الفبای زیست‌فناوری — علوم تیزهوشان هشتم (استعداد درخشان)

الفبای زیست‌فناوری (علوم تیزهوشان هشتم)

چرا بعضی سیب‌ها پوست تیره و بعضی روشن دارند؟ آیا می‌توان گیاهی ساخت که در تاریکی بدرخشد؟ انسان با زیست‌فناوری به پاسخ برخی از این پرسش‌ها رسیده و می‌کوشد جانداران را تغییر دهد.

صفات ارثی و آزمایش مندل

گریگور مندل دانه‌های نخود زرد و سبز را جدا پرورش داد و دید زردها فقط زرد و سبزها فقط سبز می‌دهند. سپس گردهٔ گل نخود سبز را روی گل نخود زرد ریخت و همهٔ دانه‌ها زرد شدند؛ گویی رنگ سبز گم شده بود. وقتی این زردها را دوباره کاشت، حدود ۲۵٪ نخودها سبز شدند. نتیجه گرفت رنگ زرد بر سبز غلبه دارد و سبز پنهان شده بود. او این کار را برای صفات دیگری مثل صافی و چروکیدگی دانه و طول ساقه هم انجام داد و بی‌آنکه از ژن و DNA خبر داشته باشد، قانون‌های وراثت را کشف کرد. هفت صفت او با حالت غالب: دانهٔ صاف، دانهٔ زرد، گل بنفش، غلاف صاف، غلاف سبز، گل محوری و ساقهٔ بلند.

مفاهیم: صفت ویژگی قابل مشاهده است؛ ژن بخشی از DNA است که دستور ساخت یک پروتئین و تعیین یک صفت را دارد؛ دگره (آلل) نسخهٔ متفاوت یک ژن است. غالب در حضور دگرهٔ دیگر ظاهر می‌شود و مغلوب فقط وقتی هر دو دگره مغلوب باشند. خالص دو دگرهٔ مشابه ($\text{YY}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی یا $\text{yy}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) و ناخالص دو دگرهٔ متفاوت ($\text{Yy}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) دارد؛ ژنوتیپ ترکیب دگره‌ها و فنوتیپ صفت ظاهری است.

مربع پانت: اگر زرد خالص ($\text{YY}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) با سبز خالص ($\text{yy}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) آمیزش کند، همهٔ نسل اول $\text{Yy}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و زردند. در آمیزش $\text{Yy}\times\text{Yy}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی ژنوتیپ‌ها $1\,\text{YY}:2\,\text{Yy}:1\,\text{yy}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و فنوتیپ‌ها ۳ زرد به ۱ سبز است، یعنی ۷۵٪ زرد و ۲۵٪ سبز؛ از ۸۰۰ نخود ۶۰۰ زرد و ۲۰۰ سبز انتظار می‌رود. آزمون‌آمیزی: برای فهمیدن خالص یا ناخالص بودن یک زرد، آن را با سبز ($\text{yy}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) آمیزش می‌دهیم؛ اگر همهٔ فرزندان زرد باشند والد $\text{YY}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است و اگر نیمی سبز باشند $\text{Yy}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی. در دو صفت با هم (صاف و زرد غالب)، $\text{RrYy}\times\text{RrYy}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی نسبت $9:3:3:1$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی می‌دهد؛ از ۱۶۰۰ دانه ۹۰۰ صاف-زرد، ۳۰۰ صاف-سبز، ۳۰۰ چروکیده-زرد و ۱۰۰ چروکیده-سبز.

چرا فرزندان یک خانواده متفاوت‌اند؟ هر فرزند نیمی از ژن‌ها را از پدر و نیمی را از مادر می‌گیرد، اما کدام نیمه تصادفی است؛ در ساخت گامت‌ها قطعه‌های کروموزوم جابه‌جا می‌شوند و کروموزوم‌ها تصادفی توزیع می‌شوند، لقاح هم تصادفی است و گاهی جهش رخ می‌دهد. فقط از توزیع ۲۳ جفت کروموزوم $2^{23}\approx8.4$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی میلیون نوع گامت ممکن است و ترکیب‌های فرزندان یک زوج حدود $2^{46}\approx7\times10^{13}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی است؛ پس جز دوقلوهای همسان، دو فرزند تقریباً هرگز یکسان نیستند.

ژنوم و پروژهٔ ژنوم انسان

ژنوم مجموعهٔ کامل مادهٔ وراثتی یک جاندار است. بدن انسان از میلیاردها سلول ساخته شده و هر سلول پروتئین‌های بسیاری می‌سازد. در پروژهٔ ژنوم انسان دانشمندان نقشهٔ ژنوم را تعیین کردند و دریافتند همهٔ ویژگی‌های انسان با حدود ۲۰ تا ۲۵ هزار ژن ساخته می‌شود؛ تقریباً دو برابر ژن‌های یک مگس یا کرم و بسیاری از آنها با موجودات ساده‌ای مثل باکتری مشترک است. پس پیچیدگی انسان از تفاوت در نحوهٔ اجرای دستورها (روشن و خاموش شدن ژن‌ها و ترکیب پروتئین‌ها) است، نه لزوماً تعداد بیشتر آنها. ژنوم انسان حدود ۳ میلیارد جفت‌باز دارد؛ با فاصلهٔ حدود $0.34\,\text{nm}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی برای هر جفت، طول DNA یک سلول حدود ۱ متر است که در هسته‌ای چند میکرومتری فشرده شده است. نقشهٔ ژنوم باکتری اشریشیاکلای، مخمر نان، مگس سرکه، کرم نماتد، موش، برنج و ذرت، شامپانزه (۹۸ تا ۹۹ درصد شباهت DNA با انسان) و ویروس‌ها (برای ساخت واکسن) هم مشخص شده است.

کروموزوم‌ها

در هستهٔ سلول‌های بدن انسان ۴۶ کروموزوم به‌صورت ۲۳ جفت هست؛ از هر جفت یکی از پدر و یکی از مادر. جفت‌ها از نظر اندازه، شکل و ترتیب عوامل وراثتی شبیه‌اند ولی کاملاً یکسان نیستند، به‌جز کروموزوم‌های جنسی مرد ($\text{XY}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی) که با هم فرق دارند. زن ۲۲ جفت بدنی و $\text{XX}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و مرد ۲۲ جفت و $\text{XY}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی دارد. تخمک $22+\text{X}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی و اسپرم $22+\text{X}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی یا $22+\text{Y}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی دارد؛ پس در مربع پانت نیمی دختر و نیمی پسرند و اسپرم پدر جنسیت را تعیین می‌کند. سلول پوست ۴۶، گامت ۲۳ و تخم $23+23=46$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی کروموزوم دارد. در بعضی بیماری‌های ژنتیکی تعداد کروموزوم‌ها کم یا زیاد می‌شود؛ در سندرم داون سه کروموزوم ۲۱ و در مجموع ۴۷ کروموزوم هست. برای تشخیص، کروموزوم‌ها را بر اساس اندازه، محل سانترومر و الگوی نوارهای تیره و روشن جفت و از بزرگ به کوچک مرتب می‌کنند (کاریوتایپ).

تقسیم و تمایز سلولی

بدن مانند جامعه‌ای است که هر سلول در آن شغل ویژه‌ای دارد. همهٔ سلول‌ها از تقسیم سلول تخم (زیگوت) پدید می‌آیند. در میتوز سلول به دو سلول یکسان با همان تعداد کروموزوم تقسیم می‌شود: DNA همانندسازی می‌شود، کروموزوم‌ها فشرده می‌شوند و وسط سلول صف می‌کشند، هر نسخه به یک قطب کشیده می‌شود و هسته و سیتوپلاسم تقسیم می‌شوند. میتوز برای رشد، ترمیم زخم و جایگزینی سلول‌های مرده است. با تقسیم هر ۲۴ ساعت، پس از هشت روز $2^8=256$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی سلول پدید می‌آید؛ برای رسیدن به حدود $3\times10^{13}$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی سلول بدن فقط حدود ۴۵ نسل تقسیم لازم است. در چند روز نخست یک تودهٔ چندصدسلولی ساخته می‌شود که سلول‌هایش سلول‌های بنیادی جنینی نام دارند و همهٔ سلول‌های عصبی، قلبی، غضروفی، عضلانی، خونی و پوستی از آنها پدید می‌آیند.

تمایز یعنی ویژه‌کار شدن سلول. همهٔ سلول‌های بدن همهٔ ژن‌ها را دارند، اما هرکدام فقط ژن‌های خود را روشن می‌کند: گلبول قرمز ژن هموگلوبین، ماهیچه ژن‌های پروتئین‌های انقباضی و نورون ژن‌های ناقل‌ها و کانال‌های یونی. پس تفاوت سلول‌های عصبی، ماهیچه‌ای، خونی و استخوانی از تفاوت ژن‌های روشن است، نه تفاوت خود ژن‌ها.

سلول‌های بنیادی

سلول بنیادی جنینی می‌تواند به همهٔ انواع سلول تبدیل شود و پس از تمایز، نقش خاصی می‌گیرد و دیگر تقسیم نمی‌شود. پس از تولد هم سلول‌های بنیادی بالغ در بعضی بافت‌ها هستند که فقط به انواع محدودی از سلول تبدیل می‌شوند؛ سلول‌های خون‌ساز مغز استخوان سه ردهٔ گلبول قرمز، گلبول سفید و پلاکت را می‌سازند. اگر بافتی آسیب ببیند، این سلول‌ها آن را ترمیم می‌کنند؛ پوست، روده و خون سلول بنیادی فراوان دارند و زود ترمیم می‌شوند، اما قلب و مغز فقط مقدار کمی دارند و توان ترمیمشان بسیار ناچیز است. سلول قلبی هرگز نمی‌تواند در بدن نقش سلول عصبی را بگیرد؛ اما دانشمندان در آزمایشگاه سلول‌های تمایزیافتهٔ پوست را به سلول بنیادی یا حتی عصبی تبدیل کرده‌اند (بازبرنامه‌ریزی) و این کشف جایزهٔ نوبل پزشکی ۲۰۱۲ را برد.

سرطان

سرطان از تقسیم بی‌رویهٔ سلول پدید می‌آید. سلول سرطانی از کنترل بدن خارج می‌شود و بی‌توقف تقسیم و تومور می‌سازد، مواد غذایی و اکسیژن را از سلول‌های سالم می‌گیرد و بافت سالم را تخریب می‌کند، تمایز ندارد و کار خود را انجام نمی‌دهد، در زمان مناسب نمی‌میرد و از راه خون و لنف به اندام‌های دیگر پخش می‌شود (متاستاز) و کار اندام‌ها را مختل می‌کند. علت آن جهش در ژن‌های کنترل تقسیم است که پرتو فرابنفش و اشعه، مواد شیمیایی مثل دود سیگار، برخی ویروس‌ها، ژنتیک و سن آن را ایجاد می‌کنند. اگر یک سلول سرطانی هر دو روز تقسیم شود، پس از ۶۰ روز $2^{30}\approx10^9$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی سلول (حدود یک گرم) می‌سازد که تازه قابل تشخیص است؛ بنابراین تشخیص زودهنگام اهمیت زیادی دارد. پیشگیری با نکشیدن سیگار، ضدآفتاب، تغذیهٔ سالم، ورزش، واکسن و غربالگری است و درمان با جراحی، پرتودرمانی، شیمی‌درمانی، ایمنی‌درمانی و پیوند مغز استخوان. سرطان واگیر نیست.

کاربردهای زیست‌فناوری

زیست‌فناوری استفاده از جانداران و فرایندهای زیستی برای تولید مواد یا خدمات مفید است: نان، ماست، پنیر و سرکه با میکروب‌ها و اصلاح نژاد (سنتی)؛ انسولین انسانی، هورمون رشد، واکسن و آنتی‌بیوتیک (دارویی)؛ گیاهان تراژنی مقاوم به آفت و خشکی و برنج طلایی با ویتامین A (کشاورزی)؛ آنزیم پودر لباسشویی و سوخت زیستی (صنعتی)؛ و اثر انگشت DNA برای شناسایی و تعیین پدر. در مهندسی ژنتیک انسولین، ژن انسولین انسان را جدا و در پلاسمید (حلقهٔ DNA باکتری) می‌گذارند، پلاسمید را وارد باکتری می‌کنند و باکتری با تکثیر خود انسولین می‌سازد که جدا و خالص می‌شود. این کار ممکن است، چون کد ژنتیکی همهٔ جانداران یکسان است.

آیا ژن‌ها با محیط تغییر می‌کنند؟ بله، به دو شکل: جهش که پرتو فرابنفش، اشعهٔ ایکس، مواد شیمیایی و ویروس‌ها توالی DNA را تغییر می‌دهند (در سلول جنسی به نسل بعد می‌رسد و در سلول بدنی می‌تواند سرطان بسازد)؛ و تغییر فعالیت ژن‌ها بدون تغییر DNA، مثل برنزه شدن پوست در نور که ژن‌های ساخت ملانین را روشن می‌کند. اما ویژگی‌های اکتسابی والدین، مثل ورزشکار شدن، ژن فرزند را تغییر نمی‌دهد.

اشتباه‌های رایج