استنساخ الحمض النووي: التعريف ، العملية ، الأمثلة

من الممكن استنساخ كائنات كاملة مثل النعجة دوللي ، لكن استنساخ الحمض النووي يختلف. يستخدم تقنيات البيولوجيا الجزيئية لصنعه نسخ متطابقة من تسلسل الحمض النووي أو الجينات المفردة.

باستخدام طرق الهندسة الوراثية ، يتم تحديد وعزل أجزاء من الشفرة الوراثية للحمض النووي. يقوم استنساخ الحمض النووي بعد ذلك بنسخ ملف حمض نووي تسلسل في المقاطع.

يمكن استخدام النسخ المتطابقة الناتجة لمزيد من البحث أو لتطبيقات التكنولوجيا الحيوية. غالبًا ما يشفر الجين المنسوخ بروتينًا يمكن أن يشكل جزءًا من العلاجات الطبية. تشمل تكنولوجيا الحمض النووي استنساخ الحمض النووي يدعم فهم كيفية عمل الجينات وكيف تؤثر الشفرة الجينية للإنسان على وظائف الجسم.

استنساخ الحمض النووي هو عملية البيولوجيا الجزيئية لعمل نسخ متطابقة من قطع الحمض النووي الموجودة في الكروموسومات التي تحتوي على الكود الجيني للكائنات المتقدمة.

تولد العملية كميات كبيرة من الهدف تسلسل الحمض النووي. الهدف من استنساخ الحمض النووي هو إنتاج تسلسلات الحمض النووي المستهدفة نفسها أو إنتاج البروتينات المشفرة في التسلسلات المستهدفة.

تسمى الطريقتان المستخدمتان في استنساخ الحمض النووي ناقلات البلازميد و تفاعل البلمرة المتسلسل (PCR). في ال ناقلات البلازميد الطريقة ، يتم قطع خيوط الحمض النووي باستخدام أنزيمات التقييد لإنتاج شظايا الحمض النووي ، ويتم إدخال القطع الناتجة في نواقل الاستنساخ تسمى البلازميدات لمزيد من الازدواجية. يتم وضع البلازميدات في الخلايا البكتيرية التي تنتج بعد ذلك نسخ الحمض النووي أو البروتينات المشفرة.

في ال طريقة PCR، يتم تمييز جزء خيوط الحمض النووي المراد نسخها بإنزيمات تسمى الاشعال. يقوم إنزيم البوليميراز بعمل نسخ من الجزء المحدد من خيط الحمض النووي. لا تستخدم هذه الطريقة إنزيمات تقييدية ويمكن أن تنتج DNA مستنسخًا من عينات صغيرة. في بعض الأحيان يتم استخدام طريقتين تقنية الحمض النووي معًا لدمج أفضل ميزات كل منهما في تفاعل شامل.

يشير ناقل الطريقة إلى البلازميد المستخدم في الاحتفاظ بقطعة DNA المستهدفة المراد استنساخها. البلازميدات عبارة عن خيوط دائرية صغيرة من DNA غير الكروموسومات توجد في العديد من الكائنات الحية بما في ذلك البكتيريا والفيروسات.

البلازميدات البكتيرية هي الناقل المستخدم لإدخال قطعة الحمض النووي المستهدفة في الخلايا البكتيرية لمزيد من الازدواجية.

اختيار وعزل الحمض النووي المستهدف: قبل أن تبدأ عملية استنساخ الحمض النووي ، يجب تحديد تسلسل الحمض النووي ، وخاصة بدايات ونهايات مقاطع الحمض النووي.

يمكن العثور على تسلسلات الحمض النووي هذه باستخدام الحمض النووي المستنسخ الموجود بتسلسلات معروفة أو عن طريق دراسة البروتين الناتج عن تسلسل الحمض النووي المستهدف. بمجرد معرفة التسلسل ، يمكن استخدام إنزيمات التقييد المقابلة.

قطع الحمض النووي المستهدف باستخدام إنزيمات التقييد: يتم اختيار إنزيمات التقييد للبحث عن كود الحمض النووي في بداية ونهاية التسلسلات المستهدفة.

عندما تجد إنزيمات التقييد تسلسلًا خاصًا مشفرًا لأزواج قاعدية تسمى مواقع التقييد ، فإنها تلتصق بالحمض النووي في ذلك الموقع وتلف نفسها حول جزيء الحمض النووي ، وتقطع ال ساحل. شرائح الحمض النووي المقطوعة التي تحتوي على التسلسل المستهدف متاحة الآن للنسخ.

اختيار ناقل البلازميد وإدخال الحمض النووي المستهدف: يحتوي البلازميد المناسب بشكل مثالي على نفس تسلسل تشفير الحمض النووي مثل خيط DNA الذي تم قطع الحمض النووي المستهدف منه. يتم قطع خيط DNA الدائري للبلازميد بنفس إنزيمات التقييد التي تم استخدامها لقطع الحمض النووي المستهدف.

أ إنزيم DNA ligase يستخدم لتعزيز ربط قطع الحمض النووي ، وترتبط نهايات جزء الحمض النووي المستهدف بالنهايات المقطوعة للحمض النووي البلازميدي. يشكل الحمض النووي المستهدف الآن جزءًا من خيط DNA البلازميد الدائري.

إدخال البلازميد في خلية بكتيرية: بمجرد احتواء البلازميد على تسلسل الحمض النووي المراد استنساخه ، يمكن الاستنساخ الفعلي باستخدام عملية تسمى التحول البكتيري. يتم إدخال البلازميدات في خلية بكتيرية مثل E. coli ، وستبدأ الخلايا التي تحتوي على مقاطع DNA الجديدة في إنتاج نسخ والبروتينات المقابلة.

في التحول البكتيري ، يتم تحضين الخلايا المضيفة والبلازميدات معًا في درجة حرارة الجسم لمدة 12 ساعة تقريبًا. تمتص الخلايا بعض البلازميدات وتعاملها على أنها DNA البلازميد الخاص بها.

حصاد الحمض النووي والبروتينات المستنسخة: معظم البلازميدات المستخدمة في استنساخ الحمض النووي لها جينات مقاومة المضادات الحيوية مدمجة في حمضهم النووي. عندما تمتص الخلايا البكتيرية البلازميدات الجديدة ، فإنها تصبح مقاومة للمضادات الحيوية.

عندما يتم علاج المزرعة بالمضادات الحيوية ، تبقى فقط تلك الخلايا التي امتصت البلازميدات الجديدة على قيد الحياة. والنتيجة هي ثقافة نقية من الخلايا البكتيرية مع الحمض النووي المستنسخ. يمكن بعد ذلك حصاد هذا الحمض النووي أو إنتاج البروتين المقابل.

ال PCR الطريقة أبسط ونسخ الحمض النووي الموجود في مكانه. لا يتطلب القطع باستخدام إنزيمات تقييدية أو إدخال بلازميدالحمض النووي التسلسلات. هذا يجعلها مناسبة بشكل خاص لاستنساخ عينات الحمض النووي مع عدد محدود من خيوط الحمض النووي. بينما يمكن للطريقة استنساخ الحمض النووي ، لا يمكن استخدامها لإنتاج البروتين المقابل.

فك خيوط الحمض النووي: يتم لف الحمض النووي في الكروموسومات بإحكام في بنية حلزونية مزدوجة. تسخين الحمض النووي إلى 96 درجة مئوية في عملية تسمى تمسخ يجعل جزيء الحمض النووي ينفصل وينقسم إلى شقين. هذا الفصل مطلوب لأنه يمكن استنساخ خيط واحد فقط من الحمض النووي في وقت واحد.

اختيار البرايمر: كما هو الحال مع استنساخ DNA ناقل البلازميد ، يجب تحديد تسلسل الحمض النووي المراد استنساخه مع التركيز بشكل خاص على بدايات ونهايات مقاطع الحمض النووي. الاشعال عبارة عن إنزيمات ترتبط بتسلسلات كود DNA محددة ، ويجب اختيارها لتمييز شرائح الحمض النووي المستهدفة. سوف تلتصق البادئات الصحيحة بتسلسل جزيء الحمض النووي لتحديد بدايات ونهايات الأجزاء المستهدفة.

تلدين رد فعل لربط الاشعال: يسمى تبريد التفاعل إلى حوالي 55 درجة مئوية التلدين. عندما يبرد التفاعل ، يتم تنشيط البادئات وتلتصق بحبل الحمض النووي في كل نهاية قطعة DNA مستهدفة. تعمل البادئات كعلامات فقط ، ولا يلزم قطع شريط الحمض النووي.

إنتاج نسخ متطابقة من شريحة الحمض النووي المستهدفة: في عملية تسمى تمديد، يتم إضافة إنزيم TAQ polymerase الحساس للحرارة إلى التفاعل. يسخن التفاعل بعد ذلك إلى 72 درجة مئوية ، مما يؤدي إلى تنشيط الإنزيم. يرتبط إنزيم بوليميراز الدنا النشط بالبادئات وينسخ تسلسل الحمض النووي بينها. اكتملت عملية تسلسل الحمض النووي الأولية وعملية الاستنساخ.

زيادة مردود الحمض النووي المستنسخ: تؤدي عملية التلدين والتمديد الأولية إلى إنشاء نسخ قليلة نسبيًا من شرائح خيوط الدنا المتاحة. لزيادة المحصول من خلال تكرار الحمض النووي الإضافي ، يتم تبريد التفاعل مرة أخرى لإعادة تنشيط البادئات والسماح لها بالارتباط بشرائط DNA الأخرى.

بعد ذلك ، يؤدي إعادة تسخين التفاعل إلى تنشيط إنزيم البوليميراز مرة أخرى ويتم إنتاج المزيد من النسخ. يمكن تكرار هذه الدورة من 25 إلى 30 مرة.

تعتمد طريقة ناقل البلازميد على إمداد أولي وافر من الدنا لتقطيعه وإدخاله في البلازميدات. ينتج القليل جدًا من الحمض النووي الأصلي عن عدد أقل من البلازميدات وبدء بطيء في إنتاج الحمض النووي المستنسخ.

يمكن أن تنتج طريقة تفاعل البوليميراز المتسلسل كمية كبيرة من الحمض النووي من عدد قليل من سلاسل الحمض النووي الأصلية ، ولكن نظرًا لعدم زرع الحمض النووي في خلية بكتيرية ، لا يمكن إنتاج البروتين.

لإنتاج البروتين المشفر في أجزاء الحمض النووي ليتم استنساخه من عينة أولية صغيرة من الحمض النووي ، يمكن استخدام الطريقتين معًا ، ويمكنهما يكمل كل منهما الآخر. أولاً ، يتم استخدام طريقة تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR) لاستنساخ الحمض النووي من عينة صغيرة وإنتاج العديد من النسخ.

ثم يتم استخدام منتجات PCR مع طريقة ناقل البلازميد لزرع الحمض النووي المنتج في الخلايا البكتيرية التي ستنتج البروتين المطلوب.

تستخدم البيولوجيا الجزيئية استنساخ الجينات وتكرار الحمض النووي للأغراض الطبية والتجارية. تُستخدم البكتيريا ذات تسلسل الحمض النووي المستنسخ لإنتاج الأدوية واستبدال المواد التي لا يستطيع الأشخاص المصابون باضطرابات وراثية إنتاجها بأنفسهم.

تشمل الاستخدامات النموذجية ما يلي:

• الجين لـ الأنسولين البشري يتم استنساخه في البكتيريا التي تنتج بعد ذلك الأنسولين الذي يستخدمه مرضى السكر.
• يتم إنتاج منشط البلازمينوجين النسيجي من الحمض النووي المستنسخ ويستخدم للمساعدة منع تجلط الدم.
• هرمون النمو البشري يمكن إنتاجها وإدارتها للأشخاص الذين لا يستطيعون إنتاجها بأنفسهم.

تستخدم التكنولوجيا الحيوية أيضًا استنساخ الجينات في الزراعة لخلق خصائص جديدة في النباتات والحيوانات أو لتعزيز الخصائص الموجودة. مع استنساخ المزيد من الجينات ، يزداد عدد الاستخدامات الممكنة أضعافا مضاعفة.

تشكل جزيئات الحمض النووي جزءًا صغيرًا من المادة الموجودة في الخلية الحية ، ومن الصعب عزل تأثيرات العديد من الجينات. توفر طرق استنساخ الحمض النووي كميات كبيرة من تسلسل محدد للحمض النووي للدراسة ، كما ينتج الحمض النووي البروتينات تمامًا كما فعل في الخلية الأصلية. يجعل استنساخ الحمض النووي من الممكن دراسة هذه العملية لجينات مختلفة بمعزل عن غيرها.

تشمل الأبحاث النموذجية وتطبيقات تكنولوجيا الحمض النووي فحص:

• وظيفة الجين.
• طفرات الجين.
• التعبير الجيني.
• منتجات الجينات.
• عيوب وراثية.

عندما يتم استنساخ المزيد من سلاسل الحمض النووي ، يكون من السهل العثور على تسلسلات إضافية واستنساخها. يمكن استخدام مقاطع الحمض النووي المستنسخة الحالية لتحديد ما إذا كان المقطع الجديد يتطابق مع الجزء القديم وأي الأجزاء مختلفة. يصبح تحديد تسلسل الحمض النووي المستهدف أسرع وأكثر دقة.

في العلاج الجيني، يتم تقديم الجين المستنسخ إلى خلايا الكائن الحي الذي تلف جينه الطبيعي. يمكن أن يتغير الجين الحيوي الذي ينتج بروتينًا مطلوبًا لوظيفة كائن حي معين أو يتغير بالإشعاع أو يتأثر بالفيروسات.

عندما لا يعمل الجين بشكل صحيح ، تفقد الخلية مادة مهمة. يحاول العلاج الجيني استبدال الجين بنسخة مستنسخة تنتج المادة المطلوبة.

لا يزال العلاج الجيني تجريبيًا ، وقد تم شفاء عدد قليل من المرضى باستخدام هذه التقنية. تكمن المشاكل في تحديد الجين الوحيد المسؤول عن حالة طبية وتقديم العديد من نسخ الجين إلى الخلايا الصحيحة. نظرًا لأن استنساخ الحمض النووي أصبح أكثر انتشارًا ، فقد تم تطبيق العلاج الجيني في العديد من المواقف المحددة.

تضمنت التطبيقات الناجحة الأخيرة ما يلي:

• مرض الشلل الرعاش: باستخدام فيروس كناقل ، تم حقن جين مرتبط بمرض باركنسون في الدماغ المتوسط ​​للمرضى. عانى المرضى من تحسن المهارات الحركية دون أي آثار جانبية ضارة.
• نقص الأدينوزين ديميناز (ADA): تم علاج اضطراب مناعي وراثي عن طريق إزالة خلايا الدم الجذعية للمرضى وإدخال جين ADA. كان المرضى قادرين على إنتاج بعض من ADA الخاص بهم على الأقل نتيجة لذلك.
• الهيموفيليا: لا ينتج الأشخاص المصابون بالهيموفيليا بروتينات معينة تساعد على تجلط الدم. تم إدخال جين لإنتاج أحد البروتينات المفقودة في خلايا الكبد للمرضى. أنتج المرضى البروتين وانخفضت حوادث النزيف.

يعد العلاج الجيني أحد أكثر التطبيقات الواعدة لاستنساخ الحمض النووي ، ولكن من المرجح أن تتكاثر الاستخدامات الجديدة الأخرى مع دراسة المزيد من سلاسل الحمض النووي وتحديد وظيفتها. يوفر استنساخ الحمض النووي المادة الخام للهندسة الوراثية بالكميات المطلوبة.

عندما يكون دور الجينات معروفًا ويمكن ضمان وظيفتها الصحيحة من خلال استبدال المعيب يمكن مهاجمة الجينات والعديد من الأمراض المزمنة وحتى السرطان وعلاجها على المستوى الجيني باستخدام الحمض النووي تقنية.

محتوى ذو صلة:

• خصائص مستعمرة بكتيريا الإشريكية القولونية (الإشريكية القولونية)
• RNA: التعريف والوظيفة والبنية