فيديو الدرس: تطبيقات‪‎‬‏ البصمة الوراثية الأحياء • الصف الأول الثانوي

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نوضح ما هي البصمة الوراثية وكيف تعمل. وسنناقش أيضًا بعض استخدامات البصمة الوراثية، وسنفسر معًا بعض البصمات الوراثية البسيطة.

لسنوات عديدة، كانت الطريقة الوحيدة لتحديد مشتبه به مجهول الهوية هي العثور على بصمات الأصابع المتروكة في مسرح الجريمة وتحليلها؛ وذلك لأن بصمات الأصابع فريدة لكل شخص. بعد ذلك، اكتشف العلماء أن الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ الموجود في خلايانا فريد لكل منا أيضًا. وقد وفر ذلك أداة حديثة لمحققي الشرطة من أجل تحديد المشتبه بهم والضحايا. تستخدم هذه التقنية أيضًا على نطاق واسع في اختبار الأبوة، ومساعدة الأشخاص في البحث عن شجرة عائلتهم، وفي الأبحاث الطبية. قبل أن نستعرض بعض تطبيقات تقنية البصمة الوراثية، دعونا نفهم أولًا المبادئ الأساسية لهذه التقنية.

البصمة الوراثية، أو الطبعة الوراثية، هي عملية تكوين صورة مرئية لـ ‪DNA‬‏ أي شخص. وقد اخترع هذه العملية السير آليك جيفريز في ثمانينيات القرن العشرين. حيث اشتهر باستخدامه للبصمة الوراثية لحل قضية قتل مشهورة في ذلك الوقت. وظلت المبادئ الأساسية للبصمة الوراثية دون تغيير يذكر منذ ذلك الحين. لكن التقنيات المستخدمة تطورت كثيرًا. إذن، ما هو الأساس الذي تستند إليه الطبعة الوراثية؟ كما نعلم، تحتوي جميع خلايا الجسم على نواة، وكل نواة تحمل جميع المادة الوراثية، أو ‪DNA‬‏. ويحتوي ‪DNA‬‏ على جميع المعلومات التي تجعلنا ما نحن عليه. عادة ما يكون ‪DNA‬‏ في جميع خلايانا متشابهًا، ويظل كما هو في الخلايا السليمة طوال حياتنا.

‏‪DNA‬‏ هو جزيء طويل ملتف ومكثف. وفي حالة مد ‪DNA‬‏ البشر، فإن طوله يصل إلى مترين تقريبًا. ينقسم ‪DNA‬‏ إلى قطع تسمى الكروموسومات. ومن المعلوم أننا نرث نصف ‪DNA‬‏ من الأب البيولوجي، والنصف الآخر من الأم البيولوجية. والتوائم المتماثلة فقط هي التي لها نفس ‪DNA‬‏. لكن ‪DNA‬‏ بين أي شخصين من أي مكان على هذا الكوكب يظل متشابهًا بنسبة 99.9 بالمائة. إذن، ما يميز بعضنا عن بعض هو عشر بالمائة فقط من ‪DNA‬‏. لنكمل بحثنًا عن السبب الذي يجعل ‪DNA‬‏ لشخص ما مختلفًا عن الآخر.

إذا أخذنا قطعة واحدة من ‪DNA‬‏ وفككناها وكبرناها، فسنرى أن هذا الجزيء عبارة عن لولب مزدوج يحتوي على تتابع قواعد النيوكليوتيدات، الممثلة هنا بالقضبان الملونة داخل اللولب المزدوج. توجد أربعة أنواع من هذه القواعد، وهي ‪A‬‏ و‪T‬‏ و‪C‬‏ و‪G‬‏، وهي منظمة في صورة أزواج متكاملة. وكل خلية من خلايا أجسامنا، باستثناء الجاميتات أو الخلايا الجنسية، تحتوي على ستة مليارات من أزواج القواعد المتكاملة هذه. تسمى بعض من تتابعات قواعد النيوكليوتيدات هذه بالجينات. وهي تشفر المعلومات التي يمكن فك تشفيرها عن طريق آليات الخلية لتكوين وحدات وظيفية مثل جزيئات الحمض النووي الريبوزي ‪(RNA)‬‏ والبروتينات أو أي منهما.

جميع هذه البروتينات الناتجة عن جيناتنا تحدد سماتنا وصفاتنا المرئية. لكن في الواقع، واحد إلى اثنين بالمائة فقط من ‪DNA‬‏ لدينا يمثل جينات مشفرة. ويشار إلى معظم ‪DNA‬‏ بأنه ‪DNA‬‏ غير مشفر. ذلك لأنه لا يشفر مباشرة لتكوين جزيئات وظيفية مثل البروتينات. حتى أن علماء الوراثة الأوائل أطلقوا على هذا الجزء من ‪DNA‬‏ بأنه ‪DNA‬‏ غير وظيفي، لأنهم اعتقدوا أنه ربما يكون عديم الفائدة. لكن لنتغاضى عن ذلك. ففي الواقع، يؤدي هذا الـ ‪DNA‬‏ وظائف مهمة للغاية أيضًا، ولا يمكن اعتباره عديم الفائدة. وكما سنرى، يمكننا استخدام ‪DNA‬‏ غير المشفر في تمييز كل شخص. لذا، دعونا نتعرف أكثر على ‪DNA‬‏ غير المشفر.

تخيل أن كل ‪DNA‬‏ الموجود في الخلية ممثل بهذه الدائرة. وكما قلنا للتو، جزء صغير فقط من هذه الدائرة يعمل على تشفير ‪RNA‬‏ والبروتينات أو أي منهما. حيث تمثل جيناتنا واحدًا إلى اثنين بالمائة تقريبًا من الإجمالي. وكل ما تبقى هو غير مشفر، أي أنه لا ينتج ‪RNA‬‏ أو البروتينات. ونحو 20 بالمائة من ‪DNA‬‏ لا يزال له وظائف مجهولة. ونحن نعلم أن نحو 25 بالمائة مرتبط بالجينات، على سبيل المثال، للمساعدة في تنظيم طريقة التعبير عن الجينات. أما النسبة المتبقية من ‪DNA‬‏، وهي 53 بالمائة، فهي مكونة من تتابعات متكررة. ويمكن لمناطق التكرار هذه الموجودة، على سبيل المثال، عند أطراف الكروموسومات أو نهاياتها، المسماة التيلوميرات، أن تؤدي دورًا وقائيًّا باعتبارها جزءًا من ‪DNA‬‏. في البصمة الوراثية، قد يكون أحد أنواع ‪DNA‬‏ المتكرر، الذي يسمى التكرارات الترادفية القصيرة أو ‪STR‬‏، مفيدًا بشكل خاص؛ لأن عدد مرات تكرار هذه التتابعات القصيرة قد يختلف بدرجة كبيرة من شخص لآخر، وهو فريد بالنسبة إلى كل شخص.

في هذا الشكل، ننظر إلى المنطقة نفسها من الكروموسوم في ثلاثة أشخاص مختلفين. ومن المعروف أن هذه المنطقة تحتوي على موقعين، وهما الموقع 1 والموقع 2، حيث يتكرر تتابع النيوكليوتيدات ‪AGAT‬‏ لعدد مختلف من المرات. يمكنك أن تلاحظ أن كل شخص لديه تركيبة فريدة من التكرارات في هذين الموقعين. والآن، تخيل أن الجينوم يحتوي على العديد من المواقع الأخرى مثل هذه، وكل موقع به عدد مختلف للغاية من التكرارات. ينتج عن هذا مليارات من التركيبات المختلفة. لذا، تكون البصمة الوراثية فريدة حقًّا لكل شخص. كيف ينشأ هذا الاختلاف بين الاشخاص؟ لأن هذه المناطق من ‪DNA‬‏ متكررة للغاية، فإن الآلية التي تضاعفها أثناء إنتاج الجاميتات تكون أكثر عرضة لارتكاب أخطاء، ومن ثم تؤدي إلى زيادة أو تقليل عدد مرات تكرار هذه التتابعات.

وهذه الطفرات، أي الزيادة أو النقصان في عدد التكرارات، ليس لها في الأساس أي نتائج على النسل، لأنها تؤثر على المناطق غير المشفرة، لذا فهي تتراكم بسهولة أثناء إنتاج الجاميتات ثم تنتقل من الوالدين إلى الأبناء. ونتيجة لذلك، يمكن أن تختلف هذه المناطق اختلافًا كبيرًا بين الأشخاص ويمكن أن تكون بصمة فريدة للغاية لكل منا. عندما أصبح العلماء على دراية بالطابع الفريد لهذه المناطق المتكررة في كل شخص، ابتكروا طريقة لتمثيل هذه الاختلافات في صورة مرئية. وقد أثبتت عملية التمثيل هذه أنها مفيدة للغاية في العديد من التطبيقات، مثل حل الجرائم.

لنتخيل أننا نفحص مسرح جريمة. كيف يمكننا استخدام البصمة الوراثية؟ أولًا، نستخرج ‪DNA‬‏ من الأنسجة الحيوية المناسبة التي عثر عليها في مسرح الجريمة. يمكن الحصول على ذلك من الخلايا الموجودة في بقعة دم، أو شعرة، أو حتى في الكمية البالغة الصغر من أنسجة الجلد التي تترك عندما يلمس الشخص سطحًا ما. يمكننا بعد ذلك تضخيم ‪DNA‬‏، أي مضاعفته وإنتاج العديد من النسخ منه، بحيث يصبح لدينا ما يكفي للتحليل حتى وإن كانت العينة الابتدائية صغيرة جدًّا. ونريد أيضًا أن نفعل الشيء نفسه مع عينات ‪DNA‬‏ المأخوذة من المشتبه بهم، ربما من خصلة من شعرهم، أو عينة من خلايا جلدهم. ثم نضيف إنزيم القطع لكل أنبوب.

إنزيم القطع هو إنزيم يكسر ‪DNA‬‏ في مواضع تتابعات معينة من النيوكليوتيدات تسمى مواقع القطع. ونظرًا لأن الإنزيم يستهدف مواقع ومناطق ‪DNA‬‏ غير المشفر التي تختلف في عدد التكرارات بين مواقع القطع، فإن قطع عينات ‪DNA‬‏ من عدة أشخاص في مواقع القطع نفسها يؤدي إلى الحصول على مقاطع ‪DNA‬‏ بأطوال مختلفة تمامًا. والآن، علينا العثور على طريقة لفصل جميع أجزاء ‪DNA‬‏ من كل عينة من العينات. ومن أجل ذلك، نحتاج إلى هلام الفصل الكهربي.

الفصل الكهربي الهلامي هو أسلوب يستخدمه العلماء لفصل أجزاء ‪DNA‬‏ من كل عينة بناء على حجمها. في هذه العملية، توضع عينات ‪DNA‬‏ داخل فجوات موجودة عند طرف الهلام. تتضمن هذه العينات أولًا سلم ‪DNA‬‏، أو محلولًا معياريًّا لأجزاء ‪DNA‬‏، الذي يسهل تفسير العينات الأخرى عن طريق المقارنة. علينا أيضًا إضافة عينة من مسرح الجريمة لمقارنتها مع المشتبه بهم المختلفين. وأخيرًا، علينا إضافة العينات المأخوذة من كل من المشتبه بهم. في هذه الحالة، أضفنا ثلاث عينات للمشتبه بهم، أو للمشتبه به واحد، واثنين، وثلاثة.

ثم يمرر تيار كهربي خلال الهلام. ونظرًا لأن أجزاء ‪DNA‬‏ مشحونة كهربيًّا، فستتحرك عبر الهلام باتجاه الطرف الموجب الشحنة. لكن نظرًا للاختلاف في أحجام أجزاء ‪DNA‬‏، فإنها تتحرك بسرعات مختلفة داخل الهلام. تتحرك الأجزاء الصغيرة بسهولة أكبر عبر ألياف الهلام، ومن ثم تتحرك بسرعة أكبر، في حين تواجه الأجزاء الأكبر حجمًا صعوبة أكبر في التحرك بين ألياف الهلام، ومن ثم تتحرك ببطء أكبر عبر الهلام. بعد مرور بعض الوقت، وتمكن بعض أجزاء ‪DNA‬‏ على الأقل من التحرك حتى نهاية الهلام، يمكننا إيقاف التيار.

يحتوي الهلام على نوع خاص من الصبغة يميز ‪DNA‬‏. بعد ذلك، تنتج آلة حساسة لصبغة ‪DNA‬‏ صورة للنتائج، مشابهة لما نراه هنا. ونمط الشرائط الوراثية الذي تنتجه كل عينة ‪DNA‬‏ على الهلام هو ما نسميه البصمة الوراثية للشخص. يتميز كل شخص ببصمته الوراثية الفريدة؛ لأن عدد التكرارات في أجزاء ‪DNA‬‏ المتكررة فريد؛ ومن ثم فإن أحجام أجزاء ‪DNA‬‏ عند معالجتها بإنزيم القطع تكون فريدة أيضًا.

والآن، لنلق نظرة على البصمات التي نراها على هذا الهلام ونقارن بينها وبين بصمات الدم التي وجدناها في مسرح الجريمة. هل يبدو أن أحد هؤلاء المشتبه بهم متطابق؟ نعم، المشتبه به رقم ثلاثة متطابق. يمكننا معرفة ذلك لأن البصمة الوراثية لهذا الشخص لها نفس نمط الشرائط الوراثية الموجود في العينة التي عثر عليها في مسرح الجريمة. وهذا يشير إلى أن هذا الشخص كان موجودًا على الأرجح في مسرح الجريمة.

يشيع استخدام البصمة الوراثية في الوقت الحالي في علم الطب الشرعي باعتبارها طريقة للمساعدة في تحديد وجود شخص ما واحتمالية تورطه في جريمة ما. وتسمح لنا التقنيات الوراثية الأحدث بالحصول على البصمة الوراثية من عينة صغيرة جدًّا من ‪DNA‬‏ لشخص. ثمة استخدام آخر شائع للبصمة الوراثية، وهو تحديد الأبوة البيولوجية. بما أننا ورثنا نصف المادة الوراثية من الأم البيولوجية والنصف الآخر من الأب البيولوجي، فمن المرجح أن يتطابق نصف بصمتنا الوراثية مع بصمة الأم، ومن المرجح أن يتطابق النصف الآخر مع بصمة الأب.

لتحديد الأبوة باستخدام البصمة الوراثية، يحصل علماء الوراثة على ثلاث عينات من ‪DNA‬‏؛ واحدة من الأم، وواحدة من الطفل، وواحدة من الأب المحتمل. ثم يتبعون الخطوات نفسها التي ناقشناها سابقًا لتكوين بصمة وراثية لكل شخص، ولتحديد أن هذا الأب المحتمل هو في الواقع والد هذا الطفل. أولًا، تحدد الأجزاء المشتركة بين الأم والبصمة الوراثية للطفل وتستبعد. بعد ذلك، تقارن الأجزاء المتبقية من البصمة الوراثية للطفل ببصمة الأب المحتمل لمعرفة إذا ما كان يحتمل أنها ورثت منه. في هذه الحالة، كل ما تبقى من البصمة الوراثية للطفل التي لا تتطابق مع الأم تتطابق مع أجزاء البصمة الوراثية لهذا الأب المحتمل. إذن، من المرجح جدًّا أن يكون هذا الرجل هو الأب البيولوجي لهذا الطفل.

يشهد مجال البصمة الوراثية تطورات طوال الوقت لجعله أكثر موثوقية. حيث تجمع العينات بحذر شديد لتجنب تلوثها بـ ‪DNA‬‏ خارجي. وهذا مهم بشكل خاص بالنسبة للعينات التي تجمع من أي مسرح جريمة، وهو ما يجعل المحققين الذين يجمعون ‪DNA‬‏ يظهرون عادة أشبه برواد الفضاء بسبب كل الملابس الواقية التي يرتدونها. وأيضًا، يراعى الحرص على منع تكسير عينات ‪DNA‬‏ قبل تحليلها. وعند تحليل البصمات الوراثية، تساعد أجهزة الكمبيوتر القوية في زيادة دقة تفسير البصمات ومقارنتها. واليوم، تستخدم البصمة الوراثية بالفعل لحل العديد من الجرائم ولمساعدة العديد من الأشخاص في العثور على والديهم أو أسلافهم.

لنر كم تعلمنا عن تطبيقات البصمة الوراثية من خلال تطبيق معرفتنا على سؤال تدريبي.

املأ الفراغ. يمكن استخدام البصمة الوراثية للتعرف على الكائنات الحية الوثيقة القرابة، وتحليل العينات الموجودة في مسارح الجرائم باستخدام تقنيات الطب الشرعي، و(فراغ). (أ) خلق حمض نووي ‪(DNA)‬‏ معاد الاتحاد، (ب) تحديد الأبوين البيولوجيين للطفل، (ج) علاج الأمراض الجينية والوراثية، (د) إنتاج مقاطع مصنعة من الحمض النووي ‪(DNA)‬‏.

لكل شخص جينوم فريد، باستثناء التوائم المتماثلة. والبصمة الوراثية هي تقنية تستخدم لتكوين تمثيل مرئي للتركيب الجيني الفريد لأي شخص. ومن خلال تمثيل التركيب الجيني لشخص ما وفحصه، يمكننا إيجاد بعض المعلومات القيمة. على سبيل المثال، يمكننا المقارنة بين عينات من ‪DNA‬‏ لتحديد إذا ما كان شخص ما موجودًا في أحد مسارح الجريمة. أو يمكننا المقارنة بين عينات من ‪DNA‬‏ من أنواع مختلفة لاستكشاف العلاقات التطورية.

ويمكن أيضًا استخدام البصمة الوراثية لحل قضايا الأبوة في حالات النزاع على نسب طفل. يرجع سبب ذلك إلى أن الطفل يرث نصف مادته الوراثية، ومن ثم نصف بصمته الوراثية، من الأم، والنصف الآخر من الأب. وبمقارنة البصمة الوراثية للطفل بتلك الخاصة بالآباء المحتملين، يمكن للعلماء تحديد أي من الذكور يرجح أن تربطه قرابة بالطفل.

لكن البصمة الوراثية ليست طريقة لتكوين أي نوع من المادة الوراثية أو لعلاج أي أمراض وراثية. ولا نستخدم البصمة الوراثية لإنتاج مقاطع مصنعة من ‪DNA‬‏، لكن لتحليل عينة من ‪DNA‬‏ التي أخذناها فقط. إذن الإجابة الصحيحة هي (ب). يمكن استخدام البصمة الوراثية للتعرف على الكائنات الحية الوثيقة القرابة، وتحليل العينات الموجودة في مسارح الجرائم باستخدام تقنيات الطب الشرعي، وتحديد الأبوين البيولوجيين للطفل.

لنراجع النقاط الأساسية التي ناقشناها. معظم ‪DNA‬‏ في البشر لا يشفر لإنتاج بروتينات. ولكنه يعد غير مشفر. تختلف المناطق غير المشفرة اختلافًا كبيرًا بين الأشخاص. وهذا يساهم في تكوين ‪DNA‬‏ فريد من نوعه. جميع البشر، باستثناء التوائم المتماثلة، لديهم ‪DNA‬‏ فريد. تنتج البصمة الوراثية تمثيلًا مرئيًّا للأنماط الفريدة من ‪DNA‬‏ غير المشفر لشخص ما. وهي تستخدم في الطب الشرعي، وتحليل النسب، والأبحاث الطبية.