زیست‌فناوری چیست؟ درسنامه + تست زیست دوازدهم

زیست‌فناوری

اگر از موجود زنده یا حتی بخشی از موجود زنده یا یک فراورده زیستی برای بهبود زندگی بشر استفاده کنیم، زیست‌‌فناوری محسوب می‌شود. زیست‌فناوری انواعی دارد و از انواع رشته‌ها نیز استفاده می‌کند؛ مثلاً از رشته‌های شیمی، ژنتیک، ریاضی، فیزیک، بخش الکتریکی و… استفاده می‌کند؛ و از طرفی زیست‌فناوری دارویی، پزشکی، کشاورزی، مولکولی و… وجود دارد، که در این زمینه‌­ها مؤثر واقع شده‌اند و به پیشبرد اهداف بشر کمک کرده‌­اند.

تاریخچۀ زیست‌­‌فناوری

◊ سنتی

◊ کلاسیک

◊ نوین

زیست‌­فناوری سنتی: درست­‌کردن نان، ماست، سرکه، مشروب الکی مربوط به همین دوره است؛ یعنی درواقع انسان‌ها از سال‌ها قبل از زیست‌فناوری استفاده کرده‌اند بدون این­که خودشان آگاه باشند.

زیست‌فناوری کلاسیک: درست‌­کردن موادی مثل آنتی‌بیوتیک‌ها، آنزیم‌ها و مواد غذایی در این دوره ممکن بوده است.

زیست‌فناوری نوین: در ابتدا انتقال ژن در یک میکروارگانیسم به میکروارگانیسم دیگر در این دوره شروع شده است.

مهندسی ژنتیک

مهندسی ژنتیک یک روش در زیست‌فناوری است؛ در مهندسی ژنتیک یک قطعه‌ای از DNA یک سلول که یک ویژگی خاص (موردنظر) دارد، توسط یک ناقل به سلول دیگر که می‌خواهیم این ویژگی را دریافت کند، وارد کنیم، که باعث می‌شود صفت خاصی به سلول دریافت­‌کننده بدهد.

جاندار تراژن: به جانداری که از طریق مهندسی ژنتیک یک ژن خارجی (بیگانه) به ژنوم و محتوای ژنتیکی آن وارد شود جاندار تراژن گفته می‌شود. در ابتدا جاندار تراژن با باکتری‌ها شروع شد؛ اما در ادامه و طی پیشرفت‌های بعدی امکان گیاهان و جانوران تراژن نیز فراهم شد.

مراحل ایجاد گیاه تراژن:

• تعیین صفت یا صفت‌های موردنظر
• استخراج ژن دارای صفت موردنظر
• آماده‌­سازی و منتقل­‌کردن ژن موردنظر به گیاه
• ایجاد گیاه تراژن
• بررسی گیاه از نظر اخلاق زیستی و ایمنی و بررسی بی‌خطر بودن آن
• تکثیر و انبوه‍‌‌­‌‍سازی گیاه تراژن با رعایت اصول

اهداف مهندسی ژنتیک:

• تولید انبوه ژن
• تولید فراورده آن مثل pro

جداسازی یک یا چند ژن برای تکثیر آن­ها را کلونینگ ژنی می‌گویند.

هدف از کلونینگ تولید انبوه ژن برای تولید یک ماده خاص یا برای مطالعه است.

مراحل خلاصه کلونینگ:

• استخراج ژن مورد نظر
• حامل یا ناقل: باکتری، ویروس، باکتریوفاژ
• میزبان (باکتری، مخمر، حشرات، پستانداران)
• ابزارها مثل آنزیم
• غربالگری

جداسازی قطعه‌ای از  DNA

اولین مرحله کلونینگ استخراج ژن موردنظر است؛ که بوسیله آنزیم‌های برش‌دهنده انجام می‌شود.

• نکته: استخراج ژن جانوری راحت‌تر از گیاهی است، زیرا سلول گیاهی علاوه بر غشا دیواره سلولی نیز دارد.
• نکته: این آنزیم‌ها در باکتری‌ها وجود دارند و برای آن­ها نوعی سیستم دفاعی محسوب می‌شود؛ و وقتی مورد حمله ویروس و عوامل خارجی قرار می‌گیرد با تخریبِ مادۀ وراثتی عاملِ بیگانه از خود دفاع می‌کند.

◊ چطور مادۀ وراثتی خود باکتری را تخریب نمی‌کند؟

مادۀ وراثتی در خود باکتری غیرفعال است و جایگاه اتصال آن با ماده‌ای پر شده است و اجازه تخریب نمی‌دهد. این آنزیم‌ها یک سری توالی خاص را شناسایی می‌کنند و در آن برش را ایجاد می‌کنند. مثلاً ECOR1 یک توالی شش نوکلئوتیدی راشناسایی و در همان محل برش می‌زند.

توالی شناسایی آنزیم ECOR1 در شکل بالا نشان داده شده است که شش نوکلئوتید که حالت دو سر خوانا هست، شبیه کلمه رادار که از هر طرف رادار خوانده می‌شود و جایگاه تشخیص آنزیم به آن گفته می‌شود، در اینجا آنزیم از هر دو رشتۀ بین گوانین و آدنین برش می‌زند، و باعث شکست مستقیم پیوند فسفودی­استر می‌شود و به­طور غیرمستقیم هم پیوندهای هیدروژنی را می‌شکند. به حالتی از DNA ما که یک سر از رشته نسبت به رشتۀ مقابل بلندتر باشد، انتهای چسبناک گفته می‌شود.

• نکته: در هر برش ما شکست دو پیوند فسفودی­استر در دو رشته و شکست 8 پیوند هیدروژنی در دو رشته را داریم.
• نکته: آیا فقط انتهای چسبناک ممکن است ایجاد شود؟

خیر در برخی موارد یک سری آنزیم­ها انتهای صاف ایجاد می‌کنند ولی آنچه برای مهندسی ژنتیک کارآمد است همان انتهای چسبناک است.

اتصال DNA به ناقل و تشکیل DNA نوترکیب

در ادامه باید این DNA را به ناقل متصل کنیم. یک سری جانداران جدا از کروموزم‌های اصلی خود یک مواد وراثتی جداگانه‌ای دارند؛ که جدا از کروموزم اصلی همانندسازی می‌کند و زمانی که ما می­خواهیم ژنی را تکثیر کنیم آن ژن را درون ناقل قرار می‌دهیم و ناقل را وارد میزبان مورد نظر قرار می‌دهیم.

پلازمید یکی از این موارد که معمولاً در باکتری‌ها و بعضی قارچ‌ها قرار دارد.

به یک مولکولDNA  حلقوی دو رشته‌ای، کروموزم کمکی می­گویند، زیرا ژن­هایی دارند که ویژگی خاصی به میزبان خود می­دهند، مثل ژن مقاومت به آنتی بیوتیک.  وقتی ما ژن موردنظر برش داده شده را در ناقل قرار دهیم هر بار که پلازمید همانندسازی کند ژن ما نیز تکثیر می‌شود. در ادامه ما باید ناقل را با آنزیم برش دهیم تا بتوانیم ژن را به آن متصل کنیم و برای این کار هم به آنزیم برش­دهنده نیاز است.

• نکته: آنزیم برش­دهنده ژن و ناقل باید یکی باشد تا قطعات DNAهای ما مکمل باشند و به هم متصل شوند.

اکنون که ناقل ما برش داده شد یک DNA خطی بوجود آمده است که انتهای چسبناک دارند و از طرفی ژن برش داده­شده هم انتهای چسبناک دارد و با قراردادن این دو مورد در شرایط آزمایشگاهی و آنزیم­های موردنیاز بین آن­ها اتصال برقرار می‌شود. آنزیم موردنیاز برای اتصال لیگاز است؛ که پیوند فسفودی‌­استر را متصل می‌کند.

• نکته: فرق بین لیگاز و DNA پلیمراز در این است که لیگاز فقط اتصال را برقرار می‌کند و اما DNA  پلیمراز یک نوکلئوتید می‌آورد و بعد اتصال را برقرار می‌کند.

به مجموع DNA  ناقل و ژن قرار داده شده در آن DNA  نوترکیب گفته می‌شود.

واردکردن DNA نوترکیب به سلول میزبان

در این مرحله باید DNA نوترکیب را به سلول میزبان وارد کنیم، که روش‌های مختلفی وجود دارد:

روش شیمیایی فیزیکی که در ابتدا از موادی مثل کلرید کلسیم یا کلرید لیتیم استفاده می‌کند که باعث می‌شود DNA نوترکیب روی سطح سلول قرار گیرد و حالا با شوک حرارت گرمایی باعث می‌شود نفوذپذیرتر شود و منافذی ایجاد شود و DNA نوترکیب وارد سلول شد؛ یا این­که با شوک الکتریکی منافذی ایجاد و DNA نوترکیب وارد سلول شود. روش‌های دیگری نیز وجود دارد مثل تفنگ ژنی و… که در کتاب درسی بیان نشده است.

این موارد و مراحل را طی کردیم برای واردکردن DNA نوترکیب ولی با این وجود همه باکتری‌ها DNA نوترکیب را دریافت نکرده‌اند و باید این دو گروه را از هم تفکیک کرد، در اینجا ما به سراغ غربالگری و جداسازی آن­ها می­رویم.

جداسازی سلول‌های تراژنی

برای این مرحله هم روش‌های مختلفی وجود دارد، یکی از این روش‌ها این است که پلازمید حاوی ژن مقاومت به آنتی‌­بیوتیک آمپی‌سیلین است. وقتی باکتری پلازمید نوترکیب را دریافت کند و آن را در محیط کشتی دارای آنتی­‌بیوتیک آمپی‌­سیلین قرار دهیم چون ژن مقاوم به آن را دارد می‌تواند زنده بماند و تکثیر شود؛ اما باکتری که پلازمید را دریافت نکرده وقتی در این محیط کشت قرار می‌گیرد چون ژن مقاوم به آمپی‌­سیلین را ندارد می‌میرد و از بین می‌رود و می‌توان آن را تفکیک کرد.

نمونه تست­‌های کنکور سراسری

1- در مهندسی ژنتیک، پس از مرحله کلون شدن یک ژن، ابتدا لازم است کدام عمل قبل از سایرین انجام شود؟ (تست کنکور سراسری95)

1- سلول‌های حاویDNA  نوترکیب تکثیر گردند.

2- پلازمید و ژن خارجی توسط ژل از یکدیگر تفکیک گردند.

3- سلول‌های حاوی DNA نوترکیب از سایر سلول‌­ها متمایز شوند.

4- توالی کوتاهی از DNA نوترکیب، توسط نوعی آنزیم شناسایی شود.

پاسخ: گزینۀ 3 منظور سؤال مرحله غربالگری است.

گزینۀ 2 نیز منظور غربالگری است اما توسط ژل تفکیک نمی‌شود.

2- در مهندسی ژنتیک، بعضی ناقل‌ها می‌توانند ……………………. (تست کنکور سراسری 94 )

1- درون سلول میزبان به‌­طور مستقل تکثیر شوند.

2- از آنزیم‌‌های همانندسازی کننده میزبان استفاده کنند.

3- از طریق شلیک مستقیم به سلول‌های میزبان وارد شوند.

4- به قطعات DNA با دو انتهای تک‌­رشته‌‌ای تبدیل شوند. 

پاسخ: گزینۀ 4

گزینۀ 1 بعضی ناقل­‌ها درون سلول میزبان مستقل تکثیر می‌شوند.

گزینۀ 2 هم همانند گزینۀ 1 باید قید بعضی را قرار می‌داد.

گزینۀ  3 تفنگ ژنی ناقل وارد نمی‌شود، بلکه ژن وارد می‌شود.

3- برای انتقال ژن تثبیت کننده‌ی نیتروژن از ریزوبیوم به گندم، می‌توان ژن مورد نظر را به طور مستقیم از طریق …………………….  به گیاه مورد نظر منتقل نمود. (تست کنکور سراسری 91)

1- پلازمید                  2- تفنگ ژنی                  3- ویروس                      4- باکتری

پاسخ: گزینۀ 2

برای انتقال ژن به یک سلول هم از طریق ناقل و هم تفنگ ژنی میسر است؛ اما به­‌طور مستقیم از طریق تفنگ ژنی است.

4- کدام عبارت نشان­‌دهندۀ یک جاندار تراژن نیست؟ (تست‌های کنکور سراسری90)

1- گندمی که تنها به روش تفنگ ژنی اصلاح شده است.

2- انسانی که بارها ژن سازندۀ آنزیم ایمنی را دریافت کرده است.

3- انسانی که فقط، محصول ژن فاکتور انعقادی VIII را دریافت کرده است.

4- برنجی که توانایی تولید مقادیر بالای بتاکاروتن و آهن را کسب کرده است.

پاسخ: گزینۀ 3

در گزینه 1، 2، 4 ژن یا ژن‌های از خارج وارد جاندار شده است؛ اما در گزینۀ 3 انسان محصول ژن را دریافت کرده است.

نویسنده: تیم مشاوره مقدم-زینب آهنگران

منبع: کتاب درسی زیست دوازدهم