التكنولوجيا الحيوية
B i o t e c h n o l o g y
التكنولوجيا الحيوية
- توظيف الكائنات الحيَّة والمعلومات المُتعلِّقة بها في مجالات عِدَّة، واستخدامها في صنع بعض المُنتَجات وتطويرها لخدمة البشرية.
- مثل: إضافة الخميرة إلى الطحين لإعداد الخبز، وإدخال البكتيريا في عمليات التعدين وصناعة الألبان ومُنتَجاتها،
التكنولوجيا الحيوية وموادها
1)إنزيمات الحمض النووي DNA.
أ)إنزيمات القطع المُحدَّد
- إنزيمات مُتخصِّصة تتعرَّف تسلسلا مُحدَّدًا من النيوكليوتيدات في منطقة تُسمّى" منطقة التعرُّف".ويكون تسلسل النيوكليوتيدات في إحدى سلسلتي DNA (من النهاية 5ʹ إلى النهاية 3ʹ) هو التسلسل نفسه للسلسلة المُقابِلة لها (من النهاية 3ʹ إلى النهاية 5ʹ) في هذه المنطقة .
- وتقطع هذه الإنزيمات جزيء DNA عند مواقع محددة بين نيوكليوتيدين متتاليين تسمى "مواقع القطع".
ينتج من بعض إنزيمات القطع المُحدَّد قطع من DNA ذات أطراف مفردة، وهي تتكوَّن من سلسلة واحدة من النيوكليوتيدات، تُسمّى النهايات اللزجة.
- وكذلك ينتج من بعض إنزيمات القطع المُحدَّد قطع من DNA تتكوَّن نهاياته من سلسلتين من النيوكليوتيدات، وتُسمّى النهايات غير اللزجة.
ب) إنزيم الربط
- يُستخدَم إنزيم الربط في التكنولوجيا الحيوية لإنتاج DNA معاد تركيبه. وذلك بتكوين روابط تساهمية فوسفاتية ثنائية الإستر بين نهايات سلسلتي DNA، ما يؤدّي إلى التحامهما،
ج) إنزيم بلمرة DNA مُتحمِّل الحرارة
- إنزيم يُستخدَم في بلمرة DNA ، ويُستخلَص نوع من بكتيريا مُحِبَّة للحرارة تعيش في الينابيع الحارَّة.
2) نواقل الجينات
- تُستخدَم نواقل الجينات لنقل الجين المرغوب فيه إلى الخلية الحيَّة المُستهدَفة.ومن الأمثلة عليها:
أ) البلازميدات:
- هي DNA حلقي في سيتوبلازم البكتيريا.
- وهو يتضاعف بصورة مستقلة.
ب)الفيروسات آكلة البكتيريا:
- تُستخدَم بعض أنواع الفيروسات آكلة البكتيريا نواقل جينية عندما تكون قطع DNA المراد نقلها كبيرة الحجم بعد تعديلها جينيًّا باستخدام إنزيمات القطع المُحدَّد وإنزيم الربط
ج)الجُسَيْمات الدهنية:
- حويصلات كروية من الليبيدات المفسفرة تُستعمَل لنقل الأليلات السليمة أو الأدوية في المعالجة الجينية.
مضاعفة DNA وفصله
تفاعل إنزيم البلمرة المُتسلسِل(PCR)
- عملية مضاعفة عيِّنة صغيرة من DNA وتكرارها لإنتاج ملايين النسخ منها خلال ساعات عِدَّة باستخدام جهاز الدورية الحرارية.
سلاسل البدء :
- سلاسل مفردة من النيوكليوتيدات، قد يصل عددها إلى 20 نيوكليوتيدًا أو أكثر.
- وهي تُصمَّم وَفق تسلسلات مُحدَّدة، بحيث تكون مُتمِّمة لتسلسل النيوكليوتيدات في بداية منطقة التضاعف، ثم ترتبط بها، فتصبح بداية السلسلة المراد بناؤها مزدوجة؛ لأنَّ إنزيم بلمرة DNA مُتحمِّل الحرارة يتطلَّب وجود تسلسل DNA مزدوج لبَدْء بناء السلسلة المُكمِّلة.
خطوات تفاعل إنزيم البلمرة المُتسلسِل:
توجد ثلاث مراحل أساسية لتفاعل البلمرة في كل دورة من دورات التفاعل، وتعتمد كل مرحلة على درجة حرارة مُعيَّنة،
الفصل الكهربائي الهلامي
- تُفصَل قطع DNA اعتمادًا على الاختلاف في أطوالها وشحنتها السالبة، باستخدام جهاز الفصل الكهربائي الهلامي.
تطبيقات التكنولوجيا الحيوية
البصمة الوراثية
- خريطة تُبيِّن توزيع قِطع DNA في عيِّنة DNA التي يراد تحليلها، وتُؤخَذ من نواة خلية حيَّة، مثل:
1)خلايا الدم البيضاء.
2) وجذور الشعر.
3)والخلايا الطلائية.
- حيث تختلف من شخص إلى آخر، وتتشابه فقط في التوائم المُتطابِقة.
- تُستخدَم في القضايا القانونية، مثل: تحديد النسب، والتحقيق في الجرائم. وكذلك تُستخدَم في تحديد هوية الضحايا في الكوارث الطبيعة.
هندسة الجينات
- يُقصَد بها تعديل DNA للكائن الحيِّ.
- تعتمد هذه العملية على عزل جينات مُحدَّدة من DNA المُتبرِّع، ثم إضافتها إلى DNA المُستقبِل لإنتاج DNA المعاد تركيبه .
- تُعَدُّ بكتيريا E. coli أحد أقدم الكائنات الحيَّة المُعدَّلة وراثيًّا، وكان الهدف من تعديلها هو إنتاج الأنسولين البشري المعاد تركيبه.
تطبيقات هندسة الجينات
أ)تطبيقات طبية
1- هرمون الأنسولين.
2- وهرمون النمو.
4- العلاج الجيني
- من الأمراض التي يُمكِن معالجتها جينيًّا:
1- مرض التليُّف الكيسي.
2- وأنواع مُعيَّنة من نزف الدم.
3- ومرض مناعي يُسمّى ADA-SCID.
ب) تطبيقات زراعية
- تُعدَّل النباتات جينيًّا لإكسابها صفات مرغوبة، مثل:
1- زيادة القيمة الغذائية للنبات.
1- زيادة القيمة الغذائية للنبات.
2- وملاءمة الظروف البيئية.
3-ومقاومة الآفات الزراعية.
4- وزيادة إنتاج المحاصيل الزراعية.
الأمثلة على استخدام هندسة الجينات في النباتات:
1- تعديل نبات الأرز جينيًّا لإنتاج كمِّيات أكثر من فيتامين A.
2- تعديل نبات القطن بإضافة جين مسؤول عن بروتين يُؤثِّر في جهاز الحشرات الهضمي ليصبح محصولا مُقاوِمًا للحشرات؛ ما يُقلِّل الفاقد من المحصول بسبب الآفات الزراعية.
الأمثلة على استخدام هندسة الجينات في تحسين الإنتاج الحيواني:
1- تعديل بعض صفات الحيوان لزيادة إنتاجه من الحليب، أو البيض، أو اللحوم.
2- وزيادة مقاومة الأمراض في الحيوانات.
3- واستخدام فئران التجارب المُعدَّلة جينيا في دراسة تطوُّر الأمراض وتأثير الأدوية.
الاستنساخ
- إنتاج كائن حيّ مُتعدِّد الخلايا من خلية واحدة، بحيث يتطابق وراثيًّا مع الكائن الحيِّ الذي تبرَّع بالخلية الأصلية المُستنسَخة.
أ)الاستنساخ في النبات
- يُستنسَخ نبات الأوركيد؛ نظرًا إلى أهميته الاقتصادية، وصعوبة تكثيره خضريًّا، وتُستنسَخ
نباتات أُخرى؛ لخصائصها المُميَّزة، مثل: جودة المحصول، ومقاومة مُسبِّبات الأمراض النباتية.
- استنسخ العالِِم ستيوارد نبات الجَزَر باستخدام خلايا الجذر لإنتاج نباتات جَزَر كثيرة، مُتماثِلة وراثيًّا، ومُُماثِلة للنبات الأصلي.
ب) الاستنساخ في الحيوانات
استنسخ العلماء الأغنام والبقر والقطط والفئران عن طريق
- استبدال نواة خلية جسمية سليمة ثنائية المجموعة الكروموسومية ومأخوذة من الحيوان المراد استنساخه بنواة بويضة غير مُخصَّبة.
- تحفيز البويضة ثنائية المجموعة الكروموسومية على الانقسام؛ فيتكوَّن الجنين الذي يُزرَع في رحم أنثى أُخرى، وتكون صفات النسل الناتج مُماثِلة لصفات الحيوان الذي أُخِذت منه الخلية الجسمية.
مشروع الجينوم البشري
- تحديد تسلسل النيوكليوتيدات في كامل DNA للإنسان، وتعرُّف مواقع الجينات وترتيبها في الكروموسومات جميعها،
- يستفاد من هذا المشروع في:
* تشخيص الأمراض الوراثية.
* تعرُّف علاجاتها.
* تحديد الأمراض.
مشروع الجينوم لبعض الكائنات الحيَّة
- درس العلماء جينوم بعض الكائنات الحيَّة، مثل: أنواع من البكتيريا، والخميرة، وبعض أنواع
الحيوانات والنباتات، بُغْيَةَ تعرُّف تسلسل النيوكليوتيدات.
مشروع الألف جينوم
- أُنشِئ مشروع الألف جينوم عام 2008 م بوصفه خريطة مُفصَّلة تُستخدَم في مقارنة الجينوم
البشري، ودراسة التنوُّع الوراثي في الأفراد باستعمال ألف عيِّنة DNA لأفراد من مجتمعات
مختلفة حول العالََم بعد أخذ موافقتهم.
مشروع الجينوم الشخصي (PGP)
- يهدف هذا المشروع إلى:
*دراسة تسلسل الجينوم الشخصي الكامل لآلاف المشاركين حول العالََم.
*كذلك تعرُّف تسلسل النيوكليوتيدات، والطرز الشكلية، والمعلومات الطبية.
*دراسة العلاقات بين الجينات والبيئات المختلفة.
المعلوماتية الحيوية
استخدام الحاسوب في جمع تسلسل عدد كبير من النيوكليوتيدات، ومعالجتها، وتحليلها، ودراستها، أو استخدامه في جمع كَمٍّ كبير من المعلومات المُتعلِّقة بالعلوم الحياتية.
علم المحتوى البروتيني
علم يدرس أنواع البروتينات المختلفة، ومدى وفرتها، وتركيبها، ووظائفها، وأثرها في جسم
الكائن الحيِّ، ويتضمَّن معرفة تسلسل الحموض الأمينية في البروتين،
القضايا الأخلاقية المُرتبِطة بالتكنولوجيا الحيوية
1- تأثير الجين المنقول في الجينات الأُخرى، مثل: زيادة نشاطها، أو تثبيط عملها.
2- مهاجمة جهاز المناعة للناقل الجيني.
3- التأثير في الأنظمة البيئية، وإصابة الإنسان أو الكائنات الحيَّة الأُخرى بالأمراض.
4- إنتاج سلالات من الكائنات الحيَّة لاستخدامها أسلحة بيولوجية في تدمير البشرية.
5- تعديل صفات الأَجِنَّة غير المَرَضية، مثل: الذكاء، والجمال، والطول.