التكنولوجيا الحيوية والهندسة الوراثية: نظرة عامة

التكنولوجيا الحيوية هو مجال علوم الحياة الذي يستخدم الكائنات الحية والأنظمة البيولوجية لإنشاء كائنات معدلة أو جديدة أو منتجات مفيدة. أحد المكونات الرئيسية للتكنولوجيا الحيوية هو الهندسة الوراثية.

المفهوم الشائع للتكنولوجيا الحيوية هو أحد التجارب التي تحدث في المختبرات والمتطورة التطورات الصناعية ، ولكن التكنولوجيا الحيوية أكثر اندماجًا في الحياة اليومية لمعظم الناس منها يبدو.

اللقاحات التي تحصل عليها ، وصلصة الصويا ، والجبن والخبز الذي تشتريه من البقالة ، والبلاستيك في حياتك اليومية البيئة ، والملابس القطنية المقاومة للتجاعيد ، والتنظيف بعد أنباء الانسكابات النفطية وغير ذلك ، كلها أمثلة على التكنولوجيا الحيوية. إنهم جميعًا "يستخدمون" ميكروبات حية لإنشاء منتج.

حتى فحص الدم لمرض لايم أو العلاج الكيميائي لسرطان الثدي أو حقن الأنسولين قد يكون نتيجة للتكنولوجيا الحيوية.

TL ؛ DR (طويل جدًا ؛ لم أقرأ)

تعتمد التكنولوجيا الحيوية على مجال الهندسة الوراثية ، الذي يعدل الحمض النووي لتغيير الوظيفة أو السمات الأخرى للكائنات الحية.

الأمثلة المبكرة على ذلك هي التربية الانتقائية للنباتات والحيوانات منذ آلاف السنين. اليوم ، يقوم العلماء بتحرير أو نقل الحمض النووي من نوع إلى آخر. تسخر التكنولوجيا الحيوية هذه العمليات لمجموعة متنوعة من الصناعات ، بما في ذلك الطب والأغذية والزراعة والتصنيع والوقود الحيوي.

لن تكون التكنولوجيا الحيوية ممكنة بدونها الهندسة الوراثية. بالمصطلحات الحديثة ، تعالج هذه العملية المعلومات الجينية للخلايا باستخدام تقنيات معملية من أجل تغيير سمات الكائنات الحية.

قد يستخدم العلماء الهندسة الوراثية لتغيير الطريقة التي يبدو بها الكائن الحي أو يتصرف أو يعمل أو يتفاعل مع مواد أو محفزات معينة في بيئته. الهندسة الوراثية ممكنة في جميع الخلايا الحية ؛ وهذا يشمل الكائنات الدقيقة مثل البكتيريا والخلايا الفردية للكائنات متعددة الخلايا ، مثل النباتات والحيوانات. حتى ال الجينات البشرية يمكن تحريرها باستخدام هذه التقنيات.

في بعض الأحيان ، يغير العلماء المعلومات الجينية في الخلية عن طريق تغيير جيناتها مباشرة. في حالات أخرى ، يتم زرع قطع من الحمض النووي من كائن حي في خلايا كائن حي آخر. تسمى الخلايا الهجينة الجديدة المعدلة وراثيا.

قد تبدو الهندسة الوراثية بمثابة تقدم تكنولوجي حديث للغاية ، لكنها مستخدمة منذ عقود ، في العديد من المجالات. في الواقع ، تعود جذور الهندسة الوراثية الحديثة إلى الممارسات البشرية القديمة التي حددها تشارلز داروين لأول مرة الانتقاء الاصطناعي.

الانتقاء الاصطناعي ، والذي يسمى أيضًا التربية الانتقائية، هي طريقة لاختيار أزواج التزاوج عمدًا للنباتات أو الحيوانات أو الكائنات الحية الأخرى بناءً على الصفات المرغوبة. والسبب في القيام بذلك هو تكوين نسل بهذه الصفات ، وتكرار العملية مع الأجيال القادمة لتقوية السمات تدريجياً في السكان.

على الرغم من أن الاختيار الاصطناعي لا يتطلب الفحص المجهري أو غيرها من معدات المختبرات المتقدمة ، إلا أنه شكل فعال من أشكال الهندسة الوراثية على الرغم من أنها بدأت كأسلوب قديم ، إلا أن البشر ما زالوا يستخدمونها حتى اليوم.

تشمل الأمثلة الشائعة ما يلي:

• تربية الماشية.
• إنشاء أصناف الزهور.
• تربية الحيوانات ، مثل القوارض أو الرئيسيات ، مع سمات محددة مرغوبة مثل القابلية للإصابة بالأمراض للدراسات البحثية.

أول مثال معروف على انخراط البشر في الانتقاء الاصطناعي للكائن الحي هو صعود كانيس الذئبة المألوفة، أو كما هو معروف أكثر ، الكلب. منذ حوالي 32000 عام ، عاش البشر في منطقة شرق آسيا التي تُعرف الآن بالصين في مجموعات من الصيادين والجامعين. تتبع الذئاب البرية الجماعات البشرية وتنقب الجثث التي تركها الصيادون وراءهم.

يعتقد العلماء أنه من المرجح أن البشر سمحوا فقط للذئاب المطيعة التي لم تكن تشكل تهديدًا على الحياة. وبهذه الطريقة ، بدأ تفرّع الكلاب من الذئاب بالاختيار الذاتي ، كأفراد يتمتعون بهذه السمة الذي سمح لهم بالتسامح مع وجود البشر أصبحوا رفقاء مستأنسون ل الصيادين.

في نهاية المطاف ، بدأ البشر في التدجين عن قصد ثم تربية أجيال من الكلاب للحصول على الصفات المرغوبة ، لا سيما قابلية الانقياد. أصبحت الكلاب رفقاء مخلصين وقائيين للبشر. على مدى آلاف السنين ، قام البشر بتربيتها بشكل انتقائي لصفات معينة مثل طول المعطف ولونه وحجم العين وطول الأنف وحجم الجسم والتخلص والمزيد.

تضم الذئاب البرية في شرق آسيا منذ 32000 عام والتي انقسمت قبل 32000 عام إلى كلاب ما يقرب من 350 سلالة مختلفة من الكلاب. ترتبط هذه الكلاب المبكرة ارتباطًا وثيقًا وراثيًا بالكلاب الحديثة التي تسمى الكلاب الأصلية الصينية.

كما تجلى الانتقاء الاصطناعي بطرق أخرى في الثقافات البشرية القديمة أيضًا. مع انتقال البشر نحو المجتمعات الزراعية ، استخدموا الانتقاء الاصطناعي مع عدد متزايد من الأنواع النباتية والحيوانية.

قاموا بتدجين الحيوانات عن طريق تكاثرها جيلًا بعد جيل ، وتزاوجوا فقط النسل الذي أظهر الصفات المرغوبة. هذه الصفات تعتمد على الغرض من الحيوان. على سبيل المثال ، تُستخدم الخيول المستأنسة الحديثة بشكل شائع في العديد من الثقافات كوسيلة للنقل وكحزم حيوانات ، وهي جزء من مجموعة من الحيوانات تسمى عادةً الوحوش من الحمل.

لذلك ، فإن السمات التي ربما يبحث عنها مربو الخيول هي الانقياد والقوة ، فضلاً عن المتانة في البرودة أو الحرارة ، والقدرة على التكاثر في الأسر.

استخدمت المجتمعات القديمة الهندسة الوراثية بطرق أخرى غير الانتقاء الاصطناعي أيضًا. قبل 6000 عام ، استخدم المصريون الخميرة لتخمير الخبز والخميرة المخمرة لصنع النبيذ والبيرة.

تحدث الهندسة الوراثية الحديثة في المختبر بدلاً من التربية الانتقائية ، لأن الجينات كذلك نسخها ونقلها من قطعة واحدة من الحمض النووي إلى آخر ، أو من خلية كائن حي إلى خلية كائن حي آخر الحمض النووي. هذا يعتمد على حلقة من الحمض النووي تسمى أ بلازميد.

البلازميدات توجد في الخلايا البكتيرية والخميرة ، وهي منفصلة عن الكروموسومات. على الرغم من أن كلاهما يحتوي على DNA ، إلا أن البلازميدات ليست ضرورية للخلية لتعيش. بينما تحتوي الكروموسومات البكتيرية على آلاف الجينات ، فإن البلازميدات تحتوي فقط على عدد الجينات الذي يمكن الاعتماد عليه في يد واحدة. هذا يجعلها أسهل بكثير في المعالجة والتحليل.

الاكتشاف في الستينيات من القرن الماضي نوكليازات تقييد، المعروف أيضًا باسم أنزيمات التقييد، أدى إلى طفرة في تحرير الجينات. تقطع هذه الإنزيمات الحمض النووي في مواقع محددة في سلسلة قاعده ازواج.

أزواج القاعدة هي المستعبدين النيوكليوتيدات التي تشكل خيط الحمض النووي. اعتمادًا على أنواع البكتيريا ، سيتم تخصيص إنزيم التقييد للتعرف على التسلسلات المختلفة للأزواج القاعدية وقطعها.

محتوى ذو صلة: تعريف علم الأحياء الجزيئي

اكتشف العلماء أنهم كانوا قادرين على استخدام إنزيمات التقييد لقطع أجزاء من حلقات البلازميد. ثم تمكنوا من إدخال الحمض النووي من مصدر مختلف.

يسمى إنزيم آخر ligase DNA يربط الحمض النووي الغريب بالبلازميد الأصلي في الفجوة الفارغة التي خلفها تسلسل الحمض النووي المفقود. والنتيجة النهائية لهذه العملية هي بلازميد بجزء جيني غريب يسمى أ المتجه.

إذا كان مصدر الحمض النووي من نوع مختلف ، يسمى البلازميد الجديد الحمض النووي معاد التركيب، أو أ الوهم. بمجرد إعادة إدخال البلازميد في الخلية البكتيرية ، يتم التعبير عن الجينات الجديدة كما لو كانت البكتيريا تمتلك دائمًا هذا التركيب الجيني. مع تكاثر البكتيريا وتكاثرها ، سيتم أيضًا نسخ الجين.

إذا كان الهدف هو إدخال الحمض النووي الجديد في خلية كائن ما ليس بكتيريا ، فهناك حاجة إلى تقنيات مختلفة. واحد من هؤلاء هو بندقية الجينات، الذي ينفجر جزيئات صغيرة جدًا من عناصر معدنية ثقيلة مغلفة بالحمض النووي المؤتلف في الأنسجة النباتية أو الحيوانية.

تتطلب تقنيتان أخريان تسخير قوة عمليات الأمراض المعدية. سلالة بكتيرية تسمى أغروباكتريوم توميفاسيانز يصيب النباتات ، مما يتسبب في نمو الأورام في النبات. يقوم العلماء بإزالة الجينات المسببة للأمراض من البلازميد المسؤول عن الأورام ، والتي تسمى تي، أو البلازميد المحفز للورم. إنهم يستبدلون هذه الجينات بأي جينات يريدون نقلها إلى النبات حتى يصاب النبات بالحمض النووي المرغوب فيه.

محتوى ذو صلة: بيولوجيا الخلية: نظرة عامة على الخلايا بدائية النواة وحقيقية النواة

غالبًا ما تغزو الفيروسات الخلايا الأخرى ، من البكتيريا إلى الخلايا البشرية ، وتقوم بإدخال الحمض النووي الخاص بها. أ ناقلات فيروسية يستخدمه العلماء لنقل الحمض النووي إلى خلية نباتية أو حيوانية. تتم إزالة الجينات المسببة للمرض واستبدالها بالجينات المرغوبة ، والتي قد تشمل الجينات الواسمة للإشارة إلى حدوث النقل.

كان أول مثال على التعديل الوراثي الحديث في عام 1973 ، عندما نقل هربرت بوير وستانلي كوهين جينًا من سلالة من البكتيريا إلى سلالة أخرى. الجين المشفر لمقاومة المضادات الحيوية.

في العام التالي ، أنشأ العلماء أول مثال لحيوان معدل وراثيًا ، عندما نجح رودولف جانيش وبياتريس مينتز في إدخال الحمض النووي الغريب في أجنة الفئران.

بدأ العلماء في تطبيق الهندسة الوراثية على مجال واسع من الكائنات الحية ، لعدد متزايد من التقنيات الجديدة. على سبيل المثال ، قاموا بتطوير نباتات ذات مقاومة لمبيدات الأعشاب حتى يتمكن المزارعون من رش الأعشاب الضارة دون الإضرار بمحاصيلهم.

قاموا أيضًا بتعديل الأطعمة ، وخاصة الخضار والفواكه ، بحيث تنمو بشكل أكبر وتستمر لفترة أطول من أبناء عمومتها غير المعدلين.

الهندسة الوراثية هي أساس التكنولوجيا الحيوية ، لأن صناعة التكنولوجيا الحيوية ، بشكل عام ، هي مجال واسع يتضمن الاستفادة من الأنواع الحية الأخرى لتلبية احتياجات البشر.

كان أسلافك منذ آلاف السنين الذين كانوا يقومون بتربية الكلاب بشكل انتقائي أو محاصيل معينة يستخدمون التكنولوجيا الحيوية. وكذلك الحال بالنسبة للمزارعين في العصر الحديث ومربي الكلاب ، وكذلك الحال بالنسبة لأي مخبز أو مصنع نبيذ.

محتوى ذو صلة: كيفية الاتصال بممثلك بخصوص تغير المناخ

تستخدم التكنولوجيا الحيوية الصناعية لمصادر الوقود ؛ هذا هو المكان الذي نشأ فيه مصطلح "الوقود الحيوي". تستهلك الكائنات الدقيقة الدهون وتحولها إلى إيثانول ، وهو مصدر وقود قابل للاستهلاك.

تُستخدم الإنزيمات لإنتاج مواد كيميائية ذات نفايات وتكلفة أقل من الطرق التقليدية ، أو لتنظيف عمليات التصنيع عن طريق تكسير المنتجات الثانوية الكيميائية.

من علاجات الخلايا الجذعية إلى اختبارات الدم المحسّنة إلى مجموعة متنوعة من الأدوية ، تم تغيير وجه الرعاية الصحية من خلال التكنولوجيا الحيوية. تستخدم شركات التكنولوجيا الحيوية الطبية الميكروبات لإنتاج أدوية جديدة ، مثل الأجسام المضادة وحيدة النسيلة (تستخدم هذه الأدوية لعلاج مجموعة متنوعة من الحالات ، بما في ذلك السرطان) والمضادات الحيوية واللقاحات والهرمونات.

كان التقدم الطبي الكبير هو تطوير عملية لإنتاج الأنسولين الاصطناعي بمساعدة الهندسة الوراثية والميكروبات. يتم إدخال الحمض النووي للأنسولين البشري في البكتيريا ، والتي تتكاثر وتنمو وتنتج الأنسولين ، حتى يمكن جمع الأنسولين وتنقيته.

في عام 1991 ، استخدم Ingo Potrykus أبحاث التكنولوجيا الحيوية الزراعية لتطوير نوع من الأرز المدعم بالبيتا كاروتين ، والذي يستخدمه الجسم يتحول إلى فيتامين أ ، وهو مثالي للنمو في البلدان الآسيوية ، حيث يكون عمى الأطفال الناتج عن نقص فيتامين أ سببًا خاصًا مشكلة.

أدى سوء التواصل بين المجتمع العلمي والجمهور إلى جدل كبير حول الكائنات المعدلة وراثيًا أو الكائنات المعدلة وراثيًا. كان هناك مثل هذا الخوف والصراخ على أ منتج غذائي معدل وراثيًا مثل الأرز الذهبي ، كما يطلق عليه ، على الرغم من تجهيز النباتات للتوزيع على المزارعين الآسيويين في عام 1999 ، إلا أن هذا التوزيع لم يتم بعد حدث.