مهندسی ژنتیک چیست؟

مهندسی ژنتیک چیست؟

مهندسی ژنتیک، دستکاری مصنوعی، اصلاح و ترکیب مجدد DNA یا سایر مولکولهای اسید نوکلئیک به منظور اصلاح موجودات یا جمعیت موجودات. اصطلاح مهندسی ژنتیک به طور کلی برای اشاره به روش‌های فناوری DNA نوترکیب، که از تحقیقات اساسی در زمینه ژنتیک میکروبی به وجود آمده است، استفاده میشود.

تکنیک‌های به کار گرفته شده در مهندسی ژنتیک منجر به تولید محصولات مهم پزشکی از جمله انسولین انسانی، هورمون رشد انسانی و واکسن هپاتیت B و همچنین توسعه موجودات اصلاح شده ژنتیکی مانند گیاهان مقاوم در برابر بیماری‌ها شده است.

اصطلاح مهندسی ژنتیک در ابتدا به تکنیک‌های مختلفی اشاره داشت که برای اصلاح یا دستکاری موجودات زنده از طریق فرایندهای وراثت و تولید مثل استفاده میشد.

به این ترتیب، این اصطلاح هم انتخاب مصنوعی و هم مداخلات تکنیک‌های پزشکی را شامل میشود، از جمله تلقیح مصنوعی، لقاح آزمایشگاهی (به عنوان مثال، نوزادان “لوله آزمایش”)، شبیه سازی و دستکاری ژن. در اواخر قرن بیستم، این اصطلاح به طور خاص به روشهای فناوری DNA نوترکیب (یا شبیه سازی ژن) اشاره کرد، که در آن مولکولهای DNA از دو یا چند منبع در داخل سلولها یا در شرایط آزمایشگاهی ترکیب شده و سپس به موجودات میزبان که قادر به انتشار آنها هستند، وارد میشود.

این امکان برای فناوری DNA نوترکیب با کشف آنزیم‌های محدود کننده در سال 1968 توسط میکروبیولوژیست سوئیسی ورنر آربر پدیدار شد. سال بعد میکروبیولوژیست آمریکایی Hamilton O. Smith آنزیمهای محدود کننده نوع II را تصفیه کرد، که مشخص شد برای مهندسی ژنتیک به دلیل توانایی آنها در بریدن یک محل خاص در DNA ضروری است (برخلاف آنزیمهای محدودکننده نوع I که DNA را در سایتهای تصادفی میشکنند)

با استفاده از کارهای Smith ، Daniel Nathans زیست شناس مولکولی آمریکایی در پیشبرد تکنیک نوترکیبی DNA در 1970-71 کمک کرد و نشان داد که آنزیمهای نوع II میتوانند در مطالعات ژنتیکی مفید باشند. مهندسی ژنتیک مبتنی بر نوترکیبی در سال 1973 توسط بیوشیمی دانان آمریکایی Stanley N. Cohen و Herbert W. Boyer آغاز شد که از اولین کسانی بودند که DNA را به قطعات تقسیم کردند، مجدداً به قطعات مختلف پیوستند و ژنهای جدید تکثیر شده را در باکتری E. coli وارد کردند.

فرایند و تکنیکها

بیشتر فناوری DNA نوترکیب شامل درج ژنهای خارجی در پلازمیدهای گونه‌های آزمایشگاهی رایج باکتری‌ها است. پلازمیدها حلقه‌های کوچکی از DNA هستند. آنها بخشی از کروموزوم باکتری (مخزن اصلی اطلاعات ژنتیکی ارگانیسم) نیستند. با این وجود، آنها قادر به هدایت سنتز پروتئین هستند و مانند DNA کروموزومی، تکثیر شده و به فرزندان باکتری منتقل میشوند.

بنابراین، با ترکیب DNA خارجی (به عنوان مثال، ژن پستانداران) در یک باکتری، محققان میتوانند تعداد تقریباً نامحدودی از نسخه‌های ژن وارد شده را بدست آورند. علاوه بر این، اگر ژن وارد شده عملیاتی باشد (یعنی اگر سنتز پروتئین را هدایت کند)، باکتری اصلاح شده پروتئین مشخص شده توسط DNA خارجی را تولید میکند.

نسل بعدی تکنیکهای مهندسی ژنتیک که در اوایل قرن 21 ظاهر شد، بر ویرایش ژن متمرکز بود. ویرایش ژن، بر اساس فناوری معروف به CRISPR-Cas9 ، به محققان اجازه میدهد تا توالی ژنتیکی موجود زنده را با ایجاد تغییرات بسیار خاص در DNA آن سفارشی کنند. ویرایش ژن کاربردهای گسترده‌ای دارد که برای اصلاح ژنتیکی گیاهان و دامها و موجودات نمونه آزمایشگاهی (به عنوان مثال موشها) استفاده میشود.

تصحیح خطاهای ژنتیکی مرتبط با بیماری در حیوانات نشان میدهد که ویرایش ژن کاربردهای بالقوه‌ای در ژن درمانی برای انسان دارد. ژن درمانی عبارت است از ورود یک ژن طبیعی به ژنوم هر فرد به منظور ترمیم جهش ایجاد کننده بیماری ژنتیکی. هنگامی که یک ژن معمولی در یک هسته جهش یافته وارد میشود، به احتمال زیاد در یک محل کروموزومی متفاوت از آلل معیوب ادغام میشود.

اگرچه این ممکن است جهش را ترمیم کند، در صورت ادغام ژن طبیعی با ژن عملکردی دیگر، ممکن است جهش جدیدی ایجاد شود. اگر ژن طبیعی جایگزین آلل جهش یافته باشد، این احتمال وجود دارد که سلولهای دگرگون شده تکثیر شده و به اندازه کافی محصول ژنی طبیعی تولید کنند تا کل بدن بتواند به فنوتیپ ناخوشایند بازگردد.

برنامه‌های کاربردی

مهندسی ژنتیک درک بسیاری از جنبه‌های نظری و عملی عملکرد و سازماندهی ژن را پیش برده است. از طریق تکنیکهای DNA نوترکیب، باکتری‌هایی ایجاد شده‌اند که قادر به سنتز انسولین انسانی، هورمون رشد انسانی، آلفا اینترفرون، واکسن هپاتیت B و سایر مواد مفید پزشکی هستند. گیاهان ممکن است از نظر ژنتیکی تنظیم شوند تا بتوانند نیتروژن را تعمیر کنند، و بیماریهای ژنتیکی را میتوان با جایگزینی ژنهای ناکارآمد با ژنهای معمولی اصلاح کرد.

ژنهای سموم که حشرات را میکشند در چندین گونه گیاهی از جمله ذرت و پنبه معرفی شده است. ژنهای باکتریایی که در برابر علف کشها مقاومت نشان میدهند نیز در گیاهان زراعی وارد شده‌اند. تلاشهای دیگر در مهندسی ژنتیک گیاهان با هدف افزایش ارزش غذایی گیاه انجام شده است.

مسائل اخلاقی در مهندسی ژنتیک

در سال 1980 میکروارگانیسمهای “جدید” ایجاد شده توسط تحقیقات DNA نوترکیب قابل ثبت بودند و در سال 1986 وزارت کشاورزی ایالات متحده فروش اولین ارگانیسم زنده ژنتیکی تغییر یافته را تایید کرد – ویروسی که به عنوان واکسن شبه عصبی مورد استفاده قرار گرفت و از آن یک ژن منفرد استفاده کرد.

از آن زمان تاکنون صدها اختراع ثبت شده برای باکتری‌ها و گیاهان تغییر یافته ژنتیکی ثبت شده است. ثبت اختراعات بر روی ارگانیسمهای دستکاری شده ژنتیکی و اصلاح شده ژنتیکی، به ویژه محصولات زراعی و سایر مواد غذایی، موضوعی بحث برانگیز بود و در بخش اول قرن 21 همچنان باقی ماند.

نگرانی خاصی بر مهندسی ژنتیک متمرکز شده است زیرا میتواند باعث ایجاد ویژگی‌های نامطلوب و احتمالاً خطرناک در میکروارگانیسمهایی شود که قبلاً عاری از آنها نبوده‌اند – به عنوان مثال، مقاومت در برابر آنتی بیوتیکها، تولید سموم یا تمایل به ایجاد بیماری. در واقع، امکان سوء استفاده از مهندسی ژنتیک بسیار زیاد بود.

به طور خاص، نگرانی قابل توجهی در مورد موجودات اصلاح شده ژنتیکی، به ویژه محصولات اصلاح شده، و تأثیرات آنها بر سلامت انسان و محیط زیست وجود داشت. به عنوان مثال، دستکاری ژنتیکی ممکن است به طور بالقوه خواص حساسیت زا محصولات را تغییر دهد. علاوه بر این، آیا برخی محصولات اصلاح شده ژنتیکی، مانند برنج طلایی، وعده بهبود مزایای سلامتی را میدهند یا خیر، مشخص نیست. انتشار پشه‌های اصلاح شده ژنتیکی و دیگر موجودات اصلاح شده به محیط نیز نگرانی‌هایی را ایجاد کرد.

در قرن بیست و یکم، پیشرفت چشمگیر در توسعه ابزارهای ویرایش ژن، فوریت جدیدی را در بحثهای طولانی مدت درباره پیامدهای اخلاقی و اجتماعی پیرامون مهندسی ژنتیک انسان ایجاد کرد. کاربرد ویرایش ژن در انسان نگرانیهای اخلاقی قابل توجهی را ایجاد کرد، به ویژه در مورد استفاده بالقوه از آن برای تغییر ویژگی‌هایی مانند هوش و زیبایی.

به طور عملی، برخی از محققان سعی کردند از ویرایش ژن برای تغییر ژنها در اسپرم انسان استفاده کنند، که ژنهای ویرایش شده را به نسلهای بعدی منتقل میکند، در حالی که برخی دیگر به دنبال تغییر ژنهایی بودند که خطر ابتلا به انواع خاصی از سرطان را افزایش میدهند. کاهش خطر ابتلا به سرطان در فرزندان اما تأثیر ویرایش ژن بر ژنتیک انسان ناشناخته بود و مقررات راهنمای استفاده از آن تا حد زیادی وجود نداشت.

مطالعه صدها مطلب علمی در حوزه بیولوژی

آرشیو جدیدترین خبرهای روز دنیای بیولوژی

مترجم: غزل زارعی