مسدس الجينات

في الهندسة الوراثية ، يُستخدم مسدس الجينات أو نظام توصيل الجسيمات البيولوجية لإيصال الحمض النووي الخارجي ( الجينات المُدخلة )، أو الحمض النووي الريبوزي (RNA )، أو البروتين إلى الخلايا. يتم ذلك عن طريق تغليف جسيمات من معدن ثقيل بجين مُراد، ثم إطلاق هذه الجسيمات الدقيقة داخل الخلايا باستخدام قوة ميكانيكية، مما يسمح بإدخال المعلومات الوراثية المطلوبة إلى الخلايا المستهدفة. وتُعرف التقنية المستخدمة في توصيل الحمض النووي بهذه الجسيمات الدقيقة باسم " البيولوجيا القذفية "، اختصارًا لـ"البيولوجيا القذفية". ^{[ 1 ] [ 2 ]}

هذا الجهاز قادر على تحويل أي نوع من الخلايا تقريبًا ، ولا يقتصر على تحويل النواة فقط؛ بل يمكنه أيضًا تحويل العضيات، بما في ذلك البلاستيدات والميتوكوندريا . ^{[ 3 ]}

كان مسدس الجينات في الأصل مسدس هواء من نوع كروسمان، تم تعديله لإطلاق جزيئات كثيفة من التنجستن . وقد اخترعه جون سي سانفورد ، وإد وولف، ونيلسون ألين في جامعة كورنيل ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]} بالتعاون مع تيد كلاين من شركة دوبونت بين عامي 1983 و1986. وكان الهدف الأصلي هو البصل (الذي تم اختياره لكبر حجم خلاياه)، واستُخدم الجهاز لإيصال جزيئات مغلفة بجين واسم، والذي ينقل إشارة في حال حدوث إدخال صحيح لنسخة الحمض النووي. ^{[ 7 ]} وقد تم إثبات التحول الجيني عند ملاحظة التعبير عن جين الواسم داخل خلايا البصل.

استخدمت أولى بنادق الجينات المصنعة حسب الطلب (من صنع نيلسون ألين) خرطوشة مسدس مسامير عيار 22 لدفع أسطوانة من البولي إيثيلين (رصاصة) عبر ماسورة دوغلاس عيار 22. وُضعت قطرة من مسحوق التنجستن المغطى بالمادة الوراثية على الرصاصة، ثم أُطلقت في طبق بتري أسفلها. التصقت الرصاصة بالقرص أسفل طبق بتري، وانطلقت المادة الوراثية داخل العينة مُحدثةً تأثيرًا حلقيًا، حيث حدث دمار في مركز العينة مع حلقة من التحول الجيد حول محيطها. وُصلت البندقية بمضخة تفريغ، ووُضعت تحت فراغ أثناء الإطلاق. طُبّق التصميم الأولي بكميات محدودة من قِبل شركة رومسي-لوميس (ورشة ميكانيكية محلية كانت آنذاك في طريق مكلنبورغ في إيثاكا، نيويورك، الولايات المتحدة الأمريكية).

باعت شركة بيوليستيكس، إنك، لشركة دوبونت حقوق تصنيع وتوزيع جهاز مُحدَّث يتضمن تحسينات، منها استخدام الهيليوم كوقود غير متفجر وآلية توصيل متعددة الأقراص تعتمد على التصادم لتقليل الضرر الذي يلحق بأنسجة العينات. كما تُستخدم معادن ثقيلة أخرى، مثل الذهب والفضة ، لتوصيل المادة الوراثية، مع تفضيل الذهب لانخفاض سميته الخلوية مقارنةً بحوامل المقذوفات المصنوعة من التنجستن. ^{[ 8 ]}

تتضمن عملية التحويل البيولوجي دمج جزء وظيفي من الحمض النووي - يُعرف باسم بنية الحمض النووي - في الخلايا المستهدفة. بنية الجين هي عبارة عن شريط من الحمض النووي يحتوي على جميع العناصر التنظيمية اللازمة للتعبير الجيني السليم داخل الكائن الحي المستهدف. ^{[ 9 ]} على الرغم من أن بنى الجينات قد تختلف في تصميمها تبعًا للنتيجة المرجوة من عملية التحويل، إلا أن جميع البنى تحتوي عادةً على مزيج من تسلسل المحفز ، وتسلسل الإنهاء ، والجين المطلوب، وجين مُخبِر .

المروج

تتحكم المحفزات في موقع وشدة التعبير الجيني، وتعمل بمثابة "عجلة القيادة ودواسة الوقود" للجين. ^{[ 9 ]} تسبق المحفزات الجين المراد دراسته في بنية الحمض النووي، ويمكن تعديلها من خلال التصميم المختبري لضبط التعبير الجيني بدقة. يُعد محفز 35S من فيروس موزاييك القرنبيط مثالًا على محفز شائع الاستخدام ينتج عنه تعبير جيني قوي ومستمر داخل النباتات. ^{[ 10 ]}

تيرميناتور

تُعدّ تسلسلات الإنهاء ضرورية للتعبير الجيني السليم، وتُوضع بعد المنطقة المشفرة للجين المستهدف ضمن بنية الحمض النووي. ومن تسلسلات الإنهاء الشائعة في التحويل البيولوجي تسلسل NOS المُستخلص من بكتيريا Agrobacterium tumefaciens . ونظرًا لكثرة استخدام هذا التسلسل في النباتات المُعدّلة وراثيًا، فقد طُوّرت استراتيجيات للكشف عنه في الإمدادات الغذائية لرصد المحاصيل المُعدّلة وراثيًا غير المصرح بها. ^{[ 11 ]}

جين مراسل

يُعدّ الجين الذي يُشفّر علامةً انتقائيةً عنصرًا شائعًا في تركيبات الحمض النووي، ويُستخدم لاختيار الخلايا المُحوّلة بشكلٍ صحيح. وتعتمد العلامة الانتقائية المختارة على نوع الكائن الحيّ المُحوّل، ولكنها عادةً ما تكون جينًا يُكسب الخلايا قدرةً على إزالة سمية بعض مبيدات الأعشاب أو المضادات الحيوية، مثل الكاناميسين ، والهيغروميسين ب ، والجليفوسات ^{[ 9 ]} . ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]}

عناصر إضافية

تتضمن المكونات الاختيارية لبنية الحمض النووي عناصر مثل تسلسلات كري-لوكس التي تسمح بإزالة البنية بشكل مُتحكم به من الجينوم المستهدف. ^{[ 15 ]} يختار مطور البنية هذه العناصر لأداء وظائف متخصصة إلى جانب الجين الرئيسي محل الاهتمام.

تُستخدم مسدسات الجينات في الغالب مع الخلايا النباتية. ومع ذلك، هناك إمكانات كبيرة لاستخدامها مع البشر والحيوانات الأخرى أيضاً.

أثبتت تقنية القذف الجيني أنها طريقة متعددة الاستخدامات للتعديل الوراثي، وهي مفضلة عمومًا لهندسة محاصيل مقاومة للتحويل، مثل الحبوب . ومن الجدير بالذكر أن الذرة المعدلة وراثيًا بتقنية القذف الجيني (Bt) هي نتاج هذه التقنية. ^{[ 9 ]} كما حقق تحويل البلاستيدات نجاحًا كبيرًا باستخدام تقنية القذف الجيني مقارنةً بالتقنيات الحالية الأخرى، مثل التحويل بواسطة بكتيريا الأجروبكتيريوم ، والتي تواجه صعوبة في توجيه الناقل إلى البلاستيدات الخضراء والتعبير الجيني فيها بشكل مستقر. ^{[ 9 ] [ 18 ]} إضافةً إلى ذلك، لم تُسجّل أي حالات لتثبيط البلاستيدات الخضراء لجين مُدخل باستخدام مسدس الجينات. ^{[ 19 ]} علاوةً على ذلك، يمكن لفني ماهر، بإطلاق واحد فقط لمسدس الجينات، إنتاج كائنين مُحوَّرين في بعض الأنواع. ^{[ 18 ]} وقد سمحت هذه التقنية بتعديل أنسجة محددة في موضعها ، على الرغم من أن ذلك قد يُلحق الضرر بعدد كبير من الخلايا ويُحوّل بعض خلايا النسيج فقط، وليس جميعها. ^{[ 20 ]}

تُدخل تقنية القذف الجيني الحمض النووي (DNA) عشوائيًا إلى الخلايا المستهدفة. وبالتالي، قد يتحول الحمض النووي إلى أي جينوم موجود في الخلية، سواء كان نوويًا أو ميتوكوندريًا أو بلازميديًا أو غيره، بأي تركيبة، مع إمكانية الحد من ذلك من خلال تصميم دقيق للبنية الجينية. يُعدّ إدخال ودمج قوالب متعددة من بنية الحمض النووي احتمالًا واردًا، مما يؤدي إلى تباين محتمل في مستويات التعبير وعدد نسخ الجين المُدخل. ^{[ 9 ]} ويعود ذلك إلى قدرة البنى الجينية على نقل واستقبال المادة الوراثية من بنى أخرى، مما يجعل بعضها لا يحمل أي جين مُدخَل، بينما يحمل البعض الآخر نسخًا متعددة منه؛ ويعتمد عدد النسخ المُدخلة على عدد نسخ الجين المُدخَل الموجودة في البنية المُدخلة، وعدد النسخ التي تم إدخالها. ^{[ 9 ]} أيضًا، نظرًا لأن التركيبات حقيقية النواة تعتمد على إعادة التركيب غير الشرعي - وهي عملية يتم من خلالها دمج الجين المنقول في الجينوم بدون تسلسلات جينية مماثلة - وليس إعادة التركيب المتماثل ، فلا يمكن استهدافها لمواقع محددة داخل الجينوم، ^{[ 9 ]} إلا إذا تم توصيل الجين المنقول مع كواشف تحرير الجينوم .

• أوبراين، ج؛ هولت، م؛ وايتسايد، ج؛ لوميس، س.ك؛ هاستينغز، م.هـ (2001). " تعديلات على مسدس الجينات المحمول: تحسينات لنقل الجينات البيولوجية في المختبر إلى الأنسجة العصبية العضوية" . مجلة أساليب علم الأعصاب . 112 (1): 57-64 . doi : 10.1016/S0165-0270(01)00457-5 . PMID 11640958. S2CID 30561105 .  

• يقدم جون أوبراين... فوهات بنادق الجينات لمزيد من المعلومات حول علم القذف الجيني