شارح الدرس: استخدام إنزيمات القطع الأحياء • الصف الثالث الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلم كيف نفسِّر وظيفة إنزيمات القطع، ونلخِّص دور «النهايات اللاصقة».

الحمض النووي (DNA) جزيء ضخم، وفي البشر، يتكون هذا الحمض من مليارات أزواج القواعد التي تحتوي على عشرات آلاف الجينات المختلفة. لكي ندرس هذا الجينوم جيدًا، سيكون من المنطقي تكسيره إلى مقاطع أصغر يسهل التعامل معها.

إنزيمات القطع (تسمى أيضًا إنزيمات القطع الداخلي) تشبه المِقصات الجزيئية حيث يمكنها قطع تتابعات محددة من جزيء DNA. يمكن استخدام إنزيمات القطع في قطع الجينات محل الاهتمام لدراستها بشكل منفرد. وساعدت هذه القدرة على وصف عدد هائل من الجينات وتحديده، وتطوير تكنولوجيا مثيرة وجديدة خاصة بالحمض النووي (DNA). تكنولوجيا الحمض النووي (DNA) معاد الاتحاد هي عملية دمج جزيئي DNA حُصل عليهما من مصدرين مختلفين؛ وذلك لخلق معلومات وراثية جديدة. وتلعب إنزيمات القطع دورًا مهمًّا في هذه العملية، وبدونها، لن نستطيع إنتاج اللقاحات أو الإنسولين أو أنواع كثيرة من الطعام الذي نأكله.

توجد إنزيمات القطع بشكل طبيعي في البكتيريا، وتستخدم بمثابة وسيلة دفاع للبكتيريا ضد العدوى الفيروسية. عندما يصيب فيروس ما إحدى الخلايا البكتيرية، فإنه يُدخل جزيء DNA الخاص به في الخلية لإنتاج نسخ أكثر منه. في المقابل، تنتج الخلية البكتيرية إنزيمات قطع للتعرُّف على جزيء DNA الخاص بالفيروس، وتقطعه إلى قطع أو أجزاء أصغر؛ الأمر الذي يؤدي إلى حدوث اضطراب في المعلومات الوراثية الموجودة داخل جزيء DNA الخاص بالفيروس. ويمنع ذلك الفيروس من إكمال دورة حياته، أو «يقيده» ويمنعه من إصابة المزيد من الخلايا البكتيرية. وبهذه الطريقة، تنقذ إنزيمات القطع حياة البكتيريا!

لعلك تتذكر أن الإنزيمات عبارة عن بروتينات تعمل عوامل حفازة بيولوجية تزيد من سرعة التفاعلات الكيميائية. دائمًا ما يكون للإنزيمات ركيزة تتفاعل معها على وجه التحديد لإنتاج ناتج ما. وفي حالة إنزيمات القطع، تكون الركيزة هي DNA المزدوج الشريط، ويكون الناتج هو جزيء DNA المقطوع. يمكن لإنزيمات القطع تحفيز التحلل المائي للرابطة الفوسفاتية ثنائية الإستر التي تُكوِّن هيكل جزيء DNA، وذلك «لقطع» جزيء DNA، وتكوين أجزاء منه. يمكنك رؤية ذلك في الشكل 1.

هناك أنواع متعددة من إنزيمات القطع، ولكل منها تتابع مستهدف خاص به في جزيء DNA، أو تتابع تعرُّف، وهو تتابُع محدَّد يتعرف عليه إنزيم القطع تحديدًا. في الشكل 2، سنتناول إنزيم القطع EcoRI (يُنطق Eco-R-1)، وهو إنزيم يتعرف على التتابع GAATTC في جزيء DNA.

يتعرف إنزيم القطع EcoRI على التتابع GAATTC على الشريط العلوي، وكذلك يتعرف على التتابع CTTAAG المناظر له على الشريط السفلي. إليك ملاحظة مثيرة للاهتمام، بدلًا من قراءة التتابع السفلي الموجود في الشكل 2 من اليسار إلى اليمين، جرب أن تقرأه من اليمين إلى اليسار. أي، بدلًا من أن نقرأه على النحو «CTTAAG»، سنقرأه على النحو «GAATTC»، وهو بالفعل التتابع نفسه الموجود بالشريط العلوي!

يُطلَق على هذه الخاصية عندما يُقرأ التتابع بالطريقة نفسها من كلا الاتجاهين: التناظر. من الأمثلة الشائعة على التناظر كلمة «رادار»؛ حيث يمكن قراءتها بالطريقة نفسها من كلا الاتجاهين! التتابع المتناظر هو الطريقة التي تتعرف بها الكثير من إنزيمات القطع على تتابعاتها المستهدفة.

عندما نتناول كلمة مثل «رادار»، من المنطقي وصف إمكانية قراءة الكلمة من جهتي اليسار واليمين. لكن عندما نتناول جزيء DNA، فإنه لا يوجد «يسار» أو «يمين». يعزي ذلك إلى أن شريطَيْ جزيء DNA يسيران في اتجاهين متعاكسين؛ حيث يسير أحد الشريطين في اتجاه، بينما يسير الآخر في اتجاه معاكس له. لكن، كيف يُحدد ذلك الاتجاه؟

وفقًا للاصطلاح المتعارف عليه، فإننا نصِف الاتجاه في جزيء DNA على أنه الاتجاه الذي يتم فيه تخليق شريط واحد من جزيء DNA. فيُخلق جزيء DNA دائمًا في الاتجاه إلى ، في إشارة إلى الكربون حيث يتم إضافة النيوكليوتيدات الجديدة التي تحتوي على سكر الريبوز المنقوص الأكسجين على شريط DNA المتنامي. تُرقم ذرات الكربون الموجودة في النيوكليوتيدات التي تحتوي على سكر الريبوز المنقوص الأكسجين من إلى، كما هو موضح في الشكل 3. عند تخليق جزيء DNA ،فإن مجموعة الفوسفات (التي ترتبط بذرة الكربون رقم ) للنيوكليوتيدات الجديدة التي تحتوى على سكر الريبوز المنقوص الأكسجين ترتبط بذرة الكربون رقم لشريط DNA المتنامي.

الآن، بعد أن فهمنا الاتجاهية في جزيء DNA، دعونا ننظر مرة أخرى إلى التتابع المتناظر لإنزيم القطع EcoRI:

بالنظر إلى الشريط إلى ، نرى التتابع GAATTC ، وإذا نظرنا إلى الشريط إلى في الاتجاه المعاكس (أي من الاتجاه إلى) فسنلاحظ أنه يُقرأ GAATTC أيضًا. كما ذكرنا سابقًا، هذا تتابع متناظر، وتلك هي الطريقة التي تستطيع بها إنزيمات القطع التعرف على تتابعاتها المستهدفة. فكما تُقرأ كلمة «رادار»، التي تمثِّل مثالًا للتناظر، بالطريقة نفسها من اليسار واليمين، فإن التتابع المتناظر لجزيء DNA يُقرأ بالطريقة نفسها على كلا الشريطين في الاتجاه إلى.

مثال ٢: التعرف على التتابعات المتناظرة

تتعرف بعض إنزيمات القطع على مقطع من الحمض النووي (DNA) يقرأ تتابعه في الاتجاه - على شريط، مثلما يقرأ في الاتجاه - على الشريط المكمل. يوضح الشكل الآتي مثالًا لذلك.

ما المصطلح الذي يُطلق على هذا النمط؟

1. المتناظر.
2. المحاذي.
3. المكمل.
4. الفائق الالتفاف.
5. القياسي.

الحل

تشبه إنزيمات القطع المقصات الجزيئية التي تقطع جزيء DNA إلى أجزاء. تستطيع إنزيمات القطع التعرف على تتابعات محددة من جزيء DNA تسمى تتابعات التعرف. ولكل إنزيم قطع تتابع تعرُّف فريد خاص به. العديد من تتابعات التعرُّف تكون تتابعات متناظرة. هذا يعني أن التتابع الموجود على كلا شريطي جزيء DNA هو نفسه عندما يُقرأ في الاتجاه إلى .

يشير كل من و إلى موقع ذرتي الكربون في النيوكليوتيدات التي تحتوي على سكر الريبوز المنقوص الأكسجين. عند تخليق جزيء DNA ، فإن مجموعة الفوسفات (التي ترتبط بذرة الكربون رقم ) للنيوكليوتيدات الجديدة التي تحتوي على سكر الريبوز المنقوص الأكسجين ترتبط بذرة الكربون رقم لشريط DNA المتنامي. هذا يعني أن شريطَي جزيء DNA يُخلقان في اتجاهين متعاكسين. وفقًا للاصطلاح المتعارف عليه، وكما هو موضح بالأسفل على اليمين، يُكتب جزيء DNA في الاتجاه إلى في الأعلى، بينما يُكتب الشريط المعاكس له في الاتجاه إلى في الأسفل.

إذا نظرت الآن إلى السؤال، ستجد أن التتابع GAATTC هو GAATTC على كلا الشريطين عندما يُقرأ في الاتجاه إلى.

وعليه، فإن الإجابة الصحيحة هي الخيار (أ): المتناظر.

التتابع GAATTC هو تتابع تعرُّف لإنزيم القطع EcoRI. وهو تتابع متناظر، وله شكل محدد للغاية يتعرف عليه إنزيم القطع EcoRI. ومن ثَمَّ، في الخلية البكتيرية التي أصابها الفيروس بجزيء DNA الخاص به، يرتبط العديد من إنزيمات القطع EcoRI بجزيء DNA الخاص بالفيروس، وتمسحه حتى تجد هذا التتابع. عندها يرتبط الإنزيم بشكل قوي مع تتابع التعرف الخاص به بمجرد أن يجده، ويقطع شريطَي جزيء DNA إلى أجزاء أصغر، كما هو موضح بالشكل 4.

بما أن التعليمات الوراثية للفيروس توجد داخل جزيء DNA الخاص به، فعند قطع هذا الجزيء بواسطة إحدى إنزيمات القطع، تُفقد هذه التعليمات، ولا يستطيع الفيروس حينها إكمال دورة حياته. ومن ثَمَّ، تحمي إنزيمات القطع البكتيريا، ومنذ عام 2014 تجاوز عدد إنزيمات القطع التي تم اكتشافها 4‎ ‎000 إنزيم!

عندما تقطع إنزيمات القطع جزيء DNA في تتابعات التعرف الخاصة بها، فإنه يمكنها إنتاج أجزاء ذات حجم محدد. على سبيل المثال، إذا احتوت قطعة DNA مكونة من 1‎ ‎000 زوج قواعد على موقع تعرف لإنزيم القطع EcoRI عند مقطع مكون من 250 زوجَ قواعد، حيث يقطع إنزيم EcoRI عند زوج القواعد رقم 250، فإن المعالجة باستخدام هذا الإنزيم ستنتج جزئين: جزء يتكون من 750 زوج قواعد، وآخر يتكون من 250 زوج قواعد. توجد تتابعات التعرف هذه في جزيء DNA بشكل عشوائي. ولهذا السبب، تحتوي القطع الأطول من جزيء DNA على الأرجح على تتابعات تعرف أكثر من القطع الأقصر من جزيء DNA.

وبما أن جزيء DNA يُقطع بواسطة إنزيمات القطع، لعلك تتساءل كيف يُحمى جزيء DNA الخاص بالكائن المضيف. يمكن تعديل جزيء DNA عن طريق المثيلة، حيث تُضاف مجموعات الميثيل إلى تتابعات محددة من النيوكليوتيدات. وهذا من شأنه أن يغير شكل تتابع التعرف، ويمنع إنزيمات القطع من التفاعل معه.

مثال ٣: فهم آلية عمل إنزيمات القطع

أُخِذت عيِّنة من الحمض النووي (DNA) من كائنَيْن، وخُلِطتْ مع إنزيم القَطْع BamHI. يقطع إنزيم القَطْع الحمض النووي للكائن الحي (أ) إلى ثلاثة مقاطع، ولكنه يقطع الحمض النووي للكائن الحي (ب) إلى مقطعين فقط. ما الذي يُشير إليه ذلك فيما يتعلَّق بالحمض النووي للكائنَيْن؟

1. يحتوي جزيء DNA للكائن الحي (أ) على تتابعات تَعرُّف لإنزيم القَطْع BamHI أقلَّ من الكائن الحي (ب).
2. يحتوي جزيء DNA للكائن الحي (أ) على تتابعات تَعرُّف لإنزيم القَطْع BamHI أكثر من الكائن الحي (ب).
3. جزيء DNA للكائن الحي (ب) أطول من جزيء DNA للكائن الحي (أ).
4. لم تختلط العيِّنة المأخوذة من الكائن الحي (ب) بما يكفي من إنزيمات القَطْع.

الحل

BamHI هو مثال على إنزيمات القطع. إنزيمات القطع أو إنزيمات القطع الداخلي هي إنزيمات تقطع جزيئات DNA في مواقع تعرُّف محددة. ولكل إنزيم قطع تتابع تعرُّف مختلف.

دعونا نفترض أن جزيئي DNA لكلا الكائنين الحيين خطيان؛ بمعنى أن شكلهما ليس دائريًّا. وبما أن إنزيم القطع BamHI يقطع جزيء DNA للكائن الحي (أ) إلى ثلاث أجزاء، فإن هذا يشير إلى أن جزيء DNA للكائن الحي (أ) يحتوي على تتابعي تعرف لإنزيم القطع BamHI. وبما أن قطع جزيء DNA للكائن الحي (ب) بواسطة إنزيم القطع BamHI أنتج جزأين، فإن هذا يشير إلى أن جزيء DNA للكائن الحي (ب) يحتوي على تتابع تعرف واحد فقط. انظر إلى الشكل الآتي لتصور ذلك.

نظرًا لأن تتابعات التعرف هذه توجد عشوائيًّا، يمكننا افتراض أن جزيء DNA للكائن الحي (أ) أطول من جزيء DNA للكائن الحي (ب). يرجع السبب في ذلك إلى أن التتابع الأطول من جزيء DNA سيكون له فرصة أكبر لأن يحتوي على تتابع تعرف إنزيم القطع BamHI. ولكن هذا بافتراض أن جزيئي DNA للكائنين الحيين (أ) و(ب) يحتويان على نسب متساوية من النيوكليوتيدات A، وG، وC، وT. وبما أن السؤال لم يعطِنا معلومات أكثر لكي نحسم إجابتنا، لن يكون الخيار (ج) أفضل إجابة.

يشير الخيار (د) إلى عدم وجود إنزيمات قطع كافية لإجراء التفاعل. وقد يحدث ذلك في حال عدم وجود إنزيمات قطع كافية، وإذا لم يُترك التفاعل مدة زمنية كافية حتى يكتمل. لكن السؤال يتعلق بجزيئي DNA للكائنين الحيين، وليس ظروف التفاعل؛ وعليه يكون الخيار (د) غير صحيح.

من ثَمَّ، تكون الإجابة الصحيحة هي الخيار (ب)، يحتوي جزيء DNA للكائن الحي (أ) على تتابعات تَعرُّف لإنزيم القَطْع BamHI أكثر من الكائن الحي (ب).

إنزيمات القطع جيدة ومفيدة للبكتيريا، ولكن ترى كيف تُفيد تلك الإنزيمات البشر؟ حسنًا، تُمكِّننا إنزيمات القطع من تقطيع جزيء DNA، أي جزيء DNA، وليس جزيء DNA الخاص بالفيروس فحسب، في مناطق محددة للغاية مهمة لنا. ونظرًا لتعدد إنزيمات القطع، فمن المرجَّح أن نتمكن من قطع أي جين نرغب في دراسته. وفي حال عدم وجود تتابعات تعرف، يمكننا إدخالها بجزيء DNA.

لكن كل هذا القطع لا يمكنه أن يفيد بأكثر من ذلك. فما فائدة القطع إذا لم نستطع تجميع الجينات مرة أخرى بطرق مثيرة وجديدة؟ لحسن حظنا، هناك خاصية أخرى مثيرة للاهتمام لإنزيمات القطع؛ وهي أن بعضًا منها ينتج ما نسميه «النهايات اللاصقة».

تقطع إنزيمات القطع جزيء DNA بطريقتين. إما عن طريق تكوين نهايات لاصقة، أو عن طريق تكوين نهايات حادة.

إنزيمات القطع، التي تنتج نهايات لاصقة، يمكنها قطع جزيء DNA تاركة أطرافًا منه تكون «لاصقة» بعضها لبعض بسبب أزواج قواعدهم المتكاملة، كما يوضح الشكل 5. والميل إلى الترابط الموجود بين القواعد هو ما يجعلها «متلاصقة».

مثال ٤: التعرف على النهايات اللاصقة

يوضِّح الرسم الآتي قطعة من الحمض النووي (DNA) ناتجة عن قَطْع تتابع باستخدام إنزيم القَطْع BamHI. تحتوي القطعة على قواعد نيوكليوتيدات مكشوفة. ما المصطلح الذي يُطلَق على هذه القواعد؟

1. نهايات حرة.
2. نهايات نشطة.
3. نهايات لاصقة.
4. نهايات مفتوحة.
5. نهايات حادة.

الحل

تشبه إنزيمات القطع المقصات الجزيئية التي تقطع جزيء DNA إلى أجزاء. تستطيع إنزيمات القطع التعرُّف على تتابعات محدَّدة من جزيء DNA تسمى تتابعات التعرُّف. ولكل إنزيم قطع تتابع تعرُّف فريد خاص به. في هذا المثال، يتعرف إنزيم القطع BamHI على التتابع GGATCC، ويقطع جزيء DNA بالشكل الموضح.

يمكن قطع جزيء DNA بواسطة إنزيمات القطع بطريقتين مختلفين.

الطريقة الأولى هي قطع جزيء DNA وترك أطراف غير مزدوجة من قواعد جزيء DNA، أو نهايات «لاصقة». يُطلق على هذه الأطراف النهايات اللاصقة؛ نظرًا لأن قواعد جزيء DNA لكل نهاية غير مزدوجة لها صلة بعضها ببعض وفقًا لأسس ازدواج القواعد المتكاملة. يوضح الشكل الآتي ذلك.

الطريقة الأخرى لقطع جزيء DNA هي ترك نهايات «حادة»، بحيث لا يوجد أطراف، كما هو موضح بالأسفل.

بما أن المثال الموجود في السؤال يوضح أن قطع جزيء DNA ترك أطرافًا؛ إذن هو قطع ذو نهاية لاصقة. قد تكون النهايات اللاصقة مفيدة؛ وذلك لأن تتابعات جزيء DNA المقطوعة بالطريقة نفسها يمكن تجميعها معًا لتكوين جزيئات DNA جديدة.

وعليه، تكون الإجابة الصحيحة هي الخيار (ج)، النهايات اللاصقة.

يمكن الاستفادة من خاصية «النهايات اللاصقة» لإنزيمات القطع في تطبيقات التكنولوجيا الحيوية. فيمكن خلق حمض نووي (DNA) مُعاد الاتحاد عن طريق «قطع ولصق» جزيئات DNA حُصل عليها من كائنات حية متعددة لها النهايات اللاصقة نفسها. ويوجد تطبيقات لا حصر لها على ذلك!

على سبيل المثال، افترض أننا ندرس بروتينًا جديدًا موجود في نوع محدَّد من الأسماك، وأردنا معرفة مكان تمركُز البروتين في جسم السمكة. باستخدام إنزيمات القطع، يمكننا خلق حمض نووي (DNA) معاد الاتحاد بلصق جين البروتين الفلوري المستخدم كإشارة مع الجين الخاص ببروتين هذا النوع من السمك. بعد ذلك، يمكننا الانتظار لنرى أين يُنتج بروتين السمكة! يوضح الشكل 6 هذا الأمر.

في هذا المثال، نرى في الشكل الموضح بالأسفل أن هذا البروتين يتمركز في دماغ السمكة؛ ما يشير إلى احتمالية تأثير هذا البروتين على وظائف الدماغ.

تُقطع إنزيمات القطع جزيء DNA بطريقتين. لا تنتج جميع إنزيمات القطع نهايات لاصقة؛ حيث إن بعضها يقطع تتابعات التعرُّف الخاصة به دون ترك أطراف أو تتابعات غير مزدوجة من جزيء DNA. وتسمى هذه الأطراف نهايات حادة. يمكن استخدام هذا النوع من إنزيمات القطع في إنتاج حمض نووي (DNA) معاد الاتحاد أيضًا، لكنها ليست فعالة كإنزيمات القطع التي تترك نهايات لاصقة.

مثال ٥: التعرف على النهايات الحادة

يوضِّح الشكل الآتي آلية عمل إنزيم القَطْع Hpal. ما المصطلح الذي يُشير إلى نوع القَطْع الذي يُحدِثه إنزيم Hpal؟

1. نهايات مفتوحة.
2. نهايات حادة.
3. نهايات لاصقة.
4. نهايات مغلقة.
5. نهايات قصيرة.

الحل

تشبه إنزيمات القطع المقصات الجزيئية التي تقطع جزيء DNA إلى أجزاء. تستطيع إنزيمات القطع التعرف على تتابعات محددة من جزيء DNA تسمى تتابعات التعرف. ولكل إنزيم قطع تتابع تعرُّف فريد خاص به. في هذا المثال، يتعرف إنزيم القطع HpaI على التتابع GTTAAC، ويقطع جزيء DNA بالشكل الموضح.

يمكن قطع جزيء DNA بواسطة إنزيمات القطع بطريقتين مختلفتين.

الطريقة الأولى لقطع جزيء DNA هي ترك نهاية «حادة» لا يوجد فيها أطراف، كما هو موضح بالأسفل.

الطريقة الثانية هي قطع جزيء DNA وترك أطراف من القواعد غير المزدوجة من جزيء DNA، أو نهايات «لاصقة». يطلق على تلك الأطراف نهايات لاصقة لأن قواعد جزيء DNA لكل نهاية غير مزدوجة لها صلة بعضها ببعض وفقًا لأسس ازدواج القواعد المتكاملة. يوضح الشكل الآتي ذلك.

بما أن المثال الموجود في السؤال يوضح أن قطع جزيء DNA لم يترك أطرافًا؛ إذن فهو قطع ذو نهايات حادة. وعليه، تكون الإجابة الصحيحة هي الخيار (ب): نهايات حادة.

هيا نلخص بعض النقاط الرئيسية التي تناولناها في هذا الشارح.