گفتار 1
زیست‌فناوری و مهندسی ژنتیک
مقدمه و پرسش‌هایی درباره زیست‌فناوری
مقدمه
آیا تاکنون درباره پلاستیک‌های قابل تجزیه زیستی شنیده‌اید؟ با توجه به اهمیت حفظ محیط‌زیست، تولید و استفاده از این نوع پلاستیک‌ها راهکاری مناسب برای پیشگیری از مصرف بی‌رویه پلاستیک‌های غیرقابل تجزیه است. امروزه، به کمک روش‌های زیست‌فناوری، تولید پلاستیک‌های قابل تجزیه با هزینه کمتر امکان‌پذیر شده است.
روش تولید پلاستیک‌های قابل تجزیه زیستی
این فرآیند با انتقال ژن‌های تولیدکننده بسیاری از مواد مربوط به پلاستیک‌های قابل تجزیه از باکتری‌ها به گیاهان انجام می‌شود. این روش موجب می‌شود که گیاهان بتوانند مواد زیست‌تجزیه‌پذیر را تولید کنند که جایگزین مناسبی برای پلاستیک‌های متداول و غیرقابل تجزیه محسوب می‌شوند.
پرسش‌های کلیدی درباره زیست‌فناوری
چگونه می‌توان از فناوری‌های زیستی برای بهبود زندگی انسان و حفظ محیط‌زیست استفاده کرد؟
آیا می‌توان با استفاده از این فناوری‌ها همه مشکلات بشر را حل کرد؟
انسان از نظر اخلاقی تا چه حد می‌تواند این فناوری‌ها را به کار گیرد؟
در این فصل، با این فناوری‌ها آشنا می‌شویم و در نهایت، می‌توانیم به بخشی از پرسش‌های مطرح‌شده درباره آنها پاسخ دهیم.
مهندسی ژنتیک و تولید دارو
تأثیر مهندسی ژنتیک بر تولید داروهای زیستی
جهش در یک ژن و تغییر در محصول آن می‌تواند منجر به بروز بیماری شود. یکی از نمونه‌های آن، اختلال در عملکرد و مقدار عوامل مؤثر در انعقاد خون است که منجر به افزایش نیاز بیماران به این ترکیبات شده و تأمین نیاز دارویی آنها را با مشکل مواجه می‌کند. یکی از راه‌های علمی برای پاسخ‌گویی به این نیاز، بهره‌گیری از روش‌های زیست‌فناوری و مهندسی ژنتیک است.
امروزه، زیست‌فناوری و مهندسی ژنتیک تحول بزرگی در تولید فرآورده‌های دارویی ایجاد کرده‌اند. تا چندی پیش، انتقال ژن‌های انسان به داخل یاخته‌های سایر موجودات زنده و یا استفاده از باکتری‌ها برای ساختن پروتئین‌های انسانی غیرقابل تصور بود. اما اکنون روش‌های لازم برای این انتقال توسعه یافته و کاربرد گسترده‌ای پیدا کرده است. امروزه با اصلاح ژنتیکی باکتری‌ها، می‌توان آنها را به منابعی برای تولید پروتئین‌های درمانی مانند هورمون رشد یا عوامل انعقادی تبدیل کرد.
استفاده از باکتری‌ها برای تولید پروتئین‌های انسانی
برای درک بهتر این فناوری، فرض کنید که می‌خواهیم باکتری را برای تولید هورمون رشد انسانی تغییر دهیم. در این فرآیند، ضرورت دارد تمام احتیاجات این فرایند در یاخته باکتری فراهم شود تا بتواند پروتئین مورد نظر را تولید کند. این فرآیند شامل انتقال ژن هورمون رشد انسانی به درون باکتری و تنظیم شرایط مناسب برای بیان آن در باکتری است.
زیست‌فناوری چیست؟
به‌طور کلی، هرگونه فعالیت هوشمندانه انسان در تولید و بهبود محصولات گوناگون با استفاده از موجودات زنده، زیست‌فناوری نام دارد. زیست‌فناوری دربرگیرنده روش‌هایی است که از ریزجانداران، گیاهان و جانوران برای تولید فرآورده‌های سودمند استفاده می‌کنند.
ویژگی‌های زیست‌فناوری
قلمرو گسترده: شامل روش‌هایی مانند مهندسی ژنتیک، مهندسی پروتئین و مهندسی بافت است.
دانش میان‌رشته‌ای: این فناوری از علوم علوم زیستی، فیزیک، ریاضیات و علوم مهندسی بهره می‌برد.
نقش در پیشرفت کشورها: کاربردهای فراوان زیست‌فناوری، آن را به عنوان نشانۀ پیشرفت کشورها در قرن حاضر و به یکی از ابزارهای مهم برای تأمین نیازهای متنوع تبدیل کرده است.
تاریخچه زیست‌فناوری
برای زیست‌فناوری، که از سال‌های بسیار دور آغاز شده است، سه دوره در نظر گرفته می‌شود:
۱. زیست‌فناوری سنتی
شامل تولید محصولات تخمیری مانند تولید سرکه، نان و فرآورده‌های لبنی با استفاده از فرایندهای زیستی است.
استفاده از روش‌های تخمیری برای تولید محصولات غذایی در این دوره رایج بود.
۲. زیست‌فناوری کلاسیک
در این دوره، استفاده از روش‌های تخمیر و کشت ریزجانداران (میکروارگانیسم‌ها) گسترش یافت.
تولید پادزیست‌ها (آنتی‌بیوتیک‌ها)، آنزیم‌ها و مواد غذایی در این دوره امکان‌پذیر شد.
برای نخستین‌بار، ریزجانداران در این دوره به‌طور مستقیم کشت داده شدند.
چه در دوران سنتی و چه کلاسیک، فرآیند تخمیر نقش کلیدی در تولیدات زیستی داشت.
کشت این موجودات میکروسکوپی، بستر لازم برای ساخت داروها و آنزیم‌های کاربردی را فراهم آورد.
۳. زیست‌فناوری نوین
این دوره با انتقال ژن از یک ریزجاندار به ریزجاندار دیگر آغاز شد.
دانشمندان توانستند با تغییر و اصلاح خصوصیات ریزجانداران، ترکیبات جدید را با مقادیر بیشتر و کارایی بالاتر تولید کنند.
برای نخستین‌بار، روش‌های مهندسی ژن در این مرحله برای انتقال صفات بین میکروارگانیسم‌ها به‌کار رفت.
پرورش ریزجانداران در دوره کلاسیک صورت گرفت و در دوره نوین نیز ادامه پیدا کرد.
فناوری نوین ژنتیکی، مسیر تولید داروهای پروتئینی و آنزیم‌های صنعتی را متحول کرد.
مقایسه دوره‌های سه‌گانه زیست‌فناوری
ویژگی | زیست‌فناوری سنتی | زیست‌فناوری کلاسیک | زیست‌فناوری نوین |
زمان آغاز | سال‌های بسیار دور | پس از دوره سنتی | با انتقال ژن |
اساس تکنولوژیک | فرآیندهای تخمیری طبیعی | گسترش تخمیر و کشت مستقیم ریزجانداران | انتقال و اصلاح ژن (مهندسی ژن) |
موجودات مورد استفاده | ریزجانداران (بدون کشت مستقیم) | ریزجانداران (با کشت مستقیم) | ریزجانداران (با اصلاح ژنتیکی) |
محصولات تولیدی | سرکه، نان، فرآورده‌های لبنی | پادزیست‌ها، آنزیم‌ها، مواد غذایی | ترکیبات جدید با مقادیر بیشتر و کارایی بالاتر (داروهای پروتئینی، آنزیم‌های صنعتی) |
نوآوری کلیدی | استفاده از فرآیند تخمیر | کشت مستقیم ریزجانداران | انتقال ژن و مهندسی ژن |
تداوم کشت ریزجانداران | - | بله | بله (پرورش ادامه یافت) |
مهندسی ژنتیک
یکی از روش‌های مؤثر در زیست‌فناوری نوین، مهندسی ژنتیک است. در این روش، قطعه‌ای از دنای یک یاخته توسط ناقل به یاخته‌ای دیگر انتقال می‌یابد. در نتیجه، یاخته دریافت‌کننده این قطعه دنا، دچار دست‌ورزی ژنتیکی شده و دارای صفت جدیدی می‌شود.
جانداران تغییر‌یافته ژنتیکی (تراژنی)
جانداری که از طریق مهندسی ژنتیک دارای ترکیب جدیدی از مواد ژنتیکی شده است، جاندار تغییر‌یافته ژنتیکی یا تراژنی نامیده می‌شود. این روش ابتدا روی باکتری‌ها انجام شد، اما با پیشرفت‌های بعدی، امکان دست‌ورزی ژنتیکی در سایر موجودات زنده مانند گیاهان و جانوران نیز فراهم شد.
ویژگی‌های جانداران تراژنی:
دارای ژن‌های جدیدی هستند که از گونه‌های دیگر به آنها منتقل شده است.
می‌توانند صفات مطلوبی مانند مقاومت در برابر آفات و بیماری‌ها یا افزایش محصول را کسب کنند.
در برخی موارد، این جانداران به دلیل تغییرات ژنتیکی می‌توانند اثراتی بر محیط‌زیست داشته باشند که باید مورد بررسی قرار گیرد.
مراحل ایجاد گیاهان زراعی تراژنی از طریق مهندسی ژنتیک
تعیین صفت یا صفات مطلوب: مشخص کردن ویژگی‌هایی که باید در گیاه بهبود یابد، مانند مقاومت در برابر آفات، تحمل به خشکی یا افزایش ارزش تغذیه‌ای.
استخراج ژن یا ژن‌های صفت موردنظر: یافتن و استخراج ژن‌هایی که مسئول ایجاد ویژگی مطلوب هستند.
آماده‌سازی و انتقال ژن به گیاه: الحاق ژن موردنظر به یاخته‌های گیاهی با استفاده از ناقل‌های ژنتیکی مانند پلازمیدها یا ویروس‌های مهندسی‌شده.
تولید گیاه تراژنی: رشد گیاهانی که ژن جدید را درون خود دارند و نمایش دادن صفات مطلوب.
بررسی دقیق ایمنی زیستی و اثبات بی‌خطر بودن برای سلامت انسان و محیط‌زیست: ارزیابی اثرات احتمالی گیاه تراژنی بر طبیعت و سلامت مصرف‌کنندگان، شامل بررسی تغییرات سوخت‌وسازی و احتمال ایجاد آلرژی‌ها.
تکثیر و کشت گیاه تراژنی با رعایت اصول ایمنی زیستی: تولید انبوه و کشت تجاری گیاهان تراژنی در شرایط کنترل‌شده، همراه با نظارت دقیق بر اثرات احتمالی این محصولات در محیط طبیعی.
کنترل ایمنی زیستی در این فناوری بسیار حیاتی است، زیرا باید اطمینان حاصل شود که چنین گیاهانی به سلامت انسان و محیط زیست آسیب نمی‌زنند. علاوه بر این، در بسیاری از کشورها مقررات سخت‌گیرانه‌ای برای کشت و مصرف محصولات تراژنی وجود دارد که رعایت آنها ضروری است.
شکل 1 - تولید یک گیاه تراژنی
مراحل تولید گیاهان زراعی تراژنی
مرحله | هدف اصلی | فعالیت‌های کلیدی | نمونه‌ای از صفت مطلوب |
۱. تعیین صفات مطلوب | مشخص کردن ویژگی‌های قابل بهبود | انتخاب صفاتی مانند مقاومت یا ارزش تغذیه‌ای | مقاومت به خشکی |
۲. استخراج ژن | جداسازی ژن مسئول صفت | یافتن و استخراج ژن مربوطه | ژن تولید پروتئین مقاوم به آفت |
۳. انتقال ژن | ورود ژن به سلول گیاهی | استفاده از ناقل‌هایی مانند پلازمیدها یا ویروس‌ها | انتقال ژن مقاومت به علف‌کش |
۴. تولید گیاه تراژنی | پرورش گیاه حاوی ژن جدید | رشد گیاهان با ژن منتقل‌شده | تولید گندم با ارزش غذایی بالاتر |
۵. بررسی ایمنی زیستی | ارزیابی اثرات بر سلامت و محیط‌زیست | بررسی تغییرات متابولیکی و آلرژی‌زا بودن | ارزیابی اثر ژن بر باکتری‌های خاک |
۶. تکثیر و کشت | تولید انبوه و تجاری‌سازی | کشت در شرایط کنترل‌شده و نظارت دقیق | کشت وسیع برنج طلایی |
مراحل عملی ساخت دنای نوترکیب
مراحل مهندسی ژنتیک
یکی از اهداف مهندسی ژنتیک، تولید انبوه ژن و فرآورده‌های آن است. این فرآیند از طریق همسانه‌سازی دنا انجام می‌شود. جداسازی یک یا چند ژن و تکثیر آنها را همسانه‌سازی دنا می‌نامند. در این فرآیند، ماده وراثتی با ابزارهای مختلفی در خارج از یاخته تهیه و به‌وسیله یک ناقل همسانه‌سازی به درون ژنوم میزبان منتقل می‌شود.
هدف از این فرآیند:
تولید مقادیر زیادی از دنای خالص
استفاده از دنا برای دست‌ورزی ژنتیکی، تولید یک ماده خاص یا مطالعه علمی
تولید پروتئین‌های خاص در مقیاس انبوه از طریق همسانه‌سازی ژن‌های مربوطه
برای این منظور، مراحل زیر انجام می‌شود:
1. جداسازی قطعه‌ای از دنا
این کار به‌وسیله آنزیم‌های برش‌دهنده انجام می‌شود.
این آنزیم‌ها در باکتری‌ها وجود دارند و بخشی از سامانه دفاعی آنها محسوب می‌شوند.
اولین مرحله از همسانه‌سازی دنا، جداسازی ژن‌های موردنظر با استفاده از این آنزیم‌ها است.
نقش آنزیم‌های برش‌دهنده در جداسازی ژن‌ها
این آنزیم‌ها توالی‌های خاصی از دنا را تشخیص داده و برش می‌دهند.
به این توالی‌ها، جایگاه تشخیص آنزیم گفته می‌شود.
همانطور که از فصل 1 به خاطر دارید، آنزیم‌هایی مانند دنابسپاراز نیز می‌توانند پیوندهای فسفودی‌استر را بشکنند.
مثال: آنزیم EcoR1
این آنزیم توالی خاصی از 6 جفت نوکلئوتیدی را شناسایی و برش می‌دهد. به این توالی جایگاه تشخیص آنزیم گفته می‌شود.
در جایگاه تشخیص آنزیم EcoR1، توالی نوکلئوتیدهای هر دو رشته دنا از دو سمت مخالف یکسان خوانده می‌شود.
آنزیم EcoR1 پیوند فسفودی‌استر بین نوکلئوتیدهای گوانین و آدنین را در هر دو رشته برش می‌زند.
در نتیجه فعالیت آنزیم برش‌دهنده در مهندسی ژنتیک، انتهایی از مولکول دنا ایجاد می‌شود که یک رشته آن بلندتر از رشته مقابل است و به آن انتهای چسبنده می‌گویند.
برخی آنزیم‌های برش‌دهنده، انتهای صاف ایجاد می‌کنند که اتصال آنها به دنای هدف دشوارتر است.
شکل 2 - برش مولکول دنا توسط آنزیم EcoR1
ایجاد انتهای چسبنده در دنا توسط آنزیم EcoR1
پس از برش پیوند فسفودی‌استر بین نوکلئوتید گوانین‌دار و نوکلئوتید آدنین‌دار، انتهایی از مولکول دنا ایجاد می‌شود که یک رشته آن بلندتر از رشته مقابل است؛ به این نوع انتها، انتهای چسبنده گفته می‌شود.
برای تشکیل انتهای چسبنده از مولکول دنا، علاوه بر پیوندهای فسفودی‌استر، پیوندهای هیدروژنی بین دو رشته دنا نیز در منطقه تشخیص شکسته می‌شوند.
وجود این انتهای چسبنده باعث تسهیل اتصال قطعات دنا با ناقل‌های همسانه‌سازی می‌شود.
تبدیل دنا به قطعات کوتاه‌تر و جداسازی آنها
استفاده از آنزیم‌های برش‌دهنده، دنا را به قطعات کوتاه‌تر تبدیل می‌کند.
این قطعات را با روش‌های خاصی جدا می‌کنند و تشخیص می‌دهند.
جداسازی این قطعات با استفاده از روش‌های متفاوتی انجام می‌شود که امکان شناسایی و بررسی قطعات دنا را فراهم می‌کند.
2. اتصال قطعه دنا به ناقل و تشکیل دنای نوترکیب
ناقل‌های همسانه‌سازی
در مرحله بعدی همسانه‌سازی دنا، قطعه دنای جداسازی‌شده باید به ناقل همسانه‌سازی متصل شود.
ناقل‌ها توالی‌های دنایی هستند که در خارج از فام‌تن (کروموزوم) اصلی قرار دارند و می‌توانند مستقل از آن تکثیر شوند.
یکی از این ناقل‌ها، دیسک (پلازمید) حلقوی باکتری است. این نوع دیسک یک مولکول دنا دو رشته‌ای و خارج فام‌تنی است که معمولاً در باکتری‌ها و برخی قارچ‌ها مانند مخمرها وجود دارد و می‌تواند مستقل از ژنوم میزبان همانندسازی کند.
ویژگی‌های دیسک‌ها (پلازمیدها) به‌عنوان ناقل:
دیسک‌ها را فام‌تن‌های کمکی نیز می‌نامند، زیرا حاوی ژن‌هایی هستند که در فام‌تن اصلی باکتری وجود ندارند.
مثلاً ژن مقاومت به پادزیست (آنتی‌بیوتیک) در دیسک قرار دارد.
در صورت انتقال قطعه دنا موردنظر به دیسک و ورود آن به یاخته میزبان، این دنا با هر بار همانندسازی دیسک، همانندسازی می‌شود.
بسیاری از دیسک‌ها دارای ژن‌های مقاومت به پادزیست هستند که این ژن‌ها به باکتری این توانایی را می‌دهند که پادزیست‌ها را به مواد غیرکشنده و قابل استفاده برای خود تبدیل کند.
برخلاف فام‌تن اصلی باکتری که به غشا متصل است، دیسک به غشا متصل نیست.
دیسک‌ها نقش مهمی در انتقال ژن‌ها و ایجاد مقاومت دارویی در باکتری‌ها دارند.
دیسک‌ها دارای جایگاه‌های تشخیصی ویژه برای آنزیم‌های برش‌دهنده هستند که امکان وارد کردن ژن‌های خارجی را فراهم می‌کند.
در برخی موارد، دیسک‌ها می‌توانند بین باکتری‌های مختلف تبادل شوند و ویژگی‌های ژنتیکی جدیدی را به آنها منتقل کنند.
بسیاری از دیسک‌ها دارای ژن مقاومت به پادزیست هستند و این ویژگی در مهندسی ژنتیک و تحقیقات مرتبط با انتقال ژن‌ها به باکتری‌های مختلف اهمیت زیادی دارد.
شکل 3 - طرح ساده‌ای از دیسَک و یک ژن خارجی
نکته مهم در انتخاب دیسک مناسب:
استفاده از دیسکی که تنها یک جایگاه تشخیص برای آنزیم برش‌دهنده داشته باشد، بهتر است.
زیرا اگر دیسک بیش از یک جایگاه تشخیص داشته باشد، به چند قطعه تقسیم می‌شود که موجب اختلال در فرایند همسانه‌سازی می‌شود.