گفتار اول – زیست فناوری و مهندسی ژنتیک | جای خالی برای یادگیری فعال زیست دوازدهم
زیست‌یار تعاملی آینده‌نگاران مغز | زیست‌بان یادگیری با جای‌خالی
در آینده‌نگاران مغز، به مدیریت داریوش طاهری، ما باور داریم که آموزش مفهومی در زیست‌شناسی دوازدهم تنها زمانی ماندگار خواهد شد که با تکرار هدفمند و بازیابی فعالانه همراه شود. مغز انسان برای ایجاد مسیرهای پایدار عصبی به تمرینی نیاز دارد که هم جذاب باشد و هم یادگیری عمیق را تقویت کند.
بر همین اساس، متن‌های خط‌به‌خط زیست‌شناسی دوازدهم با طراحی جای‌خالی‌های هوشمند بازآفرینی شده‌اند تا فرایند تکرار از حالت منفعل خارج شده و به یک تمرین تعاملی و شناختی تبدیل شود. در این شیوه، شما تنها خواننده متن نیستید، بلکه بازیگر اصلی یادگیری هستید؛ می‌اندیشید، بازیابی می‌کنید و در صورت نیاز، پاسخ درست را مشاهده می‌کنید.
این رویکرد همان اصل قدیمی است که می‌گوید: تکرار، مادر مهارت‌هاست. ما در آینده‌نگاران مغز، معماران تکرار هدفمند هستیم؛ مسیری که تسلط علمی، درک عمیق و آمادگی کامل برای آزمون‌هایی چون کنکور را برای شما فراهم می‌کند.
روش آموزشی ما ذهن دانش‌آموز را به درگیری عمیق با متن، بازیابی فعال اطلاعات و خودسنجی مستمر سوق می‌دهد؛ عواملی که کلید تسلط بر مفاهیم زیست‌شناسی دوازدهم و موفقیت در آزمون‌های مهم به شمار می‌روند.
هر گفتار این مجموعه، دقیقاً با جمله‌بندی اصلی کتاب درسی زیست‌شناسی دوازدهم تنظیم شده و با جای‌خالی‌هایی هدفمند همراه است. کاربر می‌تواند روی آن‌ها تمرکز کند، بیندیشد و در صورت نیاز، با کلیک بر روی دکمه «نمایش پاسخ»، به پاسخ صحیح دست یابد. بدین ترتیب، تجربه‌ای تعاملی، کاربردی و عمیق در یادگیری زیست‌شناسی دوازدهم شکل می‌گیرد.
آیا تاکنون درباره تولید پلاستیک‌های [نمایش پاسخ] زیستی شنیده‌اید؟ با توجه به اهمیّت [نمایش پاسخ] و حفظ آن، تولید و [نمایش پاسخ] از چنین پلاستیک‌هایی راهکار مناسبی برای پیشگیری از مصرف بی‌رویه پلاستیک‌های [نمایش پاسخ] است. امروزه به کمک روشهای [نمایش پاسخ]، تولید پلاستیک‌های قابل تجزیه با صرف هزینه [نمایش پاسخ] ممکن شده است. این کار با وارد کردن [نمایش پاسخ] تولید کننده [نمایش پاسخ] از این نوع مواد از [نمایش پاسخ] به [نمایش پاسخ] امکان‌پذیر است.
چگونه می‌توان از [نمایش پاسخ] برای بهبود زندگی انسان و حفظ [نمایش پاسخ] استفاده کرد؟ آیا می‌توان با استفاده از آن‌ها همه مشکلات بشر را حل کرد؟
انسان از نظر [نمایش پاسخ] تا چه حد می‌تواند این فناوری‌ها را به خدمت بگیرد؟
در این فصل با این [نمایش پاسخ] آشنا می‌شویم و می‌توانیم در آخر، به بخشی از پرسش‌های مطرح شده در مورد این [نمایش پاسخ] پاسخ دهیم.
زیست فناوری و [نمایش پاسخ]
همان‌طور که می‌دانیم [نمایش پاسخ] در یک ژن و در نتیجه، تغییر در [نمایش پاسخ] آن می‌تواند به بروز بیماری منجر شود. اختلال در عملکرد و مقدار عوامل مؤثر در [نمایش پاسخ] از این دسته هستند. با توجه به افزایش افراد نیازمند به این ترکیبات، تأمین نیاز [نمایش پاسخ] آن‌ها با مشکل مواجه می‌شود.
امروزه استفاده از روشهای زیست فناوری و مهندسی ژنتیک تحولات مهمی در زمینه تولید چنین فراورده‌هایی فراهم آورده است. تا چندی پیش، انتقال ژن‌های انسان به داخل یاخته‌های سایر موجودات زنده و یا استفاده از باکتری‌ها برای ساختن پروتئین‌های انسانی غیرقابل تصور بود اما اکنون روشهای لازم برای تحقق آن توسعه یافته و کاربرد فراوانی پیدا کرده است. آیا می دانید چگونه می‌توان از باکتری برای ساختن یک پروتئین انسانی استفاده کرد؟ فرض کنید می‌خواهیم باکتری را برای ساختن هورمون رشد انسانی تغییر دهیم، پس ضرورت دارد تمام احتياجات این فرایند را در یاخته باکتری فراهم کنیم. در ادامه مطلب با مراحل این روش آشنا خواهیم شد.
زیست فناوری چیست؟
به طورکلی به هرگونه فعالیت هوشمندانه آدمی در تولید و بهبود محصولات گوناگون با استفاده از موجود زنده، زیست فناوری گویند.
زیست فناوری قلمروی بسیار گسترده دارد و روش‌هایی مانند مهندسی ژنتیک، مهندسی پروتئین و بافت را در بر می‌گیرد. زیست فناوری از گرایش‌های علمی متعددی مانند علوم زیستی، فیزیک، ریاضیات و علوم مهندسی بهره می‌برد. کاربردهای فراوان زیست فناوری، آن را به عنوان نشانه پیشرفت کشورها در قرن حاضر و به یکی از ابزارهای مهم برای تأمین نیازهای متنوع تبدیل کرده است.
تاریخچه زیست فناوری
برای زیست فناوری، که از سال‌های بسیار دور آغاز شده است، سه دوره درنظر می‌گیرند:
زیست فناوری سنتی: تولید محصولات تخمیری مانند سرکه، نان و فراورده‌های لبنی با استفاده از فرایندهای زیستی مربوط به این دوره است.
زیست فناوری کلاسیک: با استفاده از روشهای تخمیر و کشت ریزجانداران (میکروارگانیسم‌ها) تولید موادی مانند پادزیست‌ها، آنزیم‌ها و مواد غذایی در این دوره ممکن شد.
زیست فناوری نوین: این دوره با انتقال ژن از یک ریزجاندار به ریزجاندار دیگر آغاز شد. دانشمندان توانستند با تغییر و اصلاح خصوصیات ریزجانداران، ترکیبات جدید را با مقادیر بیشتر و کارایی بالاتر تولید کنند.
بیشتر بدانید
تاکنون تعاریف متعددی برای زیست فناوری ارائه شده است که علت آن را باید در ماهیت زیست فناوری جست‌وجو کرد. فرهنگستان علوم جمهوری اسلامی ایران زیست فناوری را چنین تعریف می‌کند: «تولید فراورده‌ها از طریق فرایند زیستی که مستلزم فنون مهندسی است».
بیشتر بدانید
شاخه‌های زیست فناوری امروزه متخصصان، این رشته را به شاخه‌های مختلفی از قبیل کشاورزی، پزشکی، دارویی، دامی، میکروبی، قضایی یا پزشکی قانونی، غذایی، صنعتی و … تقسیم‌بندی کرده‌اند. در برخی تقسیم‌بندی‌ها به شاخه‌های زیست فناوری رنگ اختصاص داده‌اند که عبارت‌اند از :
سبز: زیست فناوری کشاورزی؛ بهره‌برداری از گیاهان دست‌ورزی شده ژنتیکی
قرمز: زیست فناوری پزشکی؛ بهره‌برداری از یاخته‌های دست‌ورزی شده برای درمان، تولید دارو و مسائل قضایی و پزشکی قانونی
خاکستری: زیست فناوری محیط زیست؛ جلوگیری و رفع مشکلات محیط زیست
سفید: زیست فناوری صنعتی استفاده از موجودات زنده در مسائل صنعتی مثلاً ساخت مواد شیمیایی
آبی: زیست فناوری دریایی؛ بهره‌وری از فرایندهای دریایی و موجودات آبزی
مهندسی ژنتیک
یکی از روشهای مؤثر در زیست فناوری نوین، مهندسی ژنتیک است. در مهندسی ژنتیک قطعه‌ای از دنای یک یاخته توسط ناقل به یاخته‌ای دیگر انتقال می‌یابد. در این حالت، یاخته دریافت¬کننده قطعه دنا دچار دست¬ورزی ژنتیکی و دارای صفت جدید می‌شود. به جانداری که از طریق مهندسی ژنتیک دارای ترکیب جدیدی از مواد ژنتیکی شده است، جاندار تغییریافته ژنتیکی یا تراژنی می‌گویند. گرچه این روش ابتدا با باکتری‌ها شروع شد؛ اما پیشرفت‌های بعدی، امکان دست¬ورزی ژنتیکی برای سایر موجودات زنده مثل گیاهان و جانوران را نیز فراهم کرد. مثلاً مراحل ایجاد گیاهان زراعی تراژنی از طریق مهندسی ژنتیک را می‌توان به صورت زیر خلاصه کرد:
۱- تعیین صفت یا صفات مطلوب ۲- استخراج ژن یا ژن‌های صفت موردنظر ۳- آماده‌سازی و انتقال ژن به گیاه ۴- تولید گیاه تراژنی ۵- بررسی دقیق ایمنی زیستی و اثبات بی‌خطر بودن برای سلامت انسان و محیط زیست ۶- تکثیر و کشت گیاه تراژنی با رعایت اصول ایمنی زیستی.
شکل ۱ بعضی از این مراحل را نشان می‌دهد.
شکل ۱- تولید یک گیاه تراژنی
مراحل مهندسی ژنتیک
یکی از اهداف مهندسی ژنتیک تولید انبوه ژن و فراورده‌های آن است. تولید انبوه ژن باهمسانه سازی دنا انجام می‌شود. جداسازی یک یا چند ژن و تکثیر آن‌ها را همسانه‌سازی دنا می‌گویند. در همسانه‌سازی دنا ماده وراثتی با ابزارهای مختلفی در خارج از یاخته تهیه و به وسیله یک ناقل همسانه‌سازی به درون ژنوم میزبان منتقل می‌شود. هدف از این کار تولید مقادیر زیادی از دنای خالص است که می‌تواند برای دست ورزی، تولید یک ماده بخصوص و یا مطالعه مورد استفاده قرار گیرد.
برای این منظور مراحل زیر انجام می‌شود:
جداسازی قطعه‌ای از دِنا: این کار به وسیله آنزیم‌های برش دهنده انجام می‌شود. این آنزیم‌ها در باکتری‌ها وجود دارند و قسمتی از سامانه دفاعی آن‌ها محسوب می‌شوند. اولین مرحله از همسانه-سازی که جداسازی ژن‌ها است، به وسیله این آنزیم‌ها انجام می‌شود. این آنزیم‌ها توالی‌های نوکلئوتیدی خاصی را در دنا تشخیص و برش می‌دهند. مثلاً آنزیم EcoR1 توالی شش جفت نوکلئوتیدی GAATTC ، CTTAAG را شناسایی و برش می‌دهد. به این توالی جایگاه تشخیص آنزیم گفته می‌شود (شکل 2).
شکل ۲- برش مولکول دنا توسط آنزیم EcoR1
همان‌طور که در شکل می‌بینید در جایگاه تشخیص آنزیم 1 EcoR، توالی نوکلئوتیدهای هر دو رشته دنا از دو سمت مخالف یکسان خوانده می‌شود. این آنزیم پیوند فسفودی استر بین نوکلئوتید گوانین‌دار و آدنین‌دار هر دو رشته را برش می زند. در نتیجه، انتهایی از مولکول دنا ایجاد می‌شود که یک رشته آن بلندتر از رشته مقابل است و به آن انتهای چسبنده می گویند. برای تشکیل چنین انتهایی از مولکول دنا، علاوه بر پیوندهای فسفودی استر، پیوندهای هیدروژنی بین دو رشته دنا در منطقه تشخیص نیز شکسته می‌شوند. استفاده از آنزیم‌های برش دهنده، دنا را به قطعات کوتاه‌تری تبدیل می‌کند. این قطعات را با روشهای خاصی جدا می‌کنند و تشخیص می‌دهند.
اتصال قطعه دنا به ناقل و تشکیل دنای نوترکیب: مرحله بعدی، اتصال قطعه دنای جداسازی شده به ناقل همسانه‌سازی است. این ناقلین، توالی‌های دنایی هستند که در خارج از فامتن اصلی قرار دارند و می‌توانند مستقل از آن تکثیر شوند. یکی از این مولکول‌ها دیسک حلقوی باکتری است. این نوع دیسَک یک مولکول دنای دو رشته‌ای و خارج فام‌تنی است که معمولاً درون باکتری‌ها و بعضی قارچ‌ها مثل مخمرها وجود دارد و می‌تواند مستقل از ژنوم میزبان همانندسازی کند. دیک‌ها را فام‌تن‌های کمکی نیز می‌نامند چون حاوی ژن‌هایی هستند که در فامتن اصلی باکتری وجود ندارند. مثلاً ژن مقاومت به پادزیست در دیسَک قرار دارد. در صورت انتقال قطعه دنای مورد نظر به دیسک و ورود آن به یاخته میزبان، با هر بار همانندسازی دیسک، دنای مورد نظر نیز همانندسازی می‌شود. بهتر است از دیسکی استفاده شود که فقط یک جایگاه تشخیص برای آنزیم برش دهنده داشته باشد. به نظر شما چرا؟
شکل ۳ طرح ساده‌ای از دیسَک دارای یک جایگاه تشخیص آنزیم ۱ EcoR را نشان می‌دهد، بسیاری از دیسک‌ها دارای ژن‌های مقاومت به پادزیست‌ها هستند. چنین ژن‌هایی به باکتری این توانایی را می‌دهند که پادزیست‌ها را به موادی غیرکشنده و قابل استفاده برای خود تبدیل کنند. این ویژگی در مهندسی ژنتیک اهمیت زیادی دارد که در مباحث بعد به آن می‌پردازیم.
شکل ۳- طرح ساده‌ای از دیسک و یک ژن خارجی
در ساخت یک دنای نوترکیب، قطعه دنای حاوی توالی موردنظر در دنای ناقل جاسازی می‌شود. دانستید که برای جداسازی قطعه دنای موردنظر از نوعی آنزیم برش دهنده استفاده می‌شود. توجه داشته باشید آنزیم مورد استفاده برای برش دادن دیسک، باید همان آنزیمی باشد که در جداسازی دنای مورد نظر استفاده شده است. چرا؟
برش دیسک با آنزیم، آن را به یک قطعه دنای خطی تبدیل می‌کند که دارای دو انتهای چسبنده است. همچنین قطعه دنای خارجی نیز دو انتهای چسبنده دارد. برای اتصال دنای موردنظر به دیسک از آنزیم لیگاز (اتصال دهنده) استفاده می‌شود. این آنزیم پیوند فسفودی‌استر بین دو انتهای مکمل را ایجاد می‌کند. به مجموعه دنای ناقل و ژن جاگذاری شده در آن، دنای نوترکیب گفته می‌شود (شکل ۴).
شکل ۴- تشکیل دنای نوترکیب: الف) قبل از تأثیر لیگاز و ب) بعد از تأثیر لیگاز
وارد کردن دنای نوترکیب به یاخته میزبان: در این مرحله، دنای نوترکیب را به درون یاخته میزبان مثلاً باکتری منتقل می‌کنند (شکل ۵). به این منظور باید در دیواره باکتری منافذی ایجاد شود. این منافذ را می‌توان با کمک شوک الکتریکی و یا شوک حرارتی همراه با مواد شیمیایی ایجاد کرد.
بر طبق اطلاعات به دست آمده، مشخص شده همه باکتری‌ها دنای نوترکیب را دریافت نمی‌کنند. بنابراین لازم است باکتری دریافت کننده دیسک از باکتری فاقد آن تفکیک شود.
شکل ۵- وارد کردن دنای نوترکیب به یاخته میزبان
بیشتر بدانید
باکتری خوارها (باکتریوفاژها) ویروس‌های معمولاً دنادار هستند که به باکتری‌ها حمله می‌کنند و آن‌ها را از بین می‌برند. نوکلئیک اسید این فاژها از دیک بزرگ‌تر است. مزیت دنای فاژها به عنوان ناقل همسانه‌سازی در این است که می‌توان قطعات دنای بزرگ‌تری را در آن‌ها جاسازی کرد.
جداسازی یاخته‌های تراژنی: برای انجام این مرحله، از روشهای متفاوتی می‌توان استفاده کرد. یکی از این روش‌ها استفاده از دیسَکی است که دارای ژن مقاومت به پادزیستی مثل آمپی¬سیلین است. اگر باکتری، دنای نوترکیب را دریافت کرده باشد، در محیط حاوی پادزیست رشد می‌کند. باکتری‌های فاقد دنای نوترکیب به دلیل حساسیت به پادزیست در چنین محیطی از بین می‌روند (شکل 6).
شکل ۶- جداسازی یاخته‌های تراژنی دارای دنای نوترکیب
در شرایط مناسب، باکتری‌های تراژنی با سرعت بالایی تکثیر می‌شوند. همچنین از دناهای نوترکیب نیز به صورت مستقل از فام¬تَنِ اصلی یاخته، نسخه‌های متعددی ساخته می‌شود که در نتیجه آن دنای خارجی به سرعت تکثیر می‌شود. بنابراین، تعداد زیادی باکتری دارای دنای خارجی آماده خواهد شد که می‌توان از آن‌ها برای تولید فراورده یا استخراج ژن استفاده کرد.
امروزه با پیشرفت روشهای مهندسی ژنتیک می‌توان یاخته‌های دیگری مثل مخمرها، یاخته‌های گیاهی و حتی جانوری را با این فرایند تغییر داد. دناها و سایر مولکول‌های حاصل از دناهای تولید شده برای اهداف گوناگون علمی و کاربردی استفاده می‌شوند. در گفتارهای بعدی این فصل به برخی از این موارد اشاره شده است.
