آشنایی با بیوتکنولوژی و کلونینگ ژن

به گزارش «سرویس آموزشی» «ماکی دام – پایگاه خبری صنعت دام، طیور و آبزیان»؛ ما اکنون در آستانه سومین انقلاب صنعتی یا همان انقلاب ژنتیکی قرار داریم. توسعه فن‌آوری‌های اخیر در زمینه بیولوژی ملکولی مهندسی ژنتیک را به ارمغان آورده که ره‌آورد آن ایجاد تغییرات مستقیم در ژن‌ها و تعیین شکل و عمل موجودات زنده به دلخواه ما می‌باشد.

البته گیاهان و حیوانات ازطریق روش‌های انتخاب طبیعی و اصلاح نژاد چندین قرن مورد بررسی قرار گرفته‌اند تا نژادهای جدید و مفید برای انسان تولید کنند اما تعیین بهترین‌ها از طریق اصلاح سنتی، روندی بسیار کند داشته و به دسته‌ای از موجودات که قادر به انجام تولیدمثل جنسی هستند، محدود می‌شود.

اما در فن‌آوری جدید، مستقیماً با ماده ژنتیکی سرو کار داریم بنابراین به‌راحتی می‌توان تغییرات و دگرگونی موردنظر را انجام داد و آنرا به نسل‌های بعد منتقل کرد.

تلاش‌های فراوان دانشمندان از زمان مندل (۱۸۸۲ میلادی) به بعد ثابت کرد که اساسا موجودات زنده را به‌عنوان دستگاه‌های زنده ترانسفورم‌کننده‌ای بدانیم که برنامه آنها توسط ژن‌ها تعیین می‌شود و این مفهوم منجر به پیدایش این عقیده شده است که اگر فن‌آوری مناسبی تدبیر شود، این امکان وجود دارد که ژن‌ها به گونه‌ای بازآرایی شوند تا خصوصیات موجودات زنده را به‌نحو مشخص و مطلوب تغییر دهند.

این فن‌آوری همان نوترکیبی Recombinant DNA technology) DNA) است و از آن جهت که شامل آزمایش‌های وسیعی است که در آن انتقال اطلاعات ژنتیکی از یک ارگانیزم به دیگری صورت می‌گیرد، “مولکولار کلونینگ” یا “ژن کلونینگ” نیز گفته می‌شود.

در این‌جا سعی شده تا به اختصار شما را با مفهوم کلونینگ و نحوه انجام و کاربردهای آن آشنا سازیم؛

چگونگی فرآیند کلونینگ

کلون کردن را می‌توان به‌عنوان تولید چندین رونوشت یکسان از یک ژن تعریف کرد که اساسا در چند مرحله انجام می‌گیرد :

1- استخراج ماده ژنتیکی: ابتدا ماده ژنتیکی دارای ژن موردنظر را از دیگر اجزای سلولی جدا کرده و خالص می‌سازیم.

۲- شکستن DNA: بعد از استخراج معمولا DNA را توسط آنزیم‌های برش‌دهنده (Restriction Endonuclease) طوری برش می‌دهیم که قطعات DNA با دو انتهای مشخص به‌دست آید.

بدین ترتیب DNA هدف نیز به‌صورت قطعه‌ای با دو انتهای مشخص درآمده و می‌توان آنرا با DNA حامل “Vector” پیوند زد.

٣- انتقال DNA هدف: حاملین DNA یا وکتورها جهت انتقال DNA هدف استفاده می‌شوند. وکتورها خود دارای DNA می‌باشند و پس از اتصال DNA هدف به آنها، آنرا به داخل سلول پذیرنده موردنظر باکتری – مخمر – سلول گیاهی یا جانوری) حمل می‌کنند.

بدین صورت که هم وکتور و هم DNA هدف توسط آنزیم مشابهی تحت هضم آنزیمی قرار گرفته و دارای انتها‌های مشابه و مکمل می‌شوند و سپس به کمک آنزیم پیونددهنده‌ای بنام DNA لیگاز اتصال DNA هدف به وکتور صورت گرفته و درنتیجه وکتوری حلقوی بدست می‌آید که حاوی ژن مورد نظر است.

وکتورها مهمترین ابزار بیوتکنولوژی هستند و انواع مختلفی مانند پلاسمید، کاسمید، فاژمید، ترانسپوزون و غیره دارند.

۴- وارد کردن DNA نوترکیب به داخل سلول موردنظر (مثلا باکتری): درصورت ورود وکتور بداخل سلول، ماشین سلولی این قابلیت را خواهد داشت که با استفاده از اطلاعات ژنتیکی منتقل شده توسط وکتور نوترکیب، محصول ژن مورد نظر را تولید نماید.

ورود  DNAنوترکیب بداخل سلول میزبان با استفاده از شوک حرارتی یا جریان الکتریکی صورت می‌گیرد. در حال حاضر توسط دستگاه “electroporation” با اعمال یک پالس الکتریکی با ولتاژ بالا به مخلوط مولکول‌های DNA نوترکیب و سلول‌های پذیرنده سلول را مجبور به جذب DNA نوترکیب خارجی می‌کنند.

۵- انتخاب ترانسفورمانت‌ها و تفکیک نوترکیب‌ها: در بهترین حالت نیز اکثر سلول‌ها DNA جدید را کسب نمی‌کنند یا DNA وارد سلول شده اما وارد ژنوم آنها نمی‌شوند. بنابراین باید توسط روش‌هایی، سلول‌هایی را که DNA هدف وارد ژنوم آنها شده شناسایی و از دیگر سلول‌ها تفکیک کرد.

این عمل توسط مارکرهای مولکولی صورت می‌گیرد. یکی از این مارکرها ژن مقاومت در مقابل آنتی‌بیوتیک‌ها می‌باشد. بطور مثال باکتری میزبان در حالت طبیعی به آنتی‌بیوتیک آمپی‌سیلین حساس بوده و قادر به رشد در محیط کشت حاوی آمپی‌سیلین نمی‌باشد، اما در صورتی‌که ژن مقاومت به درون سلول راه یابد باکتری میتواند در محیط حاوی آنتی‌بیوتیک رشد نماید.

این پدیده به کمک وکتور نوترکیب صورت می‌گیرد که علاوه بر ژنی که کلون نموده‌ایم حاوی ژن مقاومت به آمپی‌سیلین نیز می‌باشد. و با ورود وکتور به سلول آنرا به آنتی‌بیوتیک مقاوم ساخته و ما با شاخص مقاومت به آمپی‌سیلین به انتقال ژن پی می‌بریم و با تکثیر این سلول‌ها می‌توان به اهداف کلونینگ دست یافت.

کاربردهای کلونینگ

امروزه از کلونینگ در موارد مختلفی سود می‌برند که در اینجا به نمونه‌هایی از آن اشاره می‌گردد:

1- کلونینگ در بخش صنعت و بیوتکنولوژی: برای تولید آنزیم‌های آمیلاز (در صنایع نانوایی)، کیموزین (یا رنین در صنایع پنیرسازی)، پاپایین (برای ترد کردن گوشت در صنایع غذایی)، پکتیناز (جهت تهیه نوشابه‌ها و آب‌میوه‌ها) وصدها ماده دیگر از این فن‌آوری استفاده می‌شود.

از آنجا که این محصولات توسط باکتری‌های حاوی ژن کلون شده تولید می‌شوند با تکثیر این باکتری‌ها (اغلب E.coli) با محیط کشت‌های ارزان قیمت می‌توان محصول را به روش بیوتکنولوژی نسبت به روش‌های صناعی (سنتتیک) یا استخراج از منابع حیوانی و گیاهی، با کیفیت بهتر و به مقدار بیشتر و بسیار ارزان‌تر تولید کرد.

٢- کاربرد کلونینگ در پزشکی و صنایع وابسته به آن نیز بسیار زیاد است. ازجمله کاربردهای این فن‌آوری در پزشکی، تولید هورمون‌ها و آنزیم‌های درمانی می‌باشد.

مثلا تولید انسولین جهت استفاده بیماران دیابتی، هورمون رشد، در بیماری‌های نقص تولید این هورمون مثل نانيسم، آنزیم‌هایی مانند فعال‌کننده پلاسمینوژن بافتی “TPA” (در درمان سکته‌های قلبی و همچنین برای حل کردن لخته‌های خونی)، کوفاکتورهایی مثل فاکتور IX و VIII در واکنش‌های انعقاد خون (جهت درمان بیماران هموفیلی ونقص انعقادی) و موارد دیگری که استخراج آنها از منابع حیوانی وانسانی دشوار و گاهی غیرممکن است.

همچنین در تولید آنتی‌بیوتیک‌های جدیدی که تا حدامکان نسبت به آنها مقاومت حاصل نشود، مثلا تولید آنتی‌بیوتیکmederhodin  که در اثر تداخل ژن‌های سازنده چند آنتی‌بیوتیک مختلف ازجمله mederomycin به‌دست آمده است.

از دیگر کاربردهای کلونینگ، ژن درمانی است. ژن درمانی انتقال ماده ژنتیکی جدید و اصلاح شده به سلول‌ها جهت مقاصد درمانی است مثلا بیماری‌های ژنتیکی همچون سیستیک فیبروزیز، نقص آدنوزین دآمیناز در لنفوسیت‌های T (در بیماران نقص ایمنی) و نقص رسپتور LDL (در بیماران هایپرکلسترولمی خانوادگی) و بعضی بیمارهای غیر ژنتیکی نظیر ایدز- سرطان و بیماری‌های قلبی عروقی نیز استفاده می‌شود.

اخیرا از ژن درمانی در جهت اصلاح نژاد و مقاومت به بیماری‌های خاص نیز بهره می‌برند. از سوی دیگر، فن‌آوری کلونینگ در تولید واکسن‌های جدید نیز به کمک ما آمده و تحول عظیمی در این زمینه ایجاد کرده است.

برای مثال ایمن‌سازی علیه بعضی ویروس‌ها مثل هپاتیت B، و ویروس سین‌سی‌شیال تنفسی که امکان رشد ویروس در محیط کشت‌های معمول و ساخت واکسن به روش متداول وجود ندارند، به کمک کلونینگ فراهم آمده به‌طوری که از کلون کردن ژن Hbs Ag در پلاسمید مخمر و سپس بیان این ژن در مخمر وترشح آنتی ژن ۲۲ نانومتری هپاتیت B واکسنی تولید گردید که بخوبی انسان را نسبت به هپاتیت B ایمن می‌کند.

همچنین در تولید واکسن‌های cassette که با کمک ویروس واکسنیای گاوی تولید می‌شود، این ویروس که حاوی DNA بزرگی است با کلون کردن همزمان چندین ژن مربوط به بیماری‌های مختلف برای ایجاد این‌گونه واکسن‌ها کاربرد دارد و بدین‌سان می‌توان با یک بار واکسیناسیون، فرد را نسبت به چندین بیماری ایمن کرد.

۳- کلونینگ در کشاورزی نیز بسیاری از غیرممکن‌ها را ممکن ساخته است. کلونینگ از تولید گیاهان اصلاح شده با توانایی‌های خاص مثل انتقال توانایی تثبیت ازت از باکتری به گیاه (جهت رشد گیاه در هر خاکی بدون نیاز به کود شیمیایی) گرفته تا تولید گیاهانی که به‌طور طبیعی حشره‌کش تولید و از خود متصاعد می‌کنند با انتقال ژن کدکننده توکسین حشره‌کش از باکتری Bacillus thuringiensis به کمک ما آمده است.

همچنین در تولید گندم‌هایی با ارزش غذایی بالاتر و پروتئین‌های بیشتر، گوجه‌فرنگی‌هایی که ریشه سیب‌زمینی داشته باشند و هندوانه‌هایی مستطیل شکل که حمل ونقلشان راحت‌تر باشد، کاربرد دارد.

۴- ژن کلونینگ در صنعت تولید دام و طیور نیز تحول فوق‌العاده‌ای ایجاد کرده است و افق‌های جدیدی پیش‌رو قرار داده است، بطوری‌که علاوه بر اصلاح نژاد و بالابردن کیفیت تولید، با کلون کردن ژن بعضی واکسن‌ها و داروها در حیواناتی مانند گاو می‌توان این مواد را مثلا در شیر آنها تولید کرد و حیوانات را به کارخانه‌های زنده‌ای تبدیل کرد که مواد بیولوژیک را با قیمت پایین‌تر، فراوان‌تر و برای مدت طولانی تولید کنند.

اما سؤال اینجاست که بشر در این رابطه تا چه حد می‌تواند به پیش برود و آیا انسان با دخالت در ژن‌ها چه عوارض و مسائلی را برای آینده حیات خود و سراسر دنیا ایجاد خواهد کرد. در مقالات آینده بیشتر به کاربردهای کلونینگ در حیوانات و انسان وعقاید دانشمندان مختلف در این زمینه خواهیم پرداخت.


مریم ترابی (کارشناس آزمایشگاه، اداره کل دامپزشکی خراسان)

دیدگاه‌ خود را بنویسید

در حال اعتبار سنجی لطفا منتظر بمانید ...