البكتريا عبارة عن خلايا غير مميزة النواة Prokaryotic Cells والحامض النووى DNA فيها عبارة عن خيط دائري مفرد Single circular strand  ، ولكن البكتريا تحتوى أيضا على خيوط دائرية صغيرة تسمى البلازميدات Plasmids .

وهذه البلازميدات تحمل جينات قليلة مثل تلك الجينات التى تساعد البكتريا على مقاومة المضادات الحيوية Antibiotics . وهذه البلازميدات تتكرر Replicate  مستقلة عن الكروموسوم  . وتبدو البلازميدات صغيرة عن DNA البكتريا كما يمكن استخلاصها بسهولة عن DNA البكتريا . وتستخدم هذه البلازميدات فى الهندسة الوراثيةGenetic Engineering  كحامل للجينات الغريبة A carrier of foreign genes vector .

تقطيع البلازميدات

 يوضح الشكل التالى أن البلازميدات Plasmids يمكن تقطيعها بواسطة إنزيمات القطع المتخصصة Restriction enzymes of endonucleases . وبعد ذلك يمكن إدخال الجينات الغريبة إلى الثغرة Gap الموجودة فى البلازميد ولحامها مع البلازميد بواسطة إنزيم  DNA ligase وهذا بسبب إبتداع ( أو تخليق بلازميدات تعاد إتحادها Recombinant   (plasmids  أى بلازميدات محتوية على الجينات الغريبة .

وهذه البلازميدات الحاملة للجينات يمكن إعادة إدخالها فى خلايا بكتريا Bacteria  أو خلايا الخميرة Yeast cells وذلك بإضافة هذه البلازميدات الحاملة للجينات Vectors إلى أطباق بترى المحتوية على خلايا البكتريا أو خلايا خميرة . وفى هذه المزرعة الموجودة بطبق بترى تقوم كل خلايا البكتريا أو الخميرة بإلتهام ( إدخال) البلازميدات Plasmids بداخلها . وبالتالى فكلما تنقسم تلك الخلايا كلما يتكرر Replicate البلازميد . وهذه الطريقة تسبب تضاعف الجين الموجود على البلازميد والذى يقال عليه فى هذه الحالة أنه يتم نسخه خضريا Cloned .

وبالتالى فعملية النسخ الخضرى Cloning تسبب إنتاج عدد كبير جدا من النسخ المطابقة للجين الغريب الموجود على البلازميد  والذى يمكن استخدامه فى هذه الحالة فى  إنتاج مواد كيميائية حيوية نافعة مثل الهرمونات Hormones .

عملية النسخ الخضرى هى أحد نماذج تضخيم أعداد الجين

علماء الوراثة يمكنهم إنتاج عديد من النسخ المتطابقة للجين بطرق أخرى كثيرة غير طريقة النسخ الخضرى Cloning . وأحد هذه الطرق يمكن إجراؤها عن طريق استخلاص حامض RNA الرسول

Messenger RNA ( m-RNA )  من الخلايا ثم يمكن بعد ذلك عمل نسخ من DNA باستخدام m-RNA .

 والسؤال الآن كيف يمكن ذلك ؟ لأننا كما علمنا أن m-RNA يستخدم لإنتاج البروتينات وليس لإنتاج  DNA! والإجابة هنا بأنه نعم يمكن إجراء ذلك عن طريق العملية المسماة بالنسخ العكسى Reverse transcription ، فهناك إنزيم يطلق عليه إنزيم النسخ العكسى Reverse transcriptase enzyme وهذا الإنزيم يمكنه عمل DNA من m-RNA فى عملية تعتبر عكس عملية النسخ .  

الشكل يوضح أخذ الجين من الكروموسوم فى الإنسان وتحميله على البلازميد وإدخاله البكتريا وتكرر البلازميد وانقسام البكتريا ( عملية النسخ الخضرى Cloning ) .

ولكى يتمكن الباحثون من إتمام هذه العملية فهم يقوموا بنزع m-RNA من الخلية ثم يقوموا بإضافة إنزيم Reverse transcriptase وهذا الإنزيم يحفز تخليق خيط مفرد Single Strand من DNA باستخدام m-RNA القالب m-RNA ( الشكل التالى ) . ثم يعامل جزئ DNA وRNA بمحلول قلوى والذى يهدم m-RNA ليبقى الخيط المفرد من DNA . ثم بإضافة بعض الإنزيمات يتم تحويل الخيط المفرد من DNA إلى جزئ DNA من الخيط المزدوج Double-stranded DNA .
ويجب ملاحظة أن DNA المأخوذ كصورة من على m RNA القالب يصطلح على تسميتهc-DNA  .

الشكل يوضح طريقة عمل الجينات من m-RNA ، وفى هذه الطريقة يستخلص m-RNA ويستخدم كقالب لإنتاج مكمل من DNA  يصطلح على تسميته فى هذه الحالة c-DNA حيث هو ناتج من عملية النسخ العكسى Reverse transcription ثم يوضع الخيط فى محلول قلوى لإذابة m-RNA ويتبقى خيط

c DNA الذى يستخدم كقالب لإنتاج خيط مزدوج من c DNA .

وهناك طريقة شائعة أيضا يستخدمها علماء الوراثة لإنتاج DNA وتكرره وتسمى هذه الطريقة بتفاعل سلسلة إنزيم البلمرة Polymerase chain reaction ( PCR ) . وفى هذه الطريقة يقوم الباحثون فى علم الوراثة بأخذ أجزاء من خيط الحلزون المزدوج للحامض النووى DNA من نواة الخلية. ثم يقوموا بفصل خيطى DNA عن بعضهما باستخدام الحرارة . وبعد ذلك يتم تبريد المحلول ثم يضاف DNA Polymerases ( إنزيمات بلمرة DNA ) وهذه الإنزيمات تقوم بتحفيز إنتاج الخيط المكمل لخيط DNAالقالب . ثم يقوم العلماء بعملية فصل جزيئات DNA بالحرارة وإضافة إنزيمات DNA Ploymerases مرة أخرى وذلك لأن إنزيم DNA Polymerase تحدث له عملية Denaturation بواسطة الحرارة .

وهذه الطريقة التى يمكن إجراؤها كلية بواسطة الآلة تسمح للعلماء من إنتاج ملايين أو أكثر من النسخ من DNA .
والسؤال الآن : لماذا الإنتاج الوفير من الجين ؟

والإجابة هنا سهلة فأولها أن الإنتاج الوفير من الجينات يسمح للعلماء من إنتاج DNA وفير من الكائنات الحية ، وبالتالى يسمح للعلماء بالتحليل الكيميائى لهذا الحامض النووى DNA وتحديد التعاقب الحقيقى للقواعد فى هذه الجينات . والطريقة السابقة تساعد العلماء على رسم أكثر من مائة ألف خريطة للجينات فى جينوم الإنسان Human genome ( مصطلح جينوم معناه كل الجينات الموجودة فى الكائن الحى ) . ومن النقاط الهامة التى أخذت من هذه الدراسة أن جينوم الإنسان يحتوى على عديد من الجينات الموجودة  فى كائنات أخرى مثل البكتريا والفأر والثعبان .

ويجدر الإشارة أن  معرفة تعاقب القواعد فى الجين يسمح للعلماء بتخليق هذا الجين . ثم إن تصنيع الجينات يسمح لعلماء الوراثة بعمل نسخ طبيعية من جينات الإنسان والتى يمكن إدخالها فى خلايا الإنسان لعلاج خلل وراثى . كما أن الإنتاج الوفير من الجينات يسمح للعلماء بإنتاج وفير من منتجات هذه الجينات ومثالا لذلك فالإنتاج الوفير من جين هرمون النمو فى الإنسان يسمح للعلماء بإنتاج هذا الهرمون بوفرة لعلاج حالات ضعف النمو فى الإنسان وبالمثل فالإنتاج الوفير لجين هرمون الأنسولين فى الإنسان قد مكن العلماء من إنتاج هذا الهرمون بوفرة وبأسعار تجارية رخيصة مما وفر فرص جيدة لعلاج مرضى السكر .

كيفية اكتشاف ( أو معرفة ) تعاقب DNA معين

التعاقب المعين للحامض النووى DNA يمكن اكتشافه أو معرفته بواسطة اختبار وراثى مكمل . فالطريقة الشائعة والمحتملة لاكتشاف الجزء من DNA المطلوب تتم باستخدام الـ Genetic Probe  ( لاحظ أن الـ Genetic Probe هو عبارة عن خيط  مفرد من أى من DNA أو RNA والذى يمكن استخدامه للتعرف على تعاقب الخيط المكمل بواسطة الروابط الهيدروجينية التى تربطه بها ) . والـ Genetic Probe هذا يكون عبارة عن قطعة من RNA أو خيط مفرد من DNA يكون أى منهما مُعلم بنظائر مشعة Radioactively labeled والتى هى عبارة عن الخيط المكمل للجين المستهدف Target gene . ولإيضاح هذه الطريقة نفترض مثلا أن الباحث يريد أن يعين الجين الذى يشفر لهرمون الأنسولين. ولأن تعاقب الأحماض الأمينية للأنسولين معروف لذلك يمكن لهذا الباحث تخليق معلم بالنظائر المشعة لجزئ DNA المكمل لتعاقب DNA والذى يشفر الى هرمون الأنسولين . وفى هذه الحالة فإن خيط DNA المشع  ( المرتبط بالنظير المشع ) سوف يرتبط بتعاقب DNA الذى يشفر إلى هرمون الأنسولين . وبالتالى يصبح هذا الـ DNA مشع ( له نشاط إشعاعى ) حيث يمكن التعرف عليه بواسطة فيلم للأشعة السينية

 X-ray film.
 

مثال .. وراثة الفأر ووراثة الإنسان The Genetics OF Mice And Humans

السؤال الذى نريد أن نوضحه فى هذا الشأن هو كيف يمكننا عن طريق دراستنا لوراثة الكائنات الأخرى أن نعزز بها فهمنا لدراسة وراثة الإنسان ؟ وللإجابة على هذا السؤال ففى دراستنا لهذا الباب رأينا أن تطور التقنية الحديثة لإعادة اتحاد DNA قد حدث باستخدام معلومات عن وراثة البكتريا والخميرة مثلا . وبالتالى فقد أصبحت الطرق التقنية المتاحة متطورة جدا بحيث أصبح من الممكن إنتاج كائنات معقدة منقول إليها جينات من كائنات أخرى فأصبح من الممكن إنتاج Transgenic plants or transgenic animals.

ولقد أصبح الآن فأر المعمل Laboratory mouse نموذجاً هاماً جداً خصوصا لدراسة الجينات فى الإنسان ، وأحد الوسائل القوية جدا والفعالة فى هذا الشأن هو ما يعرف بالـ Gene targeting وهى عبارة عن طريقة يتم فيها اختبار جين مفرد Single gene فى الفأر وتثبيطه ( أى جعله غير نشط Inactive ) ووظائف هذا الجين الغير نشط يمكن تقديرها بملاحظة الشكل المظهرى Phenotype للفأر الموجود به هذا الجين الغير نشط . ولأن حوالى 99% من الجينات على الأقل متشابهة فى كلا من الإنسان والفأر ( هذا بالرغم من أنهم ليسوا بالضرورة أن يكونوا متطابقين ) لذلك فالمعلومات عن هذا الجين الغير نشط فى الفأر توفر معلومات تفصيلية عن هذا الجين فى الإنسان . وعديد من الجينات ضرورية للحياة وبالتالى تكون تلك الجينات مميتة Lethalفى حالة وقف نشاطها .

ولهذا السبب قام الباحثون بتطوير استخدام تقنية وقف نشاط الجين لاستنباط سلالة من الفئران يتم  فيها اختبار جين معين ويوقف نشاطه فى نوع واحد فقط من الخلايا . واليوم هناك أكثر من 250 سلالة مختلفة من الفئران كل واحدة منها يمكن إيقاف نشاط جين معين فيها ، وبالتالى فكل سلالة منها تظهر خصائص الشكل المظهرى لهذا الجين ، ويجدر الإشارة أن هذا العدد من السلالات ما زال فى تزايد حتى الآن .

أما بالنسبة لتقنية اختبار الجين المستهدف Gene Targeting فهذه زودتنا بإجابات لأسئلة فى أساسيات علوم الحياة Basic biology  والتى تتضمن نمو وتطور الجنين Embryo  ونمو وتطور الجهاز العصبى Nervous System  والوظائف الطبيعية للجهاز المناعى ImmuneSystem.
 

بالإضافة إلى ذلك فتقنية الـ Gene targeting كان لها أثر كبير جدا فى معرفة معلومات إضافية عن مختلف الأمراض التى تصيب الإنسان والذى يزيد عددها عن خمسة آلاف مرض وراثى والآن نجد أن الـ Gene targeting أصبحت تستخدم لدراسة السرطان Cancer وأمراض القلب Heart diseases وأمرض الصدر Respiratory diseases مثل مرض Cystic fibrosis .