تخليق الحمض النووي

📅 آخر تحديث: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 4 صور
الموسوعة الحرة
بنية الحمض النووي المزدوج، وهو نتاج عملية تخليق الحمض النووي، موضحًا وحدات النيوكليوتيدات الفردية والروابط.

تُعرف عملية تخليق الحمض النووي (DNA) بأنها تكوين جزيئات الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA) بشكل طبيعي أو اصطناعي. يتكون الحمض النووي من جزيء ضخم يتألف من وحدات نيوكليوتيدية ، ترتبط فيما بينها بروابط تساهمية وهيدروجينية ، ضمن بنية متكررة. تحدث عملية تخليق الحمض النووي عندما تتحد هذه الوحدات النيوكليوتيدية لتكوين الحمض النووي؛ ويمكن أن يحدث ذلك اصطناعياً ( في المختبر ) أو طبيعياً ( داخل الكائن الحي ). تتكون الوحدات النيوكليوتيدية من قاعدة نيتروجينية (السيتوزين، أو الجوانين، أو الأدينين، أو الثايمين)، وسكر خماسي (ديوكسي ريبوز)، ومجموعة فوسفات. تتحد كل وحدة عندما تتكون رابطة تساهمية بين مجموعة الفوسفات الخاصة بها وسكر النيتروز للنيوكليوتيد التالي، مكونةً بذلك هيكلاً أساسياً من السكر والفوسفات. يتميز الحمض النووي ببنية متكاملة مزدوجة السلاسل، حيث يحدث اقتران القواعد المحدد (الأدينين والثايمين، والجوانين والسيتوزين) بشكل طبيعي عند تكوّن الروابط الهيدروجينية بين قواعد النيوكليوتيدات.

توجد عدة تعريفات مختلفة لتخليق الحمض النووي (DNA): فقد يشير إلى تضاعف الحمض النووي - التخليق الحيوي للحمض النووي ( تضخيم الحمض النووي داخل الخلايا الحية )، أو تفاعل البوليميراز المتسلسل - التخليق الإنزيمي للحمض النووي ( تضخيم الحمض النووي خارج الخلايا الحية )، أو تخليق الجينات - إنشاء تسلسلات جينية اصطناعية . على الرغم من اختلاف كل نوع من أنواع التخليق اختلافًا كبيرًا، إلا أنها تشترك في بعض الخصائص. يمكن للنيوكليوتيدات التي تم ربطها لتكوين عديدات النيوكليوتيدات أن تعمل كقالب للحمض النووي في أحد أنواع تخليق الحمض النووي - تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR). يعمل تضاعف الحمض النووي أيضًا باستخدام قالب الحمض النووي، حيث ينفك اللولب المزدوج للحمض النووي أثناء التضاعف، كاشفًا القواعد غير المزدوجة لنيوكليوتيدات جديدة لتكوين روابط هيدروجينية. أما تخليق الجينات، فلا يتطلب قالبًا للحمض النووي، ويتم تجميع الجينات من الصفر .

يحدث تخليق الحمض النووي في جميع حقيقيات النوى وبدائيات النوى ، بالإضافة إلى بعض الفيروسات . يُعدّ تخليق الحمض النووي بدقة أمرًا بالغ الأهمية لتجنب حدوث طفرات فيه. في البشر، قد تؤدي الطفرات إلى أمراض مثل السرطان، لذا فقد خضع تخليق الحمض النووي، والآليات المشاركة فيه داخل الكائن الحي ، لدراسات مستفيضة على مدى عقود. في المستقبل، قد تُستخدم هذه الدراسات لتطوير تقنيات تعتمد على تخليق الحمض النووي، لاستخدامها في تخزين البيانات.

تضاعف الحمض النووي

نظرة عامة على خطوات تضاعف الحمض النووي
تضاعف الحمض النووي، والإنزيمات المختلفة المشاركة فيه

في الطبيعة، تُصنّع جزيئات الحمض النووي (DNA) بواسطة جميع الخلايا الحية من خلال عملية تضاعف الحمض النووي . ويحدث هذا عادةً كجزء من انقسام الخلية . يحدث تضاعف الحمض النووي بحيث تحتوي كل خلية ابنة، أثناء انقسام الخلية، على نسخة دقيقة من المادة الوراثية للخلية الأصلية. يعتمد تخليق الحمض النووي داخل الخلايا الحية ( تضاعف الحمض النووي ) على مجموعة معقدة من الإنزيمات التي تطورت للعمل خلال طور S من دورة الخلية، بطريقة متناسقة. في كل من حقيقيات النوى وبدائيات النوى ، يحدث تضاعف الحمض النووي عندما تقوم إنزيمات محددة ، مثل توبويزوميراز وهيليكاز وجيراز (بروتينات بدء التضاعف) ، بفك التفاف الحمض النووي المزدوج، كاشفةً القواعد النيتروجينية. [ 1 ] تُشكّل هذه الإنزيمات، إلى جانب بروتينات مساعدة، آلة جزيئية ضخمة تضمن تضاعفًا دقيقًا لتسلسلات الحمض النووي. يحدث اقتران القواعد المتكاملة، مُشكّلاً جزيء حمض نووي مزدوج جديد. يُعرف هذا بالتضاعف شبه المحافظ، حيث أن أحد خيوط جزيء الحمض النووي الجديد مُشتق من الخيط "الأبوي".

تتعرض إنزيمات حقيقيات النوى باستمرار لتلف الحمض النووي، مما قد يُعطّل عملية تضاعفه. يتخذ هذا التلف شكل آفات في الحمض النووي تنشأ تلقائيًا أو بفعل عوامل مُتلفة. ولذلك، تخضع آلية تضاعف الحمض النووي لرقابة دقيقة لمنع انهيارها عند حدوث التلف. [ 2 ] يضمن التحكم في نظام تضاعف الحمض النووي تضاعف الجينوم مرة واحدة فقط في كل دورة؛ إذ يُؤدي التضاعف المُفرط إلى تلف الحمض النووي. ويُعدّ اضطراب تنظيم تضاعف الحمض النووي عاملًا رئيسيًا في عدم استقرار الجينوم أثناء تطور السرطان. [ 3 ]

يُبرز هذا خصوصية آلية تخليق الحمض النووي داخل الكائن الحي . توجد وسائل عديدة لتحفيز تضاعف الحمض النووي الموجود طبيعيًا، أو لإنشاء تسلسلات جينية اصطناعية. مع ذلك، قد يكون تخليق الحمض النووي في المختبر عمليةً عرضةً للأخطاء.

إصلاح الحمض النووي

يخضع الحمض النووي التالف للإصلاح عبر عدة عمليات إصلاح إنزيمية مختلفة ، حيث تتخصص كل عملية منها في إصلاح أنواع معينة من التلف. يتعرض الحمض النووي البشري للتلف من مصادر طبيعية متعددة، ويرتبط عدم كفاية الإصلاح بالأمراض والشيخوخة المبكرة . [ 4 ] تُشكل معظم عمليات إصلاح الحمض النووي فجوات أحادية السلسلة في الحمض النووي خلال مرحلة وسيطة من الإصلاح، وتُملأ هذه الفجوات عن طريق تخليق الحمض النووي. [ 4 ] تشمل عمليات الإصلاح المحددة التي تتطلب ملء الفجوات عن طريق تخليق الحمض النووي: إصلاح استئصال النيوكليوتيدات ، وإصلاح استئصال القواعد ، وإصلاح عدم التطابق ، والإصلاح التأشيب المتماثل ، والربط غير المتماثل للنهايات ، والربط المتماثل الجزئي للنهايات .

النسخ العكسي

النسخ العكسي جزء من دورة تضاعف بعض عائلات الفيروسات، بما في ذلك الفيروسات القهقرية . يتضمن هذا النسخ تحويل الحمض النووي الريبوزي (RNA) إلى حمض نووي تكميلي مزدوج السلاسل (cDNA) باستخدام إنزيمات النسخ العكسي . في الفيروسات القهقرية، يُدمج الحمض النووي الريبوزي الفيروسي في نواة الخلية المضيفة. هناك، يُضيف إنزيم النسخ العكسي الفيروسي نيوكليوتيدات الحمض النووي إلى تسلسل الحمض النووي الريبوزي، مُنتجًا الحمض النووي التكميلي الذي يُدمج في جينوم الخلية المضيفة بواسطة إنزيم الإنتغراز ، مُشفِّرًا بذلك البروتينات الفيروسية. [ 5 ]

تفاعل البوليميراز المتسلسل

يُعد تفاعل البوليميراز المتسلسل شكلاً من أشكال التخليق الأنزيمي للحمض النووي في المختبر، باستخدام دورات من التسخين والتبريد المتكرر للتفاعل من أجل إذابة الحمض النووي وتكرار الحمض النووي الأنزيمي.

تُشابه عملية تخليق الحمض النووي (DNA) أثناء تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR) إلى حد كبير عملية تخليقه في الخلايا الحية، ولكنها تتطلب كواشف وظروفًا خاصة جدًا. خلال تفاعل PCR، يُستخلص الحمض النووي كيميائيًا من البروتينات المرافقة للخلية المضيفة، ثم يُسخّن، مما يؤدي إلى تفكك خيوط الحمض النووي حراريًا. تُبنى سلسلتان جديدتان من الحمض النووي التكميلي (cDNA) من السلسلة الأصلية، ويمكن فصل هاتين السلسلتين مرة أخرى لتكونا بمثابة قالب لمنتجات PCR أخرى. يُضاعف الحمض النووي الأصلي من خلال العديد من دورات تفاعل PCR. [ 1 ] يمكن إنتاج أكثر من مليار نسخة من سلسلة الحمض النووي الأصلية.

الطفرات العشوائية

في العديد من التجارب، كالدراسات البنيوية والتطورية، يحتاج العلماء إلى إنتاج مكتبة كبيرة من المتغيرات لتسلسل الحمض النووي المحدد. تحدث الطفرات العشوائية في المختبر، عندما يُدمج التضاعف الطافر باستخدام بوليميراز الحمض النووي منخفض الدقة مع تضخيم تفاعل البوليميراز المتسلسل الانتقائي لإنتاج نسخ عديدة من الحمض النووي الطافر. [ 6 ]

RT-PCR

يختلف تفاعل البوليميراز المتسلسل العكسي (RT-PCR) عن تفاعل البوليميراز المتسلسل التقليدي (PCR) في أنه يُصنّع الحمض النووي التكميلي (cDNA) من الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA)، بدلاً من الحمض النووي القالب. تجمع هذه التقنية بين تفاعل النسخ العكسي والتضخيم القائم على تفاعل البوليميراز المتسلسل، حيث يعمل تسلسل الحمض النووي الريبوزي كقالب لإنزيم النسخ العكسي. يُستخدم تفاعل البوليميراز المتسلسل العكسي غالبًا لاختبار التعبير الجيني في أنسجة أو أنواع خلايا معينة في مراحل نمو مختلفة، أو للكشف عن الاضطرابات الوراثية. [ 7 ]

تخليق الجينات

التخليق الجيني الاصطناعي هو عملية تصنيع جين في المختبر دون الحاجة إلى عينات أولية من الحمض النووي. في عام 2010، كان جيه كريج فينتر وفريقه أول من استخدم الحمض النووي المصنّع بالكامل لإنشاء ميكروب ذاتي التكاثر، أُطلق عليه اسم ميكوبلازما لابوراتوريوم . [ 8 ]

تخليق الأوليغونوكليوتيدات

تُعرف عملية تصنيع الأوليغونوكليوتيدات بأنها التخليق الكيميائي لتسلسلات الأحماض النووية. وتشمل غالبية الأبحاث البيولوجية والهندسة الحيوية استخدام الحمض النووي الاصطناعي، والذي قد يتضمن الأوليغونوكليوتيدات ، أو الجينات الاصطناعية، أو حتى الكروموسومات . واليوم، يُصنع معظم الحمض النووي الاصطناعي حسب الطلب باستخدام طريقة الفوسفوراميديت التي ابتكرها مارفن إتش. كاروثرز . وتُصنّع الأوليغونوكليوتيدات من وحدات بناء تُحاكي القواعد الطبيعية. وقد أُتيحت تقنيات أخرى لتصنيع الحمض النووي تجاريًا، بما في ذلك تجميع ربط الأوليغونوكليوتيدات القصيرة. [ 9 ] وقد أُتمتت هذه العملية منذ أواخر سبعينيات القرن الماضي، ويمكن استخدامها لتكوين التسلسلات الجينية المطلوبة، بالإضافة إلى استخدامات أخرى في الطب والبيولوجيا الجزيئية. ومع ذلك، فإن إنشاء التسلسلات كيميائيًا غير عملي إذا تجاوز طولها 200-300 قاعدة، كما أنه عملية خطرة على البيئة. ويمكن ربط هذه الأوليغونوكليوتيدات، التي يبلغ طولها حوالي 200 قاعدة، باستخدام طرق تجميع الحمض النووي، مما يُنتج جزيئات حمض نووي أكبر. [ 10 ]

استكشفت بعض الدراسات إمكانية التخليق الإنزيمي باستخدام إنزيم ناقل النيوكليوتيد الطرفي (TdT)، وهو بوليميراز الحمض النووي الذي لا يتطلب قالبًا. ومع ذلك، فإن هذه الطريقة ليست فعالة مثل التخليق الكيميائي، وليست متوفرة تجاريًا. [ 11 ]

مع التقدم الحاصل في مجال تصنيع الحمض النووي الاصطناعي، يجري استكشاف إمكانية تخزين البيانات باستخدام الحمض النووي . وبفضل كثافة التخزين الفائقة والاستقرار طويل الأمد، يُعدّ الحمض النووي الاصطناعي خيارًا واعدًا لتخزين كميات هائلة من البيانات. ورغم إمكانية استرجاع المعلومات بسرعة فائقة من الحمض النووي عبر تقنيات التسلسل الجيني من الجيل التالي، إلا أن عملية تصنيع الحمض النووي من الصفر تُشكّل عائقًا رئيسيًا في هذه العملية. إذ لا يُمكن إضافة سوى نيوكليوتيد واحد في كل دورة، وتستغرق كل دورة ثوانٍ معدودة، مما يجعل عملية التصنيع برمتها تستغرق وقتًا طويلًا، فضلًا عن كونها عرضة للأخطاء. مع ذلك، إذا ما شهدت التقنية الحيوية تطورًا ملحوظًا، فقد يُستخدم الحمض النووي الاصطناعي يومًا ما في تخزين البيانات. [ 12 ]

توليف أزواج القواعد

أُفيد بإمكانية تصنيع أزواج قواعد نووية جديدة ، بالإضافة إلى AT ( الأدينين - الثايمين ) وGC ( الجوانين - السيتوزين ). يمكن استخدام النيوكليوتيدات الاصطناعية لتوسيع الأبجدية الجينية والسماح بتعديل مواقع محددة في الحمض النووي. حتى إضافة زوج قاعدي ثالث من شأنه أن يزيد عدد الأحماض الأمينية التي يمكن ترميزها بواسطة الحمض النووي من 20 حمضًا أمينيًا إلى 172 حمضًا أمينيًا. [ 8 ] يتكون حمض هاشيموجي النووي من ثمانية أحرف نيوكليوتيدية، تُشكل أربعة أزواج قواعد ممكنة. وبالتالي، فهو يُضاعف كثافة المعلومات في الحمض النووي الطبيعي. في الدراسات، تم إنتاج الحمض النووي الريبوزي (RNA) من حمض هاشيموجي النووي. يمكن أيضًا استخدام هذه التقنية للسماح بتخزين البيانات في الحمض النووي. [ 13 ]

مراجع

  1. 1 2 بيلت-فيركويل، إيفان (2008). "مقارنة موجزة بين تضاعف الحمض النووي في الجسم الحي وتضخيم تفاعل البوليميراز المتسلسل في المختبر". مبادئ وجوانب تقنية لتضخيم تفاعل البوليميراز المتسلسل . روتردام: سبرينغر هولندا. ص 9-15 . doi : 10.1007/978-1-4020-6241-4_2 . ISBN  978-1-4020-6240-7. PMC 7120002 . S2CID 215257488 .  
  2. ↑ باتيل، دارشيل ر.؛ وايس، روبرت س. (2018). "مهمة شاقة: عندما تواجه شوكات التضاعف تلف الحمض النووي" . معاملات الجمعية الكيميائية الحيوية . 46 (6): 1643-1651 . doi : 10.1042/BST20180308 . PMC 6487187. PMID 30514768 .  
  3. ↑ رويسفيغ، كارل-أوي؛ بفاندر، بوريس (2019). "التحكم في بدء تضاعف الحمض النووي في حقيقيات النوى - آليات لضمان انتقالات سلسة" . جينات (بازل) . 10 (2): 99. doi : 10.3390/genes10020099 . PMC 6409694. PMID 30700044 .  
  4. 1 2 تيواري ف، ويلسون د.م. الثالث. تلف الحمض النووي وعيوب إصلاح الحمض النووي المرتبطة به في الأمراض والشيخوخة المبكرة. المجلة الأمريكية لعلم الوراثة البشرية. 1 أغسطس 2019؛ 105(2): 237-257. doi: 10.1016/j.ajhg.2019.06.005. مراجعة. PMID 31374202
  5. ↑ هيوز، ستيفن هـ (2015). "النسخ العكسي للفيروسات القهقرية وعناصر النسخ القهقرية ذات التكرارات الطرفية الطويلة" . مجلة ميكروبيولوجي سبيكتروم . 3 (2) 3.2.18: 1051–1077 . doi : 10.1128/microbiolspec.MDNA3-0027-2014 . ISBN 978-1-55581-920-0. PMC 6775776 . PMID 26104704 .  
  6. ↑ فورلوني، م (2018). "الطفرات العشوائية باستخدام بوليميرازات الحمض النووي المعرضة للخطأ". بروتوكولات كولد سبرينغ هاربور . 2018 (3) pdb.prot097741. doi : 10.1101/pdb.prot097741 . PMID 29496818 . 
  7. ↑ باخمان، جوليا (2013). "تفاعل البوليميراز المتسلسل للنسخ العكسي (RT-PCR)" . طرق المختبر في علم الإنزيمات: الحمض النووي الريبي . المجلد 530. الصفحات 67-74 . doi : 10.1016/B978-0-12-420037-1.00002-6 . ISBN   978-0-12-420037-1PMID 24034314​​ 
  8. 1 2 فايكس، برادلي ج. (8 مايو 2014). "حياة مُهندسة بشفرة وراثية موسعة" . صحيفة سان دييغو يونيون تريبيون . مؤرشف من الأصل في 9 مايو 2014. تم الاطلاع عليه في 8 مايو 2014 .
  9. ↑ "منصة جيبسون سولا" .
  10. ↑ بالوك، سيباستيان؛ أرلو، دانيال هـ؛ وآخرون ( 2018). "تخليق الحمض النووي من الصفر باستخدام اقترانات البوليميراز-النيوكليوتيد". مجلة نيتشر للتكنولوجيا الحيوية . 36 (7): 645-650 . doi : 10.1038/nbt.4173 . OSTI 1461176. PMID 29912208. S2CID 49271982 .    
  11. ↑ بيركل، جيفري م. (2019). "اشتد التنافس على تخليق الحمض النووي الأنزيمي" . مجلة نيتشر . 566 (7745): 565. Bibcode : 2019Natur.566..565P . doi : 10.1038/d41586-019-00682-0 . PMID 30804572 . 
  12. ↑ طباطبائي، س. كسرا (2020). "بطاقات مثقبة للحمض النووي لتخزين البيانات على تسلسلات الحمض النووي الأصلية عبر القطع الأنزيمي" . نيتشر كوميونيكيشنز . 11 (1) 1742. Bibcode : 2020NatCo..11.1742T . doi : 10.1038/s41467-020-15588-z . PMC 7142088. PMID 32269230 .  
  13. ↑ هوشيكا، شويتشي (2020). "هاشيموجي : الحمض النووي والحمض النووي الريبوزي. نظام وراثي ذو ثماني لبنات بناء" . مجلة ساينس . 363 (6429): 884-887 . doi : 10.1126/science.aat0971 . PMC 6413494. PMID 30792304 .