حلقوی (پلاسمید) که از باکتری ها بیرون کشیده شده است، وارد می کنند. به این ترتیب ژن جدید می تواند وارد بدن یک ارگانیسم جدید شود.

مرحله سوم :

در مرحله سوم DNA اهدا کننده با DNA پلاسمید با آنزیم به هم متصل و ترکیب می شوند. وظیفه آنزیم جدا کردن دو نوع DNA ها در محل های به خصوص است. اتصال قطعه های باقیمانده بر طبق ساختار شیمیایی آن ها به آسانی انجام می شود.

مرحله چهارم :

در این مرحله وصل شدن قطعه های DNA انجام و پلاسمید کامل تشکیل می شود.

مرحله پنجم :

مرحله پنجم مرحله ی ترکیب شدن پلاسمیدهای کامل محتوای ژن تازه با سلول های باکتریایی دیگر است. یک روش برای وارد کردن پلاسمیدهای کامل به سلول ها در برخی باکتری ها، transformation است.

مرحله ششم :

تولید محصول مورد نظر، شناسایی و جداسازی آن به وسیله کلونی های باکتری هایی است که دارای ژنی هستند که در ابتدا مدنظر بود.

مرحله هفتم :

در این مرحله رشد باکتری هایی که مهندسی ژنتیکی شدند، انجام و سپس ژن های آن ها برای استفاده جمع می شوند.

۵- کاربرد مهندسی ژنتیک :

با به کاربردن روش های DNA نوترکیب در علم ژنتیک به باکتری هایی می رسیم که می توانند موادی چون انسولین، واکسن هپاتیت B، هورمون رشد و یا بسیاری از مواد دیگر را تولید کنند. همچنین در درمان برخی از بیماری های ژنتیکی می توان ژن های سالم و معمول را به جای ژن های ناسالم قرار داد. در گیاهان علم ژنتیک می تواند عمل اصلاح نیتروژن را در آن ها انجام دهد. همچنین در کشاورزی برای بهتر کردن کیفیت و افزایش رشد مواد غذایی مانند برنج و گوجه فرنگی استفاده می شود. با به کار بردن علم ژنتیک می توان گوسفندانی را تولید کرد که از شیر آن ها در درمان فیبروز کیستیک استفاده می شود.

از کاربردهای مهم دیگر این علم می توان به ایجاد میکروارگانیسم هایی اشاره کرد که می توانند مواد صنعتی بیشتری تولید کنند. آنتی بیوتیک ها نمونه ای از این مواد هستند که توسط میکروارگانیسم ها تولید می شوند. برای تهیه واکسن ها که به عنوان ماده ای برای افزایش ایمنی بدن در برابر عفونت ها هستند نیز از علم ژنتیک استفاده می شود. برای تهیه واکسن، از ویروس های کشته شده به کار گرفته می شود. ولی احتمال اینکه همه این ویروس ها مرده نباشند، برای اطمینان فقط ژن های پروتئین های پوشش این ویروس ها را در ویروس یا باکتری دیگری تزریق می کنند تا در آن جا کلونی تشکیل دهند.

نکته ای که مورد توجه است یک سری ناسازگاری هایی است که ممکن است در این تغییرات ژنتیکی اتفاق بیفتد. مانند مقاومت در مقابل آنتی بیوتیک ها و یا تغییر صفات در افراد است.

۶- انواع روش های مهندسی ژنتیک :

روش های مختلفی در ژنتیک برای تزریق ژنی که مدنظر محققان است به سلول های میزبان مورد نظر وجود دارد. در زیر به برخی از این روش ها اشاره می کنیم.

٭ در یک روش قسمتی از DNA وکتورهای ویروسی به عنوان یک عاملی که باعث ایجاد بیماری می شود، با آلوده کردن میزبان، وارد سلول میزبان می شود.

٭ روش Microprojectile Bombardment که در آن با گلوله های میکروسکوپی DNA را به سلول میزبان پرتاب می کنند.

٭ الکتروپوریشن : DNA در روش الکتروپوریشن در مقابل سلول ها در محیطی که باردار (بار الکتریکی داشته باشد) است گذاشته می شود.

میکرواینجکشن : در این روش DNA به طور مستقیم وارد سلول میزبان می شود. در این روش بعضی از سلول ها مرده و بعضی دیگر زنده می مانند.

٭ روش دیگری به نام ترنسپوزون وجود دارد که در آن قطعه های کوتاه DNA می توانند در ژنوم از قسمتی به قسمت دیگر جابجا شوند.

۷- نگرانی های استفاده از علم ژنتیک :

همان طور که گفته شد از علم مهندسی ژنتیک در زمینه تولید واکسن، تشخیص و درمان بیماری ها و موارد دیگر استفاده می شود. در این علم از روش های مختلفی چون اسید دئوکسی ریبونوکلئیک نوترکیب (rDNA) استفاده می شود. بسیاری از این روش ها بی خطر هستند. اما برخی از روش های rDNA آن احتمال ایجاد اشکال عفونی را داشته و زندگی حیوانات را به مخاطره می اندازد. خطرات استفاده از ژنتیک بر روی محیط زیست هم می تواند مهم باشد، یا استفاده از محصولات اصلاح شده ژنتیکی می تواند در زنان باردار باعث بروز مشکلاتی شود.

۸- گروه های اصلی مهندسی ژنتیک :

مهندسی ژنتیک تحلیلی :

در این شاخه از علم ژنتیک ساخت مدل های ژنتیکی به طور مجازی و از طریق نرم افزارهای رایانه ای انجام می شود.

مهندسی ژنتیک کاربردی :

در شاخه علم ژنتیک ابزارهای این علم به طور کاربردی و عملی مورد استفاده قرار می گیرد. در این روش نسخه های ژنتیکی بعضی از موجودان توسط محققان با دستکاری باعث ایجاد خصوصیات جدید در جانداران می شوند.

مهندسی ژنتیک شیمیایی :

این روش علم ژنتیک که به عنوان اساس ژنتیک کاربردی است، در واقع ژن ها را برای آزمایش های ژنتیکی آماده سازی می کند. برای این کار به جدا کردن ژن ها و دسته بندی آن ها می پردازد.