مهندسی ژنتیک | چیستی، کاربرد، فرایندها، تکنیک‌ها و ایرادات
همانطور که می‌دانید مهندسی ژنتیک ، یکی از حوزه‌های جذاب و نوآورانه علوم زیستی است. این علم به دست‌کاری مستقیم DNA جهت تغییر خصوصیات ارگانیسم با استفاده از روش‌های خاص می‌پردازد و فرایند تغییر ژنوم یک موجود زنده را در برمی‌گیرد. این روش می‌تواند شامل تغییر یک باز DNA تا حذف یا درج یک بخش کامل از DNA باشد. به‌عنوان مثال، از مهندسی ژنتیک می‌توان برای تولید گیاهان زراعی با کارایی بالاتر یا مواد غذایی غنی‌تر و اصلاح جهش‌های ژنتیکی مرتبط با بیماری‌ها استفاده کرد.
در ادامه با مجله بیوزوم همراه باشید تا با مهندسی ژنتیک و کاربردهای آن بیشتر آشنا شویم.
مهندسی ژنتیک که گاهی اصلاح ژنتیکی نیز نامیده میشود، فرایند تغییر DNA در ژنوم یک موجود زنده است.
این تغییرات ممکن است شامل تغییر یک نوع از بازهای DNA (A، T، C یا G) در محدوده یک ژن باشد که موجب تغییر عملکرد آن ژن میشود، یا حاوی حذف یا اضافه کردن یک ژن یا حتی یک بخش کامل از DNA باشد.
در برخی موارد نیز، مهندسی ژنتیک به معنای استخراج DNA از ژنوم یک موجود و ترکیب آن با DNA موجودات دیگر است.
مطلب مرتبط: دی ان ای (DNA) چیست؟ – به زبان ساده
توجه: این تغییرات را می‌توان برای هر موجود زنده‌ای اعمال کرد، اگرچه قوانین و مقررات برای هر موجود متفاوت است، به‌عنوان مثال قوانین اخلاقی در مورد انسان سخت‌گیرانه‌تر از قوانین اخلاقی در مورد گیاهان است
فرایند و تکنیک‌ها
بیشتر فناوری DNA نوترکیب، شامل قراردادن ژن‌های خارجی در پلاسمیدهای سویه‌های آزمایشگاهی رایج باکتری‌ها است. پلاسمیدها DNAهای کوچک حلقوی هستند که تکثیر مستقل از باکتری دارند و بخشی از کروموزوم باکتری (مخزن اصلی اطلاعات ژنتیکی ارگانیسم) نیستند. با این‌وجود، آن‌ها قادر به هدایت سنتز پروتئین هستند و مانند DNA کروموزومی، تکثیر شده و به نسل‌های بعدی باکتری منتقل می‌شوند.
بنابراین، با ترکیب DNA خارجی (به‌عنوان مثال، یک ژن از پستانداران) در یک باکتری، محققان میتوانند تعداد تقریباً نامحدودی از نسخه‌های رونویسی‌شده ژن وارد شده به باکتری را به دست آورند. علاوه بر این، اگر ژن وارد شده دارای عملکرد شود (به‌عنوان مثال، اگر سنتز پروتئین را هدایت کند)، باکتری اصلاح شده می‌تواند پروتئین مشخص آن DNA خارجی را تولید کند.
پس به طور کلی در 4 مرحله مهندسی ژنتیک در ابعاد متفاوت انجام میشود:
1- در ابتدا یک ماده ژنتیکی نوترکیب ساخته میشود. برای این امر به دو نوع آنزیم نیاز است. در مرحله اول ژن مورد نظر از DNA موجود زنده بریده میشود از طرفی، پلاسمید باکتری نیز با همان آنزیم بریده شده تا ژن در آن قرار گیرد. برای اتصال ژن خارجی به پلاسمید، به آنزیم دیگری به نام لیگاز نیاز است، این آنزیم با ایجاد پیوند فسفو دی استر، ژن خارجی را به حامل مورد نظر (در اینجا پلاسمید) متصل می‌کند. لازم به ذکر است این پلاسمید به نوع خاصی از آنتی بیوتیک مقاوم است.
بیشتر بدانیم: به آنزیم برش‌دهنده، آنزیم محدود کننده گفته میشود. این آنزیم‌ها توالی‌های خاصی از دنا را شناسایی کرده و آن‌ها را برش می‌دهند. بیشتر آنزیم های محدود کننده، در دو انتهای DNA، توالی تک رشته‌ای را ایجاد می‌کنند که به آن انتهای چسبنده گفته میشود.
2- مرحله دوم کلون کردن است به این معنی که از یک ژن نسخه‌های یکسان متعددی ساخته میشود. به این منظور، دنا نوترکیب مرحله قبل در مجاورت باکتری قرار می‌گیرد. دیواره باکتری توسط دما یا مواد شیمیایی سست شده و دنا جذب آن میشود. دناهای نوترکیب جذب شده که بخشی از یک پلاسمید هستند، به طور مستقل از باکتری تکثیر می‌شوند.
3- تمام باکتری‌ها قادر به جذب دنای نوترکیب نیستند، لذا در این مرحله، باکتری‌هایی که دنای نوترکیب را جذب کرده‌اند غربال می‌شوند. بدین منظور از آنتی بیوتیک استفاده میشود. از آن‌جا که پلاسمید حاوی دنا نوترکیب، دارای مقاومت آنتی بیوتیکی است، در صورت استفاده از آنتی بیوتیک در محیط کشت، تنها باکتری‌هایی رشد می‌کنند که به آن آنتی بیوتیک حساس نباشند و دارای ژن مقاومت به آنتی بیوتیک باشند که همانظور که در بخش اول گفته شد، پلاسمید حامل دارای این مقاومت است پس تنها باکتری‌هایی رشد می‌کنند که این پلاسمید را دارند.
4- حال ژن خارجی باید از دنا نوترکیب جدا شود به این منظور دوباره پلاسمید با آنزیم محدودکننده بریده خواهد شد. تفکیک پلاسمید از دنا نوترکیب با ژل الکتروفورز خواهد بود.
نکته: ژن‌درمانی وارد کردن یک ژن طبیعی به ژنوم فرد به‌منظور ترمیم جهشی است که باعث یک بیماری ژنتیکی شده است.
هنگامی که یک ژن طبیعی در هسته جهش‌یافته قرار می‌گیرد، به‌احتمال زیاد در یک مکان کروموزومی متفاوت از آلل معیوب ادغام میشود. اگرچه این جای‌گیری ممکن است جهش را ترمیم کند، اما اگر ژن طبیعی در یک ژن عملکردی دیگر ادغام شود، ممکن است باعث ایجاد جهش جدیدی گردد. اگر ژن طبیعی جایگزین آلل جهش‌یافته شود، این احتمال وجود دارد که سلول‌های دریافت‌کننده ژن طبیعی، تکثیر شده و به‌اندازه کافی محصول ژنی طبیعی تولید کنند تا کل بدن به فنوتیپ قبل بیماری بازگردد.
مطالعه موردی
یکی از نمونه‌های مهندسی ژنتیک، تولید انسولین برای افراد مبتلا به دیابت توسط باکتری‌ها یا سلول‌های مخمری است.
در این تکنیک، قطعه کوچکی از DNA حلقوی، بخشی از ژن انسانی را دریافت کرده و به طور ژنتیکی اصلاح می‌گردد تا شامل ژنی باشد که انسولین انسانی را کد می‌کند. پلاسمید تغییریافته ژنتیکی، به یک باکتری یا سلول مخمر جدید (وکتور) وارد میشود، سپس این سلول به سرعت تقسیم شده و شروع به ساخت انسولین می‌کند.
برای ایجاد مقادیر زیادی از سلول‌ها، مخمرها یا باکتری‌های اصلاح‌شده ژنتیکی، در ظروف تخمیر بزرگی رشد می‌کنند که حاوی تمام مواد مغذی مورد نیاز آن‌ها است. هرچه سلول‌ها بیشتر تقسیم شوند، انسولین بیشتری هم تولید میشود.
هنگامی که تخمیر کامل شد، مخلوط فیلتر شده تا انسولین آزاد شود. سپس انسولین خالص شده و در بطری‌ها و قلم‌های انسولین بسته‌بندی می‌گردد تا در بین بیماران دیابتی توزیع شود.
کاربردهای دیگر مهندسی ژنتیک
مهندسی ژنتیک در حوزه‌های گوناگونی از جمله کشاورزی و تغذیه، دامپروری، علوم پزشکی، صنایع دارویی و تولید انرژی، نقش بسیار موثری ایفا می‌کند. به عنوان مثال، در کشاورزی، این تکنولوژی می‌تواند سبب بهبود عملکرد محصولات، مقاومت در برابر آفات و بیماری‌ها، و افزایش محتوای مغذی شود. در حوزه دامپروری نیز، می‌تواند با تولید جیره‌های غذایی بهینه تر و بهبود ژنتیکی دام‌ها، در عملکرد و سلامت آن‌ها موثر باشد. از سوی دیگر، در علوم پزشکی، این تکنولوژی می‌تواند به تشخیص و درمان بیماری‌ها کمک کرده و در توسعه داروهای نوین نقش مهمی ایفا کند. در مورد صنایع دارویی، تکنولوژی ژنتیک مولکولی و بیوتکنولوژی به تولید داروهای با کیفیت و بازده بالا کمک می‌کند و در نهایت، در صنایع محیط زیست و بهداشت بشر، این تکنولوژی می‌تواند به بازیافت مواد زائد، کنترل آلودگی و ارائه راهکارهای نوین برای بهبود محیط زیست و سلامت انسان یاری ببخشد.
مطلب مرتبط: زیست فناوری چیست – به زبان ساده
مهندسی ژنتیک و بیماری آلزایمر؟
کرم نماتد، یا C. elegans، تنها حدود ۳۰۰ سلول در سیستم عصبی خود دارد و تقریباً شفاف است که این امکان را فراهم می‌کند تا پروتئین‌های مختلف با استفاده از نشانگر فلورسنت برچسب‌گذاری شده و تأثیر آن‌ها بر سلول‌های مختلف را تحت میکروسکوپ مشاهده شود.
در انسان، ژن APP مسئول کد کردن پروتئین‌های مرتبط با پلاک‌های آمیلوئیدی است که به‌عنوان علامتی برای افراد مبتلا به بیماری آلزایمر شناخته میشود. محققان، سلول‌های عصبی کرم نماتد را با تکنیک‌های مهندسی ژنتیک تغییر داده‌اند تا ژن APP را در خود جای دهند. سپس مشاهده شد که بیان این ژن به طور مؤثر باعث ایجاد بیماری آلزایمر در این کرم میشود.
آن‌ها همچنین پروتئین APP حاصل را با یک نشانگر فلورسنت برچسب‌گذاری کرده و امکان دنبال کردن سرنوشت پروتئین به آن‌ها داده شد. این برچسب‌گذاری نشان داد، هر سلولی که با پروتئین APP ارتباط پیدا می‌کرد، با افزایش سن کرم دچار مرگ می‌شد. با این روش محققان توانستند پیشرفت بیماری آلزایمر را در کرم نظارت کرده و یافته‌های خود را برای درک نقش APP در انسان‌های مبتلا به بیماری آلزایمر به کار ببرند.
مطلب مرتبط: بیماری آلزایمر – فراموشی تدریجی یک زندگی
استدلال علیه مهندسی ژنتیک
اصولاً اخلاق شناسان بیشتر از نگرانی درباره ژن‌درمانی، درباره مشکلات احتمالی و پیامدهای پیشرفت مهندسی ژنتیک نگران بوده‌اند. در ابتدا، نگرانی‌هایی مشابه نگرانی‌های مربوط به ژن‌درمانی وجود داشت، مثل این مورد که مهندسی ژنتیک هنوز به‌اندازه کافی شناخته شده نیست و ممکن است عواقب خطرناک پیش‌بینی نشده‌ای داشته باشد.
این نگرانی‌ها ممکن است حتی جدی‌تر باشند، زیرا تلاش‌ها نه فقط در جهت عادی شدن اصلاح ژنتیکی، بلکه در قلمرو جدید عجیب‌وغریبی صورت می‌گیرند که انسان‌ها قبلاً هرگز به آن دست نیافته‌اند. هنوز مشخص نیست که چه موجودات عجیب و غریبی ممکن است از آزمایش‌های نادرست حاصل شود.
ایرادات مهم دیگر مهندسی ژنتیک
تصور اینجاست که خدا و روند تکامل، مجموعه‌ای از ژن‌ها را برای انسان ایجاد کرده‌اند که یا همان چیزی است که باید وجود داشته باشد یا بهترین میزان بقا را به ما ارائه می‌دهد. این اقدام لزوما به منظور بازسازی کد ژنتیکی به حالت عادی (مانند ژن درمانی) صورت نمی‌گیرد، بلکه به نقض قوانین طبیعت یا الهیات منجر میشود و با تخریب و تغییر کد ژنتیکی موجودات سبب ایجاد انواع جدیدی از موجودات میشود. این موضوع هم با «خلقت گرایی»، با این باور که خدا انسان‌ها را همان طور که هستند آفریده است، ناسازگار بوده و هم با اعتقاد به تکامل. در دیدگاه دوم، که اعتقاد به اصول تکامل است نیز، تقویت آگاهانه ژن‌های انسان، با اجازه دادن به فرآیند طبیعی تکامل برای «انتخاب طبیعی» ژن‌های ما، متفاوت است.
مهندسی ژنتیک می‌تواند غیرانسانی باشد؛ زیرا موجوداتی غیر قابل تطابق با انسان و بیگانه ایجاد می‌کند. افراد دست‌کاری شده ژنتیکی از خود بیگانه خواهند شد؛ یا احساس می‌کنند هویت گمشده‌ای دارند، یا دیگر احساس انسان بودن نمی‌کنند، به این ترتیب نژاد بشر با خود احساس ناشناختگی خواهد کرد.
افراد دست‌کاری شده ژنتیکی حس نمی‌کنند که بخشی از نسل بشر هستند. در کنار این، به‌اندازه کافی با دیگر موجودات شباهتی نخواهند داشت که حس کنند به آن‌ها تعلق دارند. مردم حتی با فرزندان دست‌کاری شده ژنتیکی خود، که در واقع میتوانند گونه‌ای ژنتیکی متفاوتی از پدران و مادرانشان باشند، بیگانه خواهند شد.
همچنین همانطور که با معرفی مدل‌های جدیدتر از تکنولوژی، مدل‌های قدیمی کامپیوترها به سرعت منسوخ می‌شوند، موجودات دست‌کاری شده ژنتیکی نیز از فرسودگی رنج خواهند برد. خبر داغ تقویت ژن در یک زمان، چندین سال بعد خبری قدیمی خواهد بود. والدین بر اساس معیارهای فرزندانشان منسوخ شده و نوجوانان به طرز ناامیدکننده‌ای توسط خواهر و برادر کوچک‌ترشان از رده خارج خواهند شد.
مهندسی ژنتیک نسخه‌ای از اصلاح نژاد است. این موضوع، با وجود دیدگاه “اوژنیک” که معتقد است ما باید ژنتیک نسل بشر را بهبود بخشیم، خاطرات جنبش تاریخی اصلاح نژاد در اوایل قرن بیستم آمریکا و آلمان نازی را تداعی می‌کند.
پیشنهاد کتاب: از داروین تا هیتلر
این نوع دیدگاه در اصلاح نژاد توسط مهندسی ژنتیک، اعمالی از جمله تولیدمثل انتخابی، عقیم‌سازی اجباری «معیوب‌ها» و «نامطلوب‌ها» (افراد دارای اختلالات ژنتیکی یا ویژگی‌های نامطلوب، افراد دارای معلولیت، افراد نژادهای دیگر، افراد گروه‌های قومی دیگر، همجنس‌گرایان) و اتانازی حمایت میشود.
جمع‌بندی
همانطور که اشاره شد، مهندسی ژنتیک یک فناوری تقریباً جدید برای تغییر ژنوم موجودات در سطوح مختلف ژن است. از مهندسی ژنتیک برای تقویت و بهبود یک ویژگی خاص، مثلاً تحمل بهتر نسبت به آفت‌کش‌ها در گیاهان، یا تولید دارو برای بیماران، مثل تولید انسولین به کمک باکتری‌ها یا مخمرها برای درمان بیماران دیابتی استفاده میشود. همچنین، در برخی موارد، جایگزینی ژن های طبیعی با نسخه های ناکارآمد یا ناکامل از ژن ها، با هدف تولید پروتئین های با کارایی صحیح در ساختار بدن، صورت می گیرد. این اقدام به منظور کنترل تولید یا عملکرد نادرست پروتئین صورت گرفته و سبب جلوگیری از ایجاد بیماری موجب می شود. البته در کنار مزیت‌های آن، به دلیل احتمال سوءاستفاده از این روش، مثل حذف افراد دارای معلولیت یا افراد سایر نژادها هنوز نگرانی‌هایی درباره این روش وجود دارد. امید است روزی مهندسی ژنتیک فقط برای بهبود شرایط زندگی و ریشه‌کن‌کردن بیماری‌ها استفاده گردد.
