الهندسة الوراثية والتقنية الحيوية Genetic Engineering and Biotechnology

قبل سبعينيات القرن العشرين، تم الكشف عن الأنواع البكتيرية التي لديها خصائص أيضية metabolic properties خاصة أو فريدة عبر تحليل الطفرة mutant analysis أو عن طريق الفحص للخلايا مع بعض الملكات الأيضية metabolic talents. دخلت التجارب في معاودة الإرتباط الوراثي genetic recombination عصر جديد في أواخر السبعينات، عندما أصبح من الممكن إدخال الجينات genes في DNA البكتيري bacterial DNA، وبالتالي تأسيس عشائر متطابقة وراثياً genetically identical population من شأنها أن تنتج بروتينات proteins من الجينات المدخلة. استخدام الوراثة الميكروبية microbial genetics، بما في ذلك العزل, التلاعب, والتحكم في التعبير الجيني gene expression كان له تداعيات بعيدة المدى، مما أدى إلى مجال جديد تماما من الهندسة الوراثية genetic engineering.

حققت العديد من المنتجات المشتقة من الهندسة الوراثية تقدماً في مجال الطب medicine والإنتاج الصناعي industrial production. التقنية الحيوية Biotechnology هو الاسم الذي يطلق على التطبيقات التجارية والصناعية commercial and industrial applications المشتقة من الهندسة الوراثية.

يتضمن علم الهندسة الوراثية تعديل في المادة الوراثية genetic material في الكائن الحي لتغيير صفاته أو للسماح للكائن الحي لإنتاج منتج بيولوجي biological product، عادة بروتين، والذي يكون هذا الكائن غير قادر على انتاجه سابقا. برز هذا المجال في أوائل السبيعنات عندما أصبحت التقنيات متاحة للتلاعب بـ DNA. من بين العلماء الأوائل الذين حاولوا التلاعب الوراثي genetic manipulation كان بول بيرغ Paul Berg من جامعة ستانفورد. في عام 1971، فتح بيرغ وزملائه جزيء DNA الدائري من الفيروس القردي 40 simian virus-40 (SV40) وربطوه في كروموسوم بكتيري bacterial chromosome. للقيام بذلك، بنوا أول جزيء DNA معاود الإرتباط recombinant DNA molecule – جزيء DNA يحتوي على قطع DNA مربوطة معا من اثنين أو أكثر من الكائنات الحية. عملية معاودة الإرتباط الوراثي هذه المتلاعب فيها من الإنسان human-manipulated كانت شاقة للغاية برغم ذلك لأن DNA البكتيري والفيروسي المقطوع له نهايات حادة blunt ends، مما يجعل الاغلاق المحكم لكلا DNA صعب. لذلك اضطر بيرغ لاستخدام كيمياء إنزيمية enzyme chemistry شاملة لتشكيل نهايات متداخلة staggered ends من شأنها أن تندمج بسهولة عبر اقتران القواعد المكمل complementary base pairing.

بينما كان بيرغ يجري تجاربه، أتى تطور مهم من هربرت بوير Herbert Boyer ومجموعته في جامعة كاليفورنيا. بوير عزل إنزيم القطع (التقييد) الداخلي endonuclease restriction endonuclease الذي يتعرف على ويقطع امتدادات قصيرة محددة من النيوكليوتيدات nucleotides. الأهم من ذلك, الأنزيم يترك DNA بنهايات متداخلة شبيهه بالتجويف mortise-like. هذه القطع المتدلية من DNA المفرد الشريط single-stranded الممتدة من DNA المزدوج الشريط double-stranded ترتبط بسهولة بالنهايات المكملة البارزة من القطعة الأخرى من DNA. أطلق العلماء بسرعة على الامتدادات المفردة الشريط اسم "النهايات اللاصقة sticky ends."

حالياً، هناك مجموعة واسعة من انزيمات القطع (التقييد) restriction enzymes من البكتيريا Bacteria والأركيا Archaea، كل واحد منها يميز تسلسل نيوكليوتيدي nucleotide sequence محدد (الجدول). تشتق تسميات الانزيم من الأنواع التي تعزل منها. على سبيل المثال، انزيم القطع EcoRI يرمز لإنزيم القطع I من إشيريشيا كولاي Escherichia coli.

جدول: أمثلة على إنزيمات القطع (التقييد) الداخلية المميزة للتسلسلات

الكائن الحي	أنزيم القطع	التسلسل المميز *
إشيريشيا كولاي Escherichia coli	EcoRI	G → AATTC CTTAA → G
ستربتوميسيس البيوس Streptomyces albus	SalI	G → TCGAC CAGCT → G
هيموفيلوس إنفلونزا Haemophilus influenzae	HindIII	A → AGCTT TTCGA → A
باسيلس اميلوليكيوفاسينس Bacillus amyloliquefaciens	BamHI	G → GATCmC CCmTAG → G
بروفيدينسيا ستيوارتي  Providencia stuartii	PstI	CTGCA → G G → ACGTC

* الأسهم تدل على حيث يقطع انزيم القطع الشريطين من التسلسل المميز , C^m = ميثيل سيتوسين.

كل انزيم يقطع كلا الشريطين من DNA لأن التسلسل المميز متناظر palindrome (المتناظر: سلسلة من الحروف تقرأ نفس الشيء من اليسار إلى اليمين ومن اليمين إلى اليسار). كل شريط لديه نفس المجموعة المكملة من قواعد النيوكليوتيد nucleotide bases. بالتالي، انزيمات القطع هي "مقصات جزيئية molecular scissors" تستخدم من قبل أخصائيي الهندسة الوراثية genetic engineers لفتح البلازميد أو الكروموسوم البكتيري في مواقع محددة وإدخال قطعة DNA من كائن حي آخر.

لإغلاق قطع DNA معاود الإرتباط، يتم استخدام انزيم DNA ligase. يعمل هذا الانزيم بشكل طبيعي أثناء إصلاح وتضاعف DNA لإغلاق قطع DNA معاً.

في نفس الوقت، ستانلي كوهين، أيضا في جامعة ستانفورد، كان يراكم بيانات على بلازميدات plasmids إي. كولاي E. coli. وجد كوهين انه يمكن عزل البلازميدات من خلايا بكتيرية وإدخالها في خلايا بكتيرية جديدة بواسطة تعليق الكائنات في كلوريد الكالسيوم calcium chloride وتسخينها بسرعة. هذا يجعل خلايا إي. كولاي كفؤة لأخذ البلازميد عبر عملية التحول transformation. عندما تكون داخل الخلايا، تتضاعف البلازميدات بصورة مستقلة وتنتج نسائل clones, أي، نسخ من نفسها.

بالعمل معا، عزل بوير وكوهين بلازميدات من إي. كولاي وفتحوها بانزيمات القطع. بعد ذلك، ادخلا قطعة من DNA خارجي في البلازميدات واغلقا القطعة باستخدام DNA ligase. بمحاكاة معاودة الإرتباط الوراثي الطبيعي، ادخلا البلازميدات بعد ذلك (جزيئات DNA معاود الإرتباط) في خلايا إي. كولاي جديدة. بحلول عام 1973، نجحت تقنيتهم ​​في تقطيع الجينات عبر الأجناس genera، من ستافيلوكوكس أوريوس Staphylococcus aureus إلى إشيريشيا كولاي E. coli. هذه التجارب الهندسة الوراثية أثارت إهتمام المجتمع العلمي scientific community لأنه للمرة الأولى يمكنهم التلاعب بالجينات من مجموعة واسعة من الأنواع، ولصقها معا.