استنساخ تتابعات ‏DNA: طرق الاستنساخ والاستخدمات

مفهوم الاستنساخ

عندما تسمع كلمة "استنساخ"، قد تفكر في استنساخ كائنات كاملة، مثل النعجة دوللي. لكن يقصد بالاستنساخ بصفة عامة عمل نسخة طبق الأصل من الشيء. في مختبر البيولوجيا الجزيئية مثلا، ما يتم استنساخه غالبًا هو الجين أو قطعة صغيرة أخرى من الحمض النووي.

لهذا إذا قال صديقك عالم الأحياء الجزيئي أن "استنساخها" لا يعمل، فمن المؤكد أنه يتحدث عن نسخ أجزاء من الحمض النووي، وليس استنساح دوللي.

نظرة عامة على استنساخ تتابعات DNA

يقوم علماء البيولوجي بإنتاج جين ما أو قطعة من ‏DNA. وذلك بلصقها بجزيء ما يحملها إلى خلية بكترية، وعادة ما يكون هذا الحامل بلازميدات أو فاج.  

ولكي يلصق الجين الغريب أو قطعة DNA بالبلازميد يعامل كل من الجين أو قطعة DNA والبلازميد بنفس إنزيم القصر لتكوين نهايات مفردة الشريط متكاملة القواعد لاصقة. وعند خلط الاثنين فإن بعض النهايات اللاصقة للبلازميد تتزواج قواعدها مع النهايات اللاصقة للجين. ثم يتم الربط بين الاثنين بإنزيم الربط.

بعد ذلك يضاف البلازميد إلى مزرعة بكتيرية أو خلايا الخميرة التي سبق معاملتها لزيادة نفاذيتها لـ DNA. حيث تدخل بعض البلازميدات إلى داخل الخلية.

وكلما نمت هذه الخلايا وانقسمت تتضاعف البلازميدات مع تضاعف المحتوى الجيني للخلية. بعد ذلك يتم تكسير الخلايا وتحرير البلازميدات. ويتم إطلاق الجين من البلازميدات باستخدام نفس انزيم القصر الذي تم سبق استخدامه.

ثم يتم عزل الجين باستخدام الطرد المركزي المفرق. وبذلك يمكن الحصول على كمية كافية من الجين أو قطع DNA المتماثلة لتحليلها ومعرفة تتابع النيوكليوتيدات بها. أو زراعتها في خلايا أخرى.

الطرق المستخدمة في استنساخ تتابعات DNA

وهناك أكثر من طريقة لاستنساخ تتابعات DNA لمضاعفتها سنتناولهما فيما يلي::

‏- فصل ‏DNA‏ من المحتوى الجيني للخلية ‏

‏يتم الحصول على المحتوى الجيني (كل مادة DNA بالخلية) للخلية. ثم يتم قص ‏DNA‏ بواسطة إنزيمات ‏القصر،

‏و بهذه الطريقة يتم الحصول من المحتوى الجيني لأحد الثدييات – مثلا – على ‏ملايين من قطع ‏DNA ‎‏. يتم لصقها ببلازميدات أو فاج لاستنساخها ‏‏(مضاعفتها).‎ ويتم استخدام تقنيات انتقائية مختلفة لعزل تتابع ‏DNA المرغوب في التعامل معه.

- استخدام  mRNA

‎‏يتم عزل ‏mRNA‏ من بعض الخلايا التي يكون بها الجين نشطاً. مثل ‏خلايا البنكرياس التي تكون الأنسولين. أو الخلايا المولدة لكرات الدم ‏الحمراء التي تكون الهيموجلوبين. وذلك لوجود كمية كبيرة من ‏mRNA‏ الذي يحمل الرسالة اللازمة لبناء هذه البروتينات.

يتم استخدام ‏mRNA ‎‏ كقالب لبناء شريط DNA ‎‏ الذي يتكامل معه وذلك ‏باستخدام إنزيم النسخ العكسي. ‏

توجد شفرة إنزيم النسخ العكسي في الفيروسات التي يكون محتواها الجيني‏RNA ‎‏. وذلك حتى يمكنها تحويل مادتها الوراثية من ‏RNA ‎‏ إلى ‏DNA ‎‏ لكي يرتبط ‏بالمحتوى الجيني من ‏DNA ‎‏خلية العائل وبذلك تضمن تضاعفه.

يتم بناء الشريط المتكامل مع شريط ‏DNA ‎‏ المتكون بواسطة إنزيم بلمرةDNA ‎‏؟ ‏فنحصل على لولب مزدوج من ‏DNA ‎‏يمكن استنساخه.

- جهاز PCR

يستخدم حاليا جهاز PCR لمضاعفة قطعDNA  الاف المرات خلال دقائق معدودة باستخدام إنزيم (تاك بوليميرز) الذي يعمل عند درجة حرارة مرتفعة.

لمزيد من المعلومات عن كيفية نسح وترجمة الشفرة الوراثية DNA شاهد هذا الفيديو وهذا الفيديو.

استخدامات الحمض النووي المستنسخ (الحمض النووي المؤتلف)

تُستخدم جزيئات الحمض النووي المبنية من خلال تقنيات الاستنساخ لأغراض عديدة في البيولوجيا الجزيئية. وتشمل هذه الاستخدمات ما يلي:

- المستحضرات الصيدلانية الحيوية

يمكن استخدام استنساخ الحمض النووي لصنع بروتينات بشرية ذات تطبيقات طبية حيوية كثيرة. فعلى سبيل المثال، تستخدم تقنية استنساخ الحمض النووي المؤتلف في إنتاح الانسولين البشرة. وذلك بوضع جين الأنسولين البشري في بلازميد بكتيريا الإشريكية القولونية لإنتاج الأنسولين الذي يستخدمه مرضى السكر.. كما تستخدام أيضا في تخليق هرمون النمو البشري، الذي يُعطى للمرضى غير القادرين على تصنيع الهرمون. وكذلك تستخدم في تخليق منشط بلاسمينوجين النسيجي أو منشط البلازمينوجين النسيجي ويسمى أيضاً مادة التيبلاز (Alteplase) اختصارًا (TPA). وهو عبارة عن انزيم أو بروتين يدخل في عملية تحليل وتخثر الدم. ويستخدم لعلاج السكتات الدماغية ومنع جلطات الدم.  يفكك إنزيم‎ TPA ‎الجلطة التي تشكلت في أحد الاوعية الدموية ‏في‎ ‎القلب. ‎ويؤدي لاعادة تزويد الدم لعضلة القلب. يجري اعطاء الـ ‎ ‎TPAعن طريق الوريد، أو الحقن المباشر في داخل‎ ‎الشريان التاجي.  ‎ويسبب ‏زيادة نشاط الانزيم إلى تحلل  ‎الفيبرين‎ ‎وبالتالي حدوث النزيف ‏المفرط. اما نقصان النشاط الانزيمي فيتسبب في فرط التخثر ‏الدموي وبالتالي الإصابة بالجلطات المختلفة‎.‎

- العلاج الجيني

في بعض الاضطرابات الوراثية، يفتقر المرضى إلى الشكل الوظيفي لجين معين. يحاول العلاج الجيني توفير نسخة طبيعية من الجين لخلايا جسم المريض. على سبيل المثال، تم استخدام استنساخ الحمض النووي لبناء البلازميدات التي تحتوي على نسخة طبيعية من الجين الذي يمنع التليف الكيسي في الرئة. وعندما تم نقل البلازميدات التي تحمل الجين الطبيعي هذا إلى رئتي مرضى التليف الكيسي، تدهورت وظيفة الرئة بسرعة أقل.

- تحليل الجينات

في مختبرات الأبحاث، غالبًا ما يستخدم علماء الأحياء استنساخ الحمض النووي لبناء نسخ صناعية ومؤتلفة من الجينات التي تساعدهم على فهم كيفية عمل الجينات الطبيعية في الكائن الحي.

هذه مجرد أمثلة قليلة لكيفية استخدام استنساخ الحمض النووي في علم الأحياء اليوم. يعد استنساخ الحمض النووي تقنية شائعة جدًا تُستخدم في مجموعة كبيرة ومتنوعة من تطبيقات البيولوجيا الجزيئية.