زیست‌فناوری و مهندسی ژنتیک (زیست ۳)

گفتار ۱: زیست‌فناوری و مهندسی ژنتیک

زیست‌فناوری چیست؟

زیست‌فناوری یعنی هر فعالیت هوشمندانهٔ انسان برای تولید یا بهبود محصولات، با استفاده از موجودات زنده یا اجزای آن‌ها. نانوایی که با مخمر خمیر را ور می‌آورد و شرکتی که ژن انسولین را داخل باکتری می‌کارد، هر دو در همین تعریف جا می‌گیرند. آنچه نسخهٔ امروزی را از نسخهٔ باستانی جدا می‌کند نه هدف، که ابزار است:

تلهٔ رایج: زیست‌فناوری مفهومی به‌مراتب گسترده‌تر از مهندسی ژنتیک است. تهیهٔ ماست هم زیست‌فناوری است، اگرچه هیچ ژنی در آن جابه‌جا نمی‌شود. هر مثال زیست‌فناوری نوین، زیست‌فناوری هم هست؛ اما عکسش درست نیست.

مهندسی ژنتیک، GMO و تراژنی

مهندسی ژنتیک یعنی انتقال عمدی قطعه‌ای از DNA از یک یاخته، به کمک یک ناقل، به یاخته‌ای که پیش از این آن قطعه اطلاعات را نداشته است. دو اصطلاح اینجا اغلب قاطی می‌شوند:

• GMO (جانداری با ترکیب ژنتیکی جدید): هر جانداری که مادهٔ ژنتیکی‌اش نسبت به نمونهٔ طبیعی تغییر کرده — چه با روش‌های نوین، چه با اصلاح نژاد کلاسیک.
• تراژنی: زیرمجموعه‌ای خاص از GMO که ژنش از گونهٔ دیگری به آن منتقل شده است.

پس هر جاندار تراژنی یک GMO است، ولی هر GMO لزوماً تراژنی نیست: اگر صورت سؤال گفت «ژن از گونهٔ دیگر گرفته شده» واژهٔ تراژنی درست است، وگرنه GMO.

چهار مرحلهٔ همانندسازی DNA نوترکیب

چطور یک قطعهٔ مشخص از DNA از هزاران ژن همراهش جدا و میلیون‌ها بار تکثیر می‌شود؟

۱) جداسازی قطعه با آنزیم برش‌دهنده (محدودکننده). این آنزیم‌ها در طبیعت بخشی از سامانهٔ دفاعی باکتری در برابر DNA بیگانه‌اند. هرکدام یک توالی نوکلئوتیدی خاص به نام جایگاه تشخیص را می‌یابند و همان‌جا می‌بُرند؛ مثلاً $EcoRI$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی به دنبال توالی شش‌نوکلئوتیدی $GAATTC$ادامهٔ فرمول را افقی ببینبزرگ‌نمایی می‌گردد. برش از وسط دو رشته به یک اندازه رد نمی‌شود؛ هر رشته در نقطه‌ای متفاوت بریده می‌شود و یک تکهٔ تک‌رشته‌ایِ کوتاه بیرون می‌ماند: انتهای چسبنده، که با هر قطعهٔ دیگری که با همان آنزیم بریده شده جفت می‌شود. در محل برش هم پیوندهای فسفودی‌استر استخوان‌بندی رشته‌ها می‌شکند و هم پیوندهای هیدروژنی بین دو رشته در همان منطقه.

۲) اتصال به ناقل و ساخت DNA نوترکیب. قطعهٔ بریده‌شده به‌تنهایی نمی‌تواند در باکتری تکثیر شود؛ به ناقل نیاز دارد. دو ناقل رایج پلاسمید (DNA حلقوی و دورشته‌ایِ مستقل از کروموزوم باکتری) و باکتریوفاژ (ویروسی با DNA بزرگ‌تر، مناسب قطعات حجیم‌تر) هستند. پلاسمید برای اینکه ناقل شود دو چیز لازم دارد: جایگاه شروع همانندسازی تا مستقل از میزبان تکثیر شود، و ژن مقاومت به پادزیست. شرط سوم هم حیاتی است: پلاسمید باید دقیقاً یک جایگاه تشخیص برای آن آنزیم داشته باشد، وگرنه به‌جای خطی‌شدن، قطعه‌قطعه می‌شود. پلاسمید و DNA خارجی باید با همان یک آنزیم بریده شوند تا انتهای چسبنده‌شان مکمل هم باشد. در پایان آنزیم لیگاز با ساختن پیوند فسفودی‌استر، دو قطعه را دائمی به هم می‌چسباند.

۳) ورود به یاختهٔ میزبان. دیوارهٔ باکتری سدی در برابر DNA بیگانه است؛ با شوک الکتریکی یا شوک حرارتی همراه با مواد شیمیایی موقتاً در آن منفذ ایجاد می‌شود. این کار هرگز صددرصد موفق نیست.

۴) جداسازی یاخته‌های تراژنی. حالا ژن مقاومت به پادزیست وارد بازی می‌شود: کل جمعیت در محیط کشت حاوی همان پادزیست کشت داده می‌شود؛ باکتری‌های بدون پلاسمید از بین می‌روند و فقط دارندگان پلاسمید نوترکیب می‌مانند.

نکته: آنزیم برش‌دهنده فقط می‌بُرد؛ چسباندن کار لیگاز است. ژن مقاومت به پادزیست هم هدف نیست، فقط ابزار انتخاب است.

گفتار ۲: مهندسی پروتئین و بافت، یاختهٔ بنیادی، بیوانفورماتیک

مهندسی پروتئین یعنی تغییر هدفمند در توالی آمینواسیدهای یک پروتئین برای بهبود عملکرد آن. این تغییر می‌تواند جزئی باشد (رمز یک یا چند آمینواسید) یا کلی (برداشتن بخشی از ژن یا ترکیب بخش‌هایی از چند ژن):

چرا تغییر «یک» آمینواسید این‌قدر پُراثر است؟ چون هر آمینواسید جای دقیقی در تاخوردگی سه‌بعدی دارد و جابه‌جایی‌اش شکل فضایی و در نتیجه محل اتصال به مادهٔ هدف را عوض می‌کند — چه این تغییر هدفمند باشد چه ناخواسته (جهش).

مهندسی بافت یک پله بالاتر است: کشت یاخته‌ها روی یک داربست مناسب برای ساخت بافتی تازه و قابل پیوند؛ نمونه‌اش بازسازی غضروف گوش از یاخته‌های خود بیمار.

یاختهٔ بنیادی یاخته‌ای است که هم توان تکثیر پیوسته دارد و هم توان تمایز به یاخته‌های تخصص‌یافته:

نکتهٔ ظریف: یاختهٔ بنیادی جنینی در بدن توان ساخت جنین کامل را دارد، اما در آزمایشگاه هنوز نمی‌توان همهٔ انواع یاخته را از آن ساخت؛ در مقابل، یاختهٔ کاملاً تمایزیافته در محیط کشت یا تکثیر نمی‌شود یا تکثیرش بسیار محدود است.

بیوانفورماتیک ترکیب زیست‌شناسی، ریاضیات، آمار و علوم رایانه برای ذخیره، مدل‌سازی و تحلیل داده‌های زیستی حجیم است: از پیش‌بینی ساختار سه‌بعدی پروتئین تا مقایسهٔ ژنوم گونه‌ها. سرعتی که به تحقیقات می‌دهد را ساخت چندماههٔ واکسن کووید-۱۹ نشان داد.

گفتار ۳: کاربردهای زیست‌فناوری

کشاورزی. برخی باکتری‌های خاکزی پروتئینی سمی برای حشرات می‌سازند، اما این سم ابتدا غیرفعال است و به خود باکتری آسیبی نمی‌زند؛ تنها آنزیم‌های گوارشی حشره آن را فعال می‌کنند. با انتقال ژن همین سم به ذرت، پنبه یا سویا، گیاه خودش محافظ زیستی‌اش را می‌سازد. کاربردهای دیگر: مقاومت به خشکی، شوری و علف‌کش، و تنظیم سرعت رسیدن میوه.

پزشکی. انسولین فعال از دو زنجیرهٔ A و B ساخته شده که در پستانداران ابتدا به‌شکل مولکول واحدی به نام پیش‌انسولین ساخته و سپس با جدا شدن زنجیرهٔ C فعال می‌شود؛ باکتری توان این برش نهایی را ندارد، پس دو توالی جداگانه به دو پلاسمید منتقل می‌شود و زنجیره‌های A و B بعداً در آزمایشگاه شیمیایی به هم متصل می‌شوند. واکسن نوترکیب فقط ژن یک آنتی‌ژن سطحی را به ناقلی بی‌خطر می‌برد، پس اصولاً نمی‌تواند بیماری ایجاد کند (نمونه: واکسن هپاتیت B). ژن‌درمانی یعنی قرار دادن نسخهٔ سالم ژن در یاخته‌های فرد: خروج یاخته‌های هدف، ورود ژن با ناقل ویروسی بی‌خطر، بازگرداندن یاخته‌ها. نخستین مورد موفق در ۱۹۹۰ روی دختری با نقص ایمنی انجام شد، اما چون لنفوسیت‌های اصلاح‌شده عمر طولانی ندارند، تزریق تکرار می‌شد. تشخیص بیماری هم با جست‌وجوی مستقیم DNA ویروس در خون، پیش از بروز علائم ممکن می‌شود؛ همین منطق در پزشکی قانونی هم به کار می‌رود.

جانوران تراژنی برای سه هدف ساخته می‌شوند: مطالعهٔ عملکرد ژن، مدل‌سازی بیماری‌های انسانی (سرطان، آلزایمر، ام‌اس) و تولید پروتئین انسانی در بدن جانور، مثلاً ترشح آن در شیر. فتوبیوراکتور هم محیط کشت وسیعی برای جلبک و دیگر فتوسنتزکننده‌هاست و سوخت زیستی و دارو تولید می‌کند.

ایمنی زیستی. استفاده از این فناوری باید در چارچوب ملاحظات اخلاقی، اجتماعی و ایمنی زیستی باشد؛ قانون ایمنی زیستی در ایران و بیشتر کشورها تصویب شده است. تاکنون شاهد علمی قابل اتکایی بر خطرناک‌بودن این محصولات ارائه نشده، اما ارزیابی مستمر ادامه دارد.

یک نکتهٔ پرتکرار را هم فراموش نکنید: ژن‌درمانی فقط یاخته‌های پیکری را اصلاح می‌کند، نه محتوای ژنتیکی ارثی.