مهندسی ژنتیک چیست؟

در قلمرو علم، مهندسی ژنتیک به عنوان رویای یک کیمیاگر مدرن ظاهر می‌شود و رموز زندگی را تغییر می‌دهد. در بطن آن، مهندسی ژنتیک دستکاری ماده ژنتیکی موجودات زنده به روشی است که به طور طبیعی اتفاق نمی‌افتد. این شامل اصلاح عمدی ساختار ژنتیکی یک ارگانیسم برای اعطای ویژگی‌های جدید یا تقویت ویژگی‌های موجود است. این سفر علمی علاوه بر این که راهی به سوی اکتشافات بدیع است، پلی به سوی آینده‌ای خواهد بود که در آن بلوک‌های سازنده زندگی را می‌توان با دقت ویرایش کرد.

پیدایش مهندسی ژنتیک

داستان مهندسی ژنتیک با کشف DNA آغاز می‌شود، مولکولی که دستورالعمل‌های ژنتیکی را در همه موجودات زنده حمل می‌کند. در سال 1953، جیمز واتسون و فرانسیس کریک ساختار مارپیچ دوگانه DNA را کشف کردند و پایه و اساس مهندسی ژنتیک را گذاشتند. کشف بعدی آنزیم‌های محدود کننده در دهه 1970 توسط ورنر آربر، دانیل ناتانز و همیلتون اسمیت بود که برای آن برنده جایزه نوبل شدند و دانشمندان را قادر ساخت تا DNA را در مکان‌های خاص برش دهند. این پیشرفت مشابه یافتن قیچی مولکولی، ابزاری ضروری برای مهندسی ژنتیک، بود.

مکانیسم دستکاری

فرآیند مهندسی ژنتیک شامل چندین مرحله کلیدی است. ابتدا ژن مورد نظر که ممکن است صفت خاصی را رمزگذاری کند، شناسایی و جداسازی می‌شود. سپس این ژن معمولاً در یک ناقل که اغلب یک پلاسمید (یک قطعه دایره‌ای کوچک از DNA که در باکتری‌ها یافت می‌شود) است وارد می‌شود. این ناقل به عنوان وسیله‌ای برای انتقال ژن به سلول‌های ارگانیسم میزبان عمل می‌کند. زمانی که ژن جدید وارد ژنوم میزبان می‌شود، ترکیب ژنتیکی آن را تغییر می‌دهد. دستکاری ژن‌ها، از طریق روش‌های مختلف قابل دستیابی است. هر تکنیک یک رویکرد منحصر به فرد برای تغییر ساختار ژنتیکی ارگانیسم ارائه می‌دهد، از افزودن ژن های جدید تا ویرایش ژن های موجود. در ادامه برخی از تکنیک‌های برجسته دستکاری ژن را مرور می‌کنیم:

1.فناوری DNA نوترکیب

این تکنیک شامل ترکیب مولکول‌های DNA از منابع مختلف در یک لوله آزمایش است. معمولاً از آنزیم‌های محدود کننده برای برش DNA از ارگانیسم در حال اصلاح و DNA حاوی ژن مورد نظر استفاده می‌کند. سپس این قطعات با استفاده از آنزیم دیگری به نام DNA لیگاز به یکدیگر متصل می‌شوند. این تکنیک، به طور گسترده در تولید ارگانیسم‌های اصلاح شده ژنتیکی (GMOs)، داروها (مانند انسولین) و در تحقیقات استفاده می‌شود.

2.ویرایش ژنوم CRISPR-Cas9

CRISPR یک سیستم ویرایش ژن انقلابی است که امکان تغییرات دقیق در DNA در مکان‌های خاص را فراهم می‌کند. از یک RNA راهنما برای هدایت آنزیم Cas9 به دنباله خاصی از DNA استفاده می‌کند. سپس مکانیسم‌های ترمیم طبیعی سلول شروع به کار می‌کنند و امکان افزودن یا حذف مواد ژنتیکی را فراهم می‌کنند. CRISPR کاربردهای گسترده‌ای دارد، از جمله تحقیقات بیماری، درمان اختلالات ژنتیکی و پیشرفت‌های کشاورزی.

3.تکنیک‌های تراریخته

شامل وارد کردن ژن‌های خارجی (تراریخته) به یک موجود زنده و ایجاد یک ارگانیسم تراریخته است. این اغلب از طریق تکنیک‌هایی مانند microinjection، که در آن DNA مستقیماً به هسته سلول تزریق می‌شود یا با استفاده از ناقل‌هایی مانند ویروس‌ها و پلاسمیدها برای انتقال ژن به دست می‌آید. در ایجاد محصولات GMO، مطالعه عملکرد ژن‌ها و تولید داروها در ارگانیسم‌های مدل استفاده می‌شود.

4.خاموشی ژن

این روش شامل کاهش یا حذف بیان یک ژن خاص است. تکنیک‌هایی مانند RNA تداخلگر (RNAi) از مولکول‌های RNA کوچک برای اتصال به رونوشت‌های mRNA استفاده می‌کنند و از ترجمه جلوگیری می‌کنند و در نتیجه ژن را خاموش می‌کنند. در تحقیقات برای مطالعه عملکرد ژن استفاده می‌شود و کاربردهای درمانی بالقوه‌ای در درمان بیماری‌ها دارد.

5.ژن درمانی

این یک تکنیک درمانی است که هدف آن درمان یا پیشگیری از بیماری‌ها با تغییر مستقیم ماده ژنتیکی بیمار می‌باشد. معمولاً شامل وارد کردن یک نسخه سالم از یک ژن معیوب به سلول‌های بیمار است. این کار را می‌توان با استفاده از ناقل‌های ویروسی که ژن را در DNA بیمار وارد می‌کند، یا روش‌های غیر ویروسی مانند نانوذرات لیپیدی انجام داد. عمدتاً در درمان اختلالات ژنتیکی، انواع خاصی از سرطان و برخی عفونت های ویروسی استفاده می‌شود.

6.نوکلئازهای انگشت روی (ZFN) و TALEN

این‌ها فناوری‌های قدیمی ویرایش ژن هستند که از پروتئین‌های مهندسی شده برای ایجاد برش‌های هدفمند در DNA استفاده می‌کنند. ZFNها و TALENها از یک آنزیم برش دهنده DNA متصل به پروتئینی تشکیل شده‌اند که می‌تواند برای اتصال به یک توالی DNA خاص طراحی شود. این امکان برش و ویرایش هدفمند ژنوم را فراهم می‌کند. آن‌ها در تحقیقات، کشاورزی استفاده شده‌اند و برای مصارف درمانی در حال بررسی هستند.

7.جهش زایی در سایت هدف

از این روش برای ایجاد تغییرات خاص و عمدی در توالی DNA یک ژن استفاده می‌شود. شامل تغییر نوکلئوتیدهای خاص در یک ژن با استفاده از تکنیک‌هایی مانند PCR (واکنش زنجیره ای پلیمراز) برای ایجاد جهش است.به طور گسترده در تحقیقات برای مطالعه عملکرد ژن و ساختار پروتئین استفاده می‌شود. هر یک از این تکنیک‌ها مجموعه‌ای از مزایا، محدودیت‌ها و کاربردهای خاص خود را دارند. انتخاب روش بستگی به اهداف پروژه مهندسی ژنتیک دارد. برای ورود به دنیای مهندسی ژنتیک، اولین گام یادگیری اصولی و پله‌پله‌ی آن است. برای حرفه‌ای شدن در این رشته می‌توانید با دوره‌های مهندسی ژنتیک بیولوژیسم، دانش خود را تقویت کنید.

کاربردهای مهندسی ژنتیک

کاربردهای مهندسی ژنتیک گسترده و متنوع است. در کشاورزی، از آن برای ایجاد ارگانیسم‌های اصلاح شده ژنتیکی (GMOs) که در برابر آفات، بیماری ها یا شرایط سخت محیطی مقاوم هستند، استفاده شده است. به عنوان مثال، پنبه Bt طوری مهندسی شده است که سمی تولید کند که برای برخی آفات مضر است اما برای انسان و سایر حیوانات بی خطر است. این امر نیاز به سموم شیمیایی را به میزان قابل توجهی کاهش داده است. در پزشکی، مهندسی ژنتیک راه را برای ژن درمانی هموار کرده است، تکنیکی که برای درمان یا پیشگیری از بیماری با قرار دادن ژن در سلول های بیمار به جای استفاده از دارو یا جراحی استفاده می شود. نوید درمان طیف وسیعی از اختلالات، از بیماری های ژنتیکی مانند فیبروز کیستیک گرفته تا سرطان ها را دارد. علاوه بر این، تولید انسولین که در درمان دیابت استفاده می‌شود، اکنون عمدتاً از طریق باکتری‌های دستکاری شده ژنتیکی انجام می‌شود، روشی که مقیاس‌پذیرتر و مقرون به صرفه‌تر از روش‌های قبلی است.

ملاحظات و چالش های اخلاقی

مهندسی ژنتیک علیرغم پتانسیل آن خالی از بحث نیست. ملاحظات اخلاقی به ویژه در زمینه مهندسی ژنتیک انسانی مطرح می شود. امکان «نوزادان طراح»، که در آن جنین‌ها می‌توانند برای داشتن ویژگی‌های مطلوب ویرایش شوند، سؤالات عمیقی را در مورد اخلاق، نابرابری، و جوهر طبیعت انسان ایجاد می‌کند. علاوه بر این، اثرات بلندمدت تراریخته ها بر محیط زیست و سلامت انسان هنوز به طور کامل شناخته نشده است، که منجر به بحث ها و چالش های نظارتی می شود.