مهندسی ژنتیک

مهندسی ژنتیک، به عنوان بخشی از دانش زیست فناوری؛ به مجموعه روش هایی گفته می شود که به منظور جداسازی، خالص سازی، وارد کردن و بیان یک ژن خاص در یک میزبان بکار می روند و نهایتاً منجر به بروز یک صفت خاص یا تولید محصول مورد نظر در جاندار میزبان می شود.کاربردهای مهندسی ژنتیک تقریباً نامحدود به نظر می رسد. این علم کاربردهای زیادی در علوم پایه، تولیدات صنعتی، کشاورزی و علوم پزشکی دارد. در زمینه علوم پایه، بررسی هایی مانند مکانیسم های همانندسازی دنا و بیان ژن ها در پروکاریوت ها، یوکاریوت ها و ویروس ها و همچنین چگونگی ساخته شدن و تغییرات پروتئین های داخلی سلول و همچنین مکانیسم ایجاد سرطان از جمله کاربردهای مهندسی ژنتیک است. در زمینه کشاورزی که بستر بسیاری از کاربردهای مهندسی ژنتیک است، تولید گیاهان مقاوم به آفات گیاهی و خشکی، تولید گیاهان پرمحصول و تولید گاوهای دارای شیر و گوشت بیشتر، را می توان نام برد؛ و در زمینه کاربردهای پزشکی، تشخیص بیماری های ارثی، تولید انسولین انسانی، تولید هورمون رشد انسان و… را می توان نام برد.در سال های اخیر گسترش و توسعهٔ تکنیک های سنتز دنا نوترکیب انقلابی را در درمان بسیاری از بیماری های انسانی از جمله انواع سرطان ها، اغلب بیماری های خود ایمنی نظیر دیابت و همچنین تشخیص، پیشگیری و درمان بسیاری از بیماری های مادرزادی فراهم آورده است.
ترانس ژن
بیوتکنولوژی
رائلیان
امروزه دانش و فن مهندسی ژنتیک و بیوتکنولوژی مولکولی در عرصه های بسیار متنوع مانند کشاورزی، تغذیه و مواد غذایی، دامپروری، شاخه های مختلف علوم پزشکی و صنایع دارویی، صنایع تخمیری، صنایع نظامی، انرژی، محیط زیست و بهداشت بشر، استفاده های بسیار ارزشمندی پیدا کرده است. اهمیت بعضی از اصول علمی، در زمان کشف آن ها مشخص نمی شود، بلکه پس از مدت زمانی که می گذرد ارزش آن ها معلوم می شود. یکی از مثال های روشن این مسئله کشف ساختمان سه بعدی دنا به وسیلهٔ جیمز واتسون و فرانسیس کریک در سال ۱۹۵۳ بود. این ساختمان نسبتاً ساده باعث شد تا دانشمندان سیستم های مختلف ژنتیکی را بررسی کنند. اما مطلب به همین جا، ختم نشد و دانشمندان مختلف سعی کردند که از این اطلاعات استفاده نمایند. هدف آن ها نیز بیان ساده ای داشت. آن ها خواستند تا یک دنا را از یک موجود بگیرند و در موجود دیگر وارد نمایند تا اثرات آن ژن در موجود ثانویه بروز کند.
این علم نوین که به تدریج جای خود را در بین علوم دیگر پیدا کرد، با عناوینی چون زیست شناسی مولکولی، مهندسی ژنتیک و نهایتاً دنا نوترکیب شناخته می شود. مثال معروفی از کاربردهای مهندسی ژنتیک تولید سویه ای از باکتری اشرشیاکلی است که قادر به سنتز انسولین انسانی است. تولید گیاهان مقاوم به تنش های شوری و خشکی از دیگر مثال های شناخته شدهٔ کاربردهای مهندسی ژنتیک است.
ساخت دنا نوترکیب یکی از اصلی ترین مراحل مهندسی ژنتیک است. از این رو حتی به مهندسی ژنتیک، فناوری ساخت دنا نوترکیب نیز گفته می شود.برای ساخت دنا نوترکیب به دو نوع آنزیم نیاز است. یکی برای بریدن ژن خارجی (ژن مورد نظر برای تکثیر یا محصول) و وکتور، به عنوان مثال پلازمید (دنا کوچک، حلقوی که در بعضی از باکتری ها وجود دارد) و قرار دادن ژن خارجی در وکتور و دومین آنزیم برای برقراری پیوند فسفو دی استر بین ژن خارجی و وکتور.برای بریدن دنا از آنزیم های محدودکننده استفاده می شود. آنزیم های محدودکننده آنزیم هایی باکتریایی هستند. یعنی فقط ژن رمزکننده این آنزیم های پروتیینی در باکتری ها موجود می باشد و سلول های یوکاریوتی ژن رمزکننده این دسته از آنزیم ها را ندارند. آنزیم های محدودکننده توالی کوتاه و خاصی از دنا به نام جایگاه تشخیص آنزیم را شناسایی می کنند و آن ها را برش می دهند. بیشتر آنزیم هایی محدودکننده، توالی کوتاه و تک رشته ای را در دو انتهای دنا ای که برش می زنند ایجاد می کنند که به آن ها انتهای چسپنده می گویند. در مهندسی ژنتیک تنها از آنزیم هایی که انتهای چسبنده ایجاد می کنند استفاده می شود. انتهای چسبنده باعث می شود که پیوند هیدروژنی بین دو تک رشته دنا ایجاد شده توسط آنزیم محدودکننده(انتهای چسبنده) برقرار شود. بعد از برقرای پیوند هیدروژنی بین دو انتها، برای برقراری پیوند فسفو دی استر بین دو رشته دنا، از آنزیم پروتیینی لیگاز استفاده می شود. حال دنا نوترکیب آماده شده است.

مهندسی ژنتیک (genetic engineering)
اصطلاحی فراگیر که دستکاری اطلاعات ژنتیکی را از طریق روش های بیوشیمیایی بیان می کند. این کار از طریق گنجاندن دی ان اِی جدید و معمولاً با استفاده از یک ویروس یا پلاسمید صورت می گیرد. هدف از این کار ممکن است صرفاً پژوهش، ژن درمانی یا پرورش گیاهان، جانوران، یا باکتری هایی با کارکردهای خاص باشد. این موجودات زنده که ژنی خارجی بدان ها افزوده شده را تراژنی و دی ان ای جدیدی را که طی این فرآیند شکل گرفته نوترکیب می گویند. در اغلب موارد، موجودی که ژن آن را انتقال می دهند، یک ریزسازواره یا یک گیاه است زیرا مسائل اخلاقی و ایمنی مانع از کاربرد آن در مورد پستانداران می شود. تا ابتدای ۱۹۹۵ بر روی بیش از ۶۰ گونۀ گیاهی مهندسی ژنتیک صورت گرفته و حدود ۳هزار محصول تراژنی آزمایشی کشت شده بود. فرآیند مهندسی ژنتیک شامل چند مرحله است: ساخت قطعه های دی ان ای، گنجاندن قطعه های دی ان ای در پلاسمید حامل، کلونینگ پلاسمید، استفاده از پلاسمید برای گنجاندن دی ان ای در موجود زنده. یک نمونه از مهندسی ژنتیک که برای انسان ها بسیار سودمند بوده تولید باکتری است که انسولین انسانی تولید می کند. باکتری به گونه ای طراحی می شود که شامل ژن انسانی برای تولید انسولین باشد. این باکتری در آزمایشگاه برای تولید مقادیر زیاد انسولین کشت می شود، تا برای درمان بیماران مبتلا به دیابت استفاده شود. پیش از این، افراد مبتلا به دیابت با انسولین دیگر حیوانات درمان می شدند. این روش جدید نیاز به کشتن حیوانات برای انسولین را رفع می کند و علاوه بر آن انسولین تهیه شده به طریق مهندسی مؤثرتر عمل می کند. تا ۱۹۹۸ تقریباً بر روی ۳۰۰ گونۀ گیاهی آزمایش مهندسی ژنتیک صورت گرفت، اما مقاومت در برابر تولید گیاهان ترنس ژن شده در انگلیس افزایش یافت و به تخریب ۱۹ محل کشت مختلف به دست مخالفان منجر شد. در اواخر دهۀ ۱۹۹۰ حدود ۱۵۰ گروه محلی در سراسر بریتانیا در اعتراض به انجام آزمایش های مهندسی ژنتیک بر روی غذا و کشاورزی تشکیل شد. در بهار ۱۹۹۹، ادارۀ محیط زیست، حمل و نقل و شهرستان های بریتانیا آزمایشی چهارساله، با هزینه ۳.۳میلیون پوند را برای ارزیابی خطری آغاز کرد که محصولات دستکاری شده به لحاظ ژنتیک، برای طبیعت داشتند. ذرت و شلغم روغنیِ اصلاح ژنتیک شده در شش محل مختلف در بریتانیا کشت می شوند و زیست شناسان بر حیات وحش و گیاهان اطراف نظارت خواهند کرد. در فوریۀ ۲۰۰۱، اتحادیۀ اروپا مقررات سختگیرانۀ جدیدی برای توسعۀ همۀ موجودات اصلاح ژنتیک شده وضع کرد. اتریش، دانمارک، فرانسه، یونان، ایتالیا، و لوکزامبورگ همه مصرانه وضع مقرراتی به مراتب سختگیرانه تر را خواستار شدند.کاربردهای عملی. در مهندسی ژنتیک، قطعه قطعه کردن و به هم پیوستن مجدد ژن ها به منظور افزایش اطلاعات تولیدمثل و عمل سلول صورت می گیرد، اما با انجام این کار نتایج عملی نیز حاصل می شود. استنلی کوهن و هربرت بویر، دانشمندان امریکایی، قطعه قطعه کردن ژن ها را در ۱۹۷۳ اختراع کردند و در ۱۹۸۴ در امریکا به ثبت رسید. تثبیت نیتروژن در مورد گیاهانی که برای تغذیۀ انسان کشت می شوند، ازجمله کاربردهای آن است و تأثیر شگرفی بر تولید غذا در جهان خواهد گذاشت. گنجاندن ژن ها در گیاهان به آن ها امکان می دهد با باکتری هایی در ریشه هایشان که کود نیتروژن می سازند همزیستی کنند. این کار به طور طبیعی در گیاهانی همچون شبدر، نخود سبز، و لوبیا صورت می گیرد، اما در مورد غلاتی همچون گندم، برنج و ذرت چنین نیست. در این صورت نیاز به کودهای شیمیایی پرهزینه تا حد زیادی کاهش می یابد. همچنین می توان ژن هایی را در غلات گنجاند که در برابر آفات کشاورزی مقاومت ایجاد کنند. این کار نیاز به استفاده از آفت کش ها را کاهش می دهد. مهندسی ژنتیک همچنین می تواند کیفیت غذایی مواد غذایی و عمر مفید آن ها را افزایش دهد. شاید در آینده امکان استفاده از حیوانات ترنس ژن شده برای تولید، مثلاً، «شیر فرآوری شده» به وجود آید. این نوع شیر حاوی پادتن های انسانی برای معالجۀ بیماری ها یا شیر کم چربی است که سلامتی انسان را بهبود می بخشد. باکتری معمولی را شاید بتوان برای تولید داروهای کمیاب اصلاح کرد. یک ژن خارجی را می توان به کشت های باکتری در آزمایشگاه وارد کرد تا محصولات بیولوژیک تجاری مانند انسولین مصنوعی، واکسن هپاتیت بی، و اینترفرون تولید کند. از مهندسی ژنتیک برای تشخیص بیماری ها نیز استفاده می شود، بدین طریق که از کاوش های ژنی یا پادتن های مهندسی شده برای تشخیص ژن مربوط به بیماری خاصی در فرد استفاده می کنند.
خطرات مهندسی ژنتیک. به رغم همۀ محاسن بالقوه و موجود، مباحث سودمندی دربارۀ خطرهای احتمالی مهندسی ژنتیک مطرح شده است. به علاوه، دیدگاه های اخلاقی و وجدانی علیه اصول مهندسی ژنتیک وجود دارد. علم دربارۀ مسائل اخلاقی و وجدانی نمی تواند به تصمیم گیری کمکی کند. با این حال، خطرهای بالقوه از نظر علمی مطالعه می شوند. خطرات بالقوه عبارت اند از تولید غیرعمدی ریزسازواره های بیماری زای جدید، پخش سموم علف کش، ژن های مقاوم نسبت به آفات در میان گیاهان وحشی و مسائل مرتبط با ایمنی غذا. برای حصول اطمینان از عدم بروز چنین مشکلاتی اقداماتی صورت گرفته است، اما در مورد میزان کارایی آن ها هنوز بحث هایی وجود دارد.
پیشرفت های جدید. پیشرفت های حاصل شده در مهندسی ژنتیک به تولید هورمون رشد و تعدادی هورمون های محرک مغز استخوان منجر شده است. نژادهای جدیدی از حیوانات نیز تولید شده اند، مثلاً در ۱۹۸۹ نژاد جدیدی از موش ها در امریکا ثبت شده است (استفاده از آن در ادارۀ ثبت اختراعات اروپا تأیید نشد). با استفاده از مهندسی ژنتیک، واکسنی علیه نوعی انگل گوسفند (لارو کرم کدو) تولید شده است؛ اغلب واکسن های موجود علیه باکتری ها و ویروس ها عمل می کنند. نخستین غذای تولیدشده به طریق مهندسی ژنتیک در ۱۹۹۴ در معرض فروش قرار گرفت؛ گوجه فرنگی فِلَورْ سَوْر که شرکت امریکایی بیوتکنولوژیک کالژن آن را تولید کرد در کالیفرنیا و شیکاگو به بازار فروش عرضه شد.
اقدامات ایمنی. این خطر وجود دارد که هنگام جابه جایی ژن ها میان انواع مختلف باکتری ها (اغلب موارد از باکتری اشریشیاکُلای که در رودۀ انسان زندگی می کند، استفاده می کنند) نژادهای جدید و مضر تولید شوند. به همین سبب اقدامات احتیاطی شدیدی صورت می گیرد و باکتری اصلاح شده به نحوی ناقص می شود که قادر به ادامه حیات در محیط خارج از آزمایشگاه نباشد. همچنین نگرانی هایی برای تبعات زیست محیطی محصولات اصلاح ژنتیک شده وجود دارد. در ۱۹۹۹ بوم شناسان امریکایی شواهدی یافتند مبنی بر این که ذرت اصلاح شده ای که ژن های بی تی حشره کش را از باکتری خاک، باسیلوس تورینجینسیس، جذب می کند، ممکن است برای پروانۀ منارک درختی مضر باشد. ملکه ها از گیاه شیری تغذیه می کنند که اغلب نزدیک مزارع ذرت می روید و برخی از گروه های ذرت ترنس ژن شده گیاه شیری را آلوده می کنند.