فيديو الدرس: التكنولوجيا الجزيئية الأحياء • الصف الثالث الثانوي

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سنتعرف على بعض التقنيات الجزيئية المختلفة. وسنناقش المعلوماتية الحيوية، وكيف يمكن استخدامها لإلقاء نظرة على العلاقات التطورية، عن طريق ما يعرف باسم آلات الجينات، لإنتاج المقاطع المطلوبة من الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ الاصطناعي وأيضًا لتهجين ‪DNA‬‏. وسنناقش مزايا هذه التقنيات وتطبيقاتها.

سنبدأ بمناقشة تقنية جزيئية مهمة معروفة باسم المعلوماتية الحيوية. على سبيل المثال، البشر والشمبانزي يتشاركان معًا في الكثير من ‪DNA‬‏. وفي الواقع، إن نسبة 99 بالمائة تقريبًا من ‪DNA‬‏ الخاص بهما متماثلة. إذن، كيف حددنا ذلك؟ بشكل أساسي، علينا محاذاة التتابعين ثم البحث عن الاختلافات. لكن ثمة مشكلة ضخمة، وهي أن تتابع الجينوم، أو إجمالي ‪DNA‬‏ الخاص بنا وبالشمبانزي، يبلغ طوله نحو ثلاثة مليارات قاعدة مزدوجة. وهذا عدد ضخم. ربما يكون من السهل كتابته على الورق، لكن لإعطائك فكرة، فإن مليار ثانية يساوى بالضبط أكثر من 31 سنة.

لذا، لكي نسهل عملية المقارنة هذه، نستخدم واحدة من أعظم أدوات الجنس البشري – الكمبيوتر. حيث يمكن لأجهزة الكمبيوتر محاذاة هذين التتابعين وفحصهما بحثًا عن التباينات بسرعة تفوق بكثير قدرة أي من الإنسان، أو الشمبانزي. وهذا مثال لتطبيقات مجال المعلوماتية الحيوية. فهو مزيج من علوم الكمبيوتر وعلم الأحياء لتحليل بيانات حيوية ضخمة ومعقدة، مثل تتابع ‪DNA‬‏ الموضح هنا. إذن، باستخدام الكمبيوتر، يمكننا محاذاة القواعد المزدوجة التي يبلغ عددها ثلاثة مليارات أو نحو ذلك في جينوم الإنسان والشمبانزي، وسيخبرنا خلال مدة زمنية معقولة إلى أي مدى يتشابهان.

يمكن أن تخبرنا تتابعات ‪DNA‬‏ الكثير عن مد قرابتنا من الأنواع الأخرى. إذن، بينما يتشارك البشر والشمبانزي في نحو 99 بالمائة من ‪DNA‬‏ الخاص بهما، فماذا عن نوع آخر، مثل الدجاج؟ الآن، إذا شملنا بعضًا من تتابع ‪DNA‬‏ للدجاج، سنلاحظ وجود المزيد من الاختلافات. ففي الشمبانزي، كانت توجد قاعدة مزدوجة واحدة مختلفة عن ‪DNA‬‏ الإنسان، وهي الآن محددة بخط أسود، في حين أن في ‪DNA‬‏ الدجاج، يمكن أن نلاحظ وجود خمسة قواعد مزدوجة مختلفة. ولأن ‪DNA‬‏ في الإنسان والدجاج أقل تشابهًا مقارنة بـ ‪DNA‬‏ في الإنسان والشمبانزي، يقال إن الإنسان والدجاج أبعد قرابة من البشر والشمبانزي. والسبب في هذا أن البشر والشمبانزي يتشاركان سلفًا مشتركًا أكثر حداثة مما يتشاركه البشر والدجاج، وهذا هو السبب في أن البشر والشمبانزي بينهما قدر أكبر من ‪DNA‬‏ المشترك.

فضلًا عن إلقاء نظرة على تتابعات ‪DNA‬‏، يمكن أيضًا أن نقارن تتابعات الأحماض الأمينية في البروتينات لدراسة العلاقات التطورية. إذن، لدينا هنا مقطع من هرمون الإنسولين في الأنواع الثلاثة، وكما هي الحال بالنسبة إلى ‪DNA‬‏، يمكن أن تساعدنا المعلوماتية الحيوية على إيجاد الاختلافات في هذه التتابعات. حيث لا يقتصر دور المعلوماتية الحيوية على إيجاد العلاقات التطورية فحسب. بل يمكن أيضًا أن نستخدمها في دراسة التعبير الجيني، أو دراسة كيف تلتف البروتينات، أو كيف تتفاعل عشرات الآلاف من البروتينات بعضها مع بعض. فهناك الكثير مما نحتاج إلى فهمه عما يحدث داخل الخلية، والكمبيوتر هو الأداة المناسبة لهذا العمل.

لنفترض أننا نريد أن ندرس العلاقة التطورية للإنسولين بين هذه الأنواع بمزيد من التفاصيل. ثمة طريقة أخرى لتحقيق ذلك، لكن قبل أن نتناولها، علينا أولًا إنتاج نسخة من ‪DNA‬‏ لجين الإنسولين. والأداة الصحيحة لأداء هذا العمل هي آلة الجينات. آلة الجينات هي أداة معملية لتخليق جينات، أو مقاطع ‪DNA‬‏، من تتابع مدخل على كمبيوتر. ويمكننا أن نضع تتابع ‪DNA‬‏ مباشرة، أما إذا كان لدينا فقط تتابع الأحماض الأمينية للبروتينات، عند ذلك يمكن لآلة الجينات إيجاد تتابع ‪DNA‬‏ من خلاله. لنلق نظرة على هذه العملية بمزيد من التفاصيل.

تذكر أن ‪DNA‬‏ ينسخ لتكوين تتابع حمض نووي ريبوزي رسول ‪(mRNA)‬‏، الذي يترجم بعد ذلك لتكوين تتابع الأحماض الأمينية للبروتين. لذا، دعونا نتناول هذه العملية. لدينا هنا مقطع من بروتين الإنسولين، وإذا كنا سنحول هذا الحمض الأميني، الألانين، مرة أخرى إلى ‪mRNA‬‏، فعلينا أن نلقي نظرة على عجلة الكودونات لكي نفعل هذا. إذن، موقع الألانين هنا، والكودون المناظر للألانين هو ‪GCU‬‏. والحمض الأميني التالي هو السيرين، وهو يناظر الكودون ‪UCU‬‏. بملء بقية الكودونات، نحصل على هذا التتابع من ‪mRNA‬‏.

الآن، يمكننا تحويل ذلك إلى تتابع ‪DNA‬‏. تذكر أن ‪mRNA‬‏ و‪DNA‬‏ لهما اتجاهية، لذا دعونا نوضح ذلك هنا. الآن، سنحول ببساطة هذا التتابع في ‪DNA‬‏، مع تذكر أن الثايمين في ‪DNA‬‏ يحل محل اليوراسيل في ‪mRNA‬‏. إذن، لدينا شريط واحد. والآن، دعونا نملأ الشريط الثاني المكمل. رائع! إذن هذا هو تتابع ‪DNA‬‏ لقطعة من بروتين الإنسولين. وكما لاحظنا، يمكننا إيجاد كل هذا يدويًّا، لكن آلة الجينات يمكنها أن تفعل ذلك تلقائيًّا باستخدام الكمبيوتر. وبعد ذلك، تخلق آلة الجينات تتابع ‪DNA‬‏ هذا، ولكي تفعل ذلك، تستخدم شيئًا يطلق عليه اسم قليل النيوكليوتيد.

قليل النيوكليوتيد هو قطعة قصيرة من ‪DNA‬‏ الاصطناعي أو ‪RNA‬‏ الاصطناعي، وعادة ما تكون مفردة الشريط. وتجمع آلة الجينات اثنين من قليلات النيوكليوتيد. تناظر القطعة الأولى جزءًا واحدًا من التتابع الموجود في أحد الشريطين، في حين تناظر القطعة الثانية جزءًا آخر من التتابع المستهدف في الشريط المقابل. ونلاحظ أن لدينا الآن قطعتين من قليلات النيوكليوتيد تمتدان على طول تتابع ‪DNA‬‏ المستهدف، الذي يمثل جزءًا من جين الإنسولين. وما ينقصنا الآن هو هذان الفراغان في التتابع عند كلا الطرفين. إذن، كيف نملأ هذين الفراغين؟ نلاحظ هنا أن لدينا مقطعًا متداخلًا في الموضع الذي تلتقي فيه قطعتا قليل النيوكليوتيد. وهذا الموضع عبارة عن ‪DNA‬‏ مزدوج الشريط، ويمكن أن يعمل باعتباره موقع ارتباط لإنزيم تاك بوليميريز.

تاك بوليميريز نوع من أنواع إنزيم بلمرة ‪DNA‬‏، وهو الإنزيم الذي يؤدي دورًا في تضاعف ‪DNA‬‏ تمهيدًا للانقسام الخلوي. ونحن نستخدم هذا الإنزيم لأنه قادر على ملء هذين الفراغين، ويمكن أيضًا استخدامه في تفاعل البلمرة المتسلسل، أو ما يطلق عليه اختصارًا ‪PCR‬‏. وهذه تقنية تكون نسخًا متعددة من هذا التتابع المستهدف، وهي مفيدة لأننا نريد الحصول على الكثير منه لكي يتسنى لنا استخلاصه ودراسته. لذا، فإن تاك بوليميريز قادر على ملء الفراغ في الشريط العلوي باستخدام الشريط المقابل باعتباره قالبًا لإضافة نيوكليوتيدات مكملة، حيث يمكن بعد ذلك أن ينفصل ومن ثم يعاود الارتباط في الموضع الذي يمكنه فيه الآن أن يملأ الفراغ في الشريط المقابل.

لدينا الآن تتابع ‪DNA‬‏ المكتمل المصنع باستخدام آلة الجينات. ومن المميزات الواضحة لاستخدام آلة جينات في تخليق جينات أو مقاطع ‪DNA‬‏ هي مدى سهولة ذلك. فكل ما عليك ببساطة هو إدخال تتابع البروتينات من البروتين المطلوب، وآلة الجينات ستخلق الجين المناظر له. والميزة الأخرى هي أن ‪DNA‬‏ المصنع يكون خاليًا من الإنترونات. تذكر أن الجينات عادة ما تحتوي على إنترونات، وهي مقاطع ‪DNA‬‏ غير مشفر يجب إزالتها من ‪mRNA‬‏ لتجميع تتابع تشفير البروتين. بما أننا ندخل تتابع البروتين مباشرة إلى آلة الجينات، فلا داعي للقلق بشأن التتابعات غير المشفرة.

والآن بعد تصنيع ‪DNA‬‏ للإنسولين، نحن مستعدون لدراسة المزيد عن العلاقة التطورية بين الإنسولين في الإنسان والشمبانزي والدجاج. ولكي نفعل ذلك، سنلقي نظرة على تقنية جزيئية يطلق عليها اسم التهجين. التهجين هو عملية دمج جزيئين متكاملين مفردي الشريط من ‪DNA‬‏ أو ‪RNA‬‏. وليس ضروريًّا أن يأتي جزيء ‪DNA‬‏ أو ‪RNA‬‏ من المصدر نفسه. لذا، يمكننا تهجين ‪DNA‬‏ للإنسولين البشري مع ‪DNA‬‏ للدجاج لنرى مدى التشابه بينهما. دعونا نسترجع كيف يعمل ذلك. لدينا هنا مقطع ‪DNA‬‏ للإنسولين البشري، وبين الشريطين روابط هيدروجينية تربط الشريطين معًا.

بتسخين ‪DNA‬‏ عادة إلى 95 أو 100 درجة سلزية، يمكن أن نضعف هذه الروابط وفي النهاية نكسرها مما يسبب انفصال الشريطين إلى جزيئي ‪DNA‬‏ مفردي الشريط. والآن، إذا خفضنا درجة الحرارة بسرعة إلى نحو خمس إلى 10 درجات سلزية، تزدوج القاعدتان المتكاملتان معًا مرة أخرى لإعادة تكوين الروابط الهيدروجينية. وهذا الدمج لجزيئين متكاملين مفردي الشريط من ‪DNA‬‏ أو ‪RNA‬‏ يطلق عليه اسم الالتصاق. المثير للاهتمام أن هذين المصدرين لـ ‪DNA‬‏ أو ‪RNA‬‏ ليس من الضروري أن يكونا متماثلين. لذا، إذا كان لدينا جزيء ‪DNA‬‏ المناظر لجين إنسولين الشمبانزي، يمكن أن نهجن جزيئي ‪DNA‬‏ هذين معًا. إذن، نخلط جزيئي ‪DNA‬‏ هذين معًا ثم نسخن العينة لكي نكسر الرابطة الهيدروجينية، ونكون جزيئي ‪DNA‬‏ مفردي الشريط. والآن، سنبرد العينة حتى يتسنى لجزيئي ‪DNA‬‏ مفردي الشريط أن يلتصقا.

إذن، يمكن أن يزدوج الجزيئان مفردا الشريط لكل من ‪DNA‬‏ للإنسان و‪DNA‬‏ للشمبانزي معًا مرة أخرى، ويكونا جزيء ‪DNA‬‏ الأصلي لكل منهما. لكن أحيانًا، يلتصق أحد شريطي ‪DNA‬‏ للشمبانزي بالشريط المكمل من ‪DNA‬‏ للإنسان. لذا، دعونا نر ما يبدو عليه تهجين هذين الشريطين. في هذا الهجين بين الإنسان والشمبانزي لمقطع من جين الإنسولين، يمكن أن نلاحظ أن معظم هذه القواعد متكاملة مع بعضها، وتكون روابط هيدروجينية، باستثناء واحدة منها. هذه القاعدة الواحدة مختلفة في ‪DNA‬‏ الشمبانزي، ومن ثم فإنها لن تكون رابطة هيدروجينية. ويمكن أن نلاحظ هذا الأمر بصورة أوضح إذا هجنا ‪DNA‬‏ الإنسان مع ‪DNA‬‏ الدجاج الأبعد قرابة.

هنا يمكن أن نلاحظ وجود تباينات أكثر بكثير. ونظرًا لوجود روابط هيدروجينية أقل تربط هجين الإنسان والدجاج معًا، فإن فصل الشريطين سيتطلب قدرًا أقل من الطاقة، أو درجة حرارة أقل، مقارنة بهجين الإنسان والشمبانزي، الذي يحتوي على روابط هيدروجينية أكثر، ومن ثم سيتطلب قدرًا أكبر من الطاقة، أو درجة حرارة أعلى، لفصل الشريطين. بهذه الطريقة، يمكننا أن نستخدم التهجين لنوضح مدى تشابه تتابعي ‪DNA‬‏ مع بعضهما، وهو ما يمكن استخدامه لإنشاء علاقات تطورية بين الأنواع.

فضلًا عن استخدام التهجين لدراسة التطور، فإن له تطبيقات أخرى أيضًا، ويطلق على إحداها اسم الرقائق الدقيقة. تخيل أنك تعمل في مجال التبرع بالدم، وهناك آلاف من الأشخاص الذين تبرعوا بدمائهم. مهمتك هي فحص هذه العينات للكشف عن الأمراض المعدية، مثل فيروس نقص المناعة البشري، أو الالتهاب الكبدي. لا شك أن التعامل مع هذه المهمة عينة تلو الأخرى سيستغرق وقتًا طويلًا للغاية. الرقاقة الدقيقة هي رقاقة صغيرة في حجم كف اليد، تحتوي على آلاف من الحفر الدقيقة التي تشبه أنابيب اختبار صغيرة لتجارب التهجين.

لنلق الآن نظرة فاحصة على إحداها. يرتبط بأسفل كل حفرة قليلات نيوكليوتيد ذات تتابع محدد. ونظرًا لأننا نتحدث عن أمراض معدية، فإن قليلات النيوكليوتيد هذه يمكن أن تكون مخصصة للالتهاب الكبدي، أو فيروس نقص المناعة البشري، أو أي نوع من أنواع مسببات الأمراض التي تسبب المرض. لذا، تعالج عينة الدم لاستخلاص جميع ‪DNA‬‏ أو ‪RNA‬‏ الموجود في دم المتبرع الذي يحتمل أنه يشتمل على ‪DNA‬‏ أو ‪RNA‬‏ لمسبب المرض الذي نريد اكتشافه. وهذا يرمز له بعد ذلك بعلامة موضحة هنا باللون الأخضر.

إذا كانت العينة تحتوي على أحد مسببات الأمراض التي نكشف عنها، فإن ‪DNA‬‏ أو ‪RNA‬‏ الخاص به سيلتصق مع قليل النيوكليوتيد المتكامل معه والمتصل بالرقاقة. يؤدي ذلك إلى حدوث توهج، ويتسبب في أن تضيء الحفرة المناظرة في الرقاقة الدقيقة. ويمكن أن نلاحظ النتائج هنا، فكل نقطة تمثل متبرعًا مختلفًا، والعينات الإيجابية مشار إليها بنقاط خضراء. إذن هؤلاء المتبرعون لن يكونوا مناسبين للتبرع بالدم.

الآن، دعونا نتناول سؤالًا تدريبيًّا، ونطبق ما تعلمناه في هذا الفيديو.

يمكن دمج وتهجين الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ من مصادر مختلفة، في سلسلة من الخطوات. أولًا: يكسر الحمض النووي المزدوج الشريط ليفصل إلى شريطين مفردين. كيف يلتصق شريطا الحمض النووي المفردان لكائنين مختلفين معًا، بعد ذلك؟ (أ) يستخدم إنزيم الربط لتحفيز تكون روابط ببتيدية. (ب) يستخدم إنزيم تحليل الحمض النووي ‪(DNase)‬‏ لإصلاح الروابط التساهمية المنكسرة بين القواعد. (ج) ترفع درجة الحرارة بسرعة لتوفير الطاقة اللازمة لتكون روابط هيدروجينية بين القواعد. (د) يدمج الشريطان معًا فيزيائيًّا حتى يرتبطا. أو (هـ) تخفض درجة الحرارة؛ بحيث تتكون روابط هيدروجينية بين القواعد المتكاملة.

يسألنا هذا السؤال عن الخطوات المتضمنة في تهجين ‪DNA‬‏. دعونا نمسح خيارات الإجابة لكي نوفر مساحة أكبر للحل. تهجين ‪DNA‬‏ هو عملية دمج جزيئين متكاملين مفردي الشريط من ‪DNA‬‏ أو ‪RNA‬‏، وله تطبيقات مفيدة عديدة، على سبيل المثال، في تحديد العلاقات التطورية بين الكائنات الحية.

لنفترض أن نوعًا جديدًا من القردة اكتشف، سنطلق عليه اسم ذي القدم الكبيرة، لأن قدميه كبيرتان بشكل لافت للانتباه، ونحن نريد أن نرى مدى قرابتنا منه. ولدينا بعض من ‪DNA‬‏ الخاص به، وجزء منه موضح هنا، ونريد أن نقارن التتابعين. إحدى الطرق التي يمكننا أن نفعل بها هذا هي تهجين ‪DNA‬‏. ستلاحظ أن كلا الشريطين مشار إليهما، أحدهما هو الشريط خمسة شرطة ثلاثة شرطة، والآخر هو الشريط ثلاثة شرطة خمسة شرطة. وستلاحظ أيضًا أن هذين الشريطين مرتبطان معًا بروابط هيدروجينية، موضحة هنا بهذه الخطوط السوداء. وهذه الروابط الهيدروجينية تربط هذين الشريطين معًا بمقدار محدد من الطاقة.

برفع درجة الحرارة، يمكننا أن نكسر هذه الروابط. وبعد ذلك، يسمح هذا لجزيء ‪DNA‬‏ مزدوج الشريط أن ينفصل إلى جزيئي ‪DNA‬‏ مفردي الشريط. يمكن عكس هذه العملية بخفض درجة الحرارة. وهذا يسمح بإعادة تكون الروابط الهيدروجينية بين الشريطين، ويمكن أن يلتصقا أو يعودا معًا مرة أخرى لتكوين جزيء مزدوج الشريط. في هذه الحالة، يندمج كلا الشريطين الأصليين معًا مرة أخرى في ‪DNA‬‏ الإنسان و‪DNA‬‏ القرد ذي القدم الكبيرة. هذا ما يحدث بالفعل، لكن أحيانًا يقترن ‪DNA‬‏ القرد ذي القدم الكبيرة مع ‪DNA‬‏ الإنسان أيضًا. ولأن التتابعين غير متطابقين، فلن تزدوج جميع القواعد.

الآن، إذا عزلنا هجين الإنسان والقرد ذي القدم الكبيرة، ورفعنا درجة الحرارة، فنظرًا لهذه التباينات، يمكن أن تستخدم الطاقة أو درجة الحرارة اللازمة لفصل هذين الشريطين لتقدير مدى تشابه التتابعين، وهو ما يمكن استخدامه لوصف العلاقة التطورية. أثناء تهجين ‪DNA‬‏، لا تستخدم أي إنزيمات، بل فقط تغييرات في درجة الحرارة. وبخفض درجة الحرارة، يمكن أن يلتصق شريطا ‪DNA‬‏ المفردان معًا لتكوين روابط هيدروجينية.

لنسترجع بعض النقاط الرئيسية التي تناولناها في هذا الفيديو. توجد العديد من التقنيات الجزيئية المختلفة الشائعة الاستخدام. يستعين مجال المعلوماتية الحيوية بأجهزة الكمبيوتر لتقييم البيانات الحيوية مثل تتابعات ‪DNA‬‏، ويمكن استخدامها للمساعدة على إنشاء علاقات تطورية. آلات الجينات تخلق جينات، أو مقاطع ‪DNA‬‏، من تتابعات بروتينات. وهذا لا يجعل الحصول على تتابعات ‪DNA‬‏ سهلًا فحسب، بل إن هذه التتابعات تكون خالية من المناطق غير المشفرة. يمكن استخدام تهجين ‪DNA‬‏ لكي يلتصق ‪DNA‬‏ أو ‪RNA‬‏ من مصدرين مختلفين. ويمكن استخدام ذلك للمساعدة على إنشاء علاقات تطورية بين الأنواع، أو في تنفيذ تقنيات متخصصة مثل رقائق ‪DNA‬‏ الدقيقة.