مرحبا
كل كائن حي على الأرض: كل بكتيريا، وكل شجرة التوت، وكل حوت أزرق، وكل إنسان: يعمل على نفس دفتر التوجيه الجزيئي.
يسمى هذا الدفتر التوجيهي الدي أن أيه، وهي اختصار للاسم الدقيق: دي أو كسي ريبونوكلييك حمض.
الدي أن أيه موجود تقريبًا في كل خلايا جسمك. فهو يخبر خلاياتك كيفية بناء البروتينات، التي تقوم بأغلب العمل في الحفاظ على حياتك. وقد قرر لون عينيك قبل أن تولد. وهو السبب في أن القطط هي قطط وليس نباتات الصبار.
في هذا الدرس، سنقسم الدي أن أيه إلى أجزاء. عند نهاية هذا الدرس، ستفهم كيف يمكن أن يحتوي جزيء يحتوي فقط على أربعة أحرف كيميائية على توجيه تعليمات الحياة.
التمرين الساخن
قبل أن نبدأ، دعونا نبدأ بأسئلة.
الدوبل هليكس
شكل الدي أن أيه
يبدو الدي أن أيه مثل سلم مزدوج: يسمى هذا الشكل الدوبل هليكس.
الجانبين الطويلين من السلم يسميان الخيط السكر-فوسفات. يأتي كل جانب منهم من سكر متبادل (دي أوكسي ريبوز) ومجموعات الفوسفات، ويحملان الهيكل بأكمله.
الخطوط المتصلة هي الجزء الهام. تأتي كل خط من قواعدين يزوجان. هناك أربعة قواعد:
- أ (أدنين)
- ت (ثايمين)
- س (سيتوزين)
- ج (جوانين)
هنا القاعدة المهمة: أ يزوج دائمًا مع ت، وس يزوج دائمًا مع ج. دائمًا. في كل نوع. يسمى هذا الزوج القاعدي، وينص الجزيء الواحد plus his sugar & phosphate is called a nucleotide.
يمكن أن يقرأ سلسل من الدي أن أيه البشري مثل: ATCGGCTAA. إذا كنت تعرف جانبًا، فستعرف الجانب الآخر تلقائيًا: لأن أ يزوج مع ت، وس يزوج مع ج.
من من اكتشفها؟
سباق اكتشاف تركيب الدي أن أيه
في عام 1953، نشر جيمس واطسون وفرانسيس كريك تركيب الدي أن أيه. فازا بجائزة نوبل لهذا في عام 1962.
ولكن لم يكن بإمكانهم القيام بذلك دون روسالند فرانكلين.
فرانكلين كانت كيميائية رائدة في كلية كينغز لندن. استخدمت تصوير الأشعة السينية: إطلاق أشعة إكس على بلورات دنا وتلقي الأنماط التي صنعوها: لإنتاج صورة 51، هي الصورة الوحيدة لتركيب الدنا التي رأتها أي شخص من قبل.
أظهر زميلها موريس ويلكنز صورة 51 لواتسون دون علم فرانكلين أو موافقة. كتب واطسون لاحقًا أن في اللحظة التي رأتها، أصبح تركيب الديوكسين واضحًا.
لم تتلق فرانكلين جائزة نوبل. توفيت بسبب سرطان بطانة الرحم في 1958 في عمر 37 عامًا: ربما بسبب عملها الشامل بالأشعة السينية: وجائزة نوبل لا تُمنح بعد الموت. وصف واطسون وكريك مساهمتها في ذلك الوقت.
اليوم، يعترف العلماء بأن عمل التجريبي لفرانكلين كان ضروريًا. تم سرقها من الشكر خلال حياتها، وروايتها تذكير بأن العلوم يتم إجراؤها بواسطة الأشخاص: والأشخاص لا يكن دائمًا عادلين.
كيف ينسخ الدنا نفسه
نسخ الكود
في كل مرة يُقسم فيها الخلية: لتعالج جرحًا أو لتنمو أو لاستبدال خلايا مستهلكة: يجب أولاً إنتاج نسخة دقيقة تمامًا من كل دنا الخاص بها. يسمى هذا العملية نسخ.
هذا هو كيف يعمل:
1. إنزيم يسمى هليكاز يفتت الدي نكلييه المزدوج بواسطة كسر روابط الهيدروجين بين قواعد البنيات. يفترق اللوح حقًا.
2. إنزيم آخر يسمى بوليميراز الدنا يقرأ كل سلسلة مفتوحة ويبني سلسلة جديدة تتناسب معها، متابعتًا القواعد المتعلقة باستقامة القواعد (أ مع ت، وج مع س).
3. النتيجة: نسخان من الكائنات الدنا الأصلية. لكل منها سلسلة قديمة وسلسلة جديدة.
يحدث هذا في جسمك حوالي 3.8 مليون مرة في الثانية. ويكون ذلك بشكل دقيق تقريبًا كل مرة: بوليميراز الدنا يُنتج عن خطأ واحد لكل مليار قاعدة مكررة. عندما يُنتج خطأ، يُكتشف العيب عادةً ويُصرف بواسطة إنزيمات أخرى.
ولكن ليس دائمًا. عندما ينجرف خطأ، يتحول إلى تغير جيني. سنحاور فيماذا يهم ذلك قريبًا.
الترجمة والترجمة
كيف يبني DNA الأشياء
DNA لا يبني جسدك مباشرة. يعمل من خلال وسيط يسمى RNA (حمض نووي ريبوزي).
يحتاج العملية إلى خطوات رئيسية:
خطوة 1: الترجمة (DNA → mRNA)
جزء من DNA (جين) يتم نسخه إلى جزيء يسمى حمض نووي ريبوزي الرسول (mRNA). فكر في ذلك كإجراء نسخ فوتوغرافي لصفحة من دفتر الإرشادات الكبير. الأصل يبقى آمن في النواة؛ النسخة تذهب إلى ساحة الإنتاج.
خطوة 2: الترجمة (mRNA → بروتين)
الريبوسومات: آلات بناء البروتينات الخلوية: تقرأ mRNA ثلاث أحرفًا في كل مرة. كل مجموعة من ثلاثة أحرف تسمى كودون. كل كودون يحدد حامض أميني. ربط الحمضيات الأمينية معًا وستحصل على بروتين.
على سبيل المثال، يرمز الكودون AUG للحامض الأميني الميثيونين أيضًا ويؤشر على 'ابدأ في البناء هنا'. الكودون UAA يؤشر على 'انتهى'.
قد يرمز جين واحد إلى بروتين يحتوي على مئات الحمضيات الأمينية. قد يصبح هذا البروتين إنزيمًا يفكّس طعامك، أو جزيء هيموغلوبين ي نقل الأكسجين في دمك، أو صبغ دهني يكوِّن لشعيرتك.
جين واحد → mRNA واحد → بروتين واحد → وظيفة واحدة في جسدك. (هذا مختصر: الواقع أكثر فوضى: لكنه يلقي بظلال من المنطق الأساسي.)
عند تغيير الجينات
ماذا يحدث عندما تتغير الرموز؟
التغيير الجيني هو أي تغيير في تركيب DNA. يمكن أن يكون ذلك بتبديل باص من الآخر، أو حذف باص، أو إضافة باص إضافي.
بعض التغييرات لا شيء: الكودون ما زال يرمز للحامض الأميني نفسه (هناك تكرار في الكودجين). يسمى هذا التغيير الصامت.
بعض التغييرات تؤدي إلى تغيير حمض أميني واحد لكن البروتين لا يزال يعمل. بعض التغييرات تؤدي إلى تغيير حمض أميني مهم ويتحول البروتين.
وتحدث بعض التغييرات: نادرا جدا: تنتج بروتين يعمل بشكل أفضل من البروتين الأصلي.
لماذا نختلف جميعًا
أين يأتي التباين
إذا كان الدنا ينسخ نفسه بصدق، لماذا لسنا جميعًا متطابقين؟
ثلاثة مصادر رئيسية للتباين الجيني:
1. التغييرات: أخطاء عشوائية في النسخ، أو إشعاع الأشعة فوق البنفسجية، أو التعرض للكيماويات يمكن أن تغير قواعد الدنا. معظم التغييرات متوازنة. بعضها ضار. قليل منهم مفيد.
2. التكاثر الجنسي: عندما يتكاثر الأثاث جنسيًا، يُقدم كل الوالدين نصف جينيهما. الجمع بين الخمسة بالمائة من جينيهما. ولكن التي 50% التي حصلت عليها كان قرعة جينية. هذا هو السبب في أن الأخوة يبدون متشابهين ولكن ليس متطابقين.
3. التقاطع: أثناء تكون خلايا البويضات والصفائح المنوية، يتم تبادل الأقسام الفيزيائية بين الكروموسومات. هذا يخلط تراكيب الجينات بطريقة لم يكن الوالدان قد فعلوا ذلك.
لماذا يهم التباين
التباين الجيني ليس عيبًا: هو استراتيجية بقاء. مجموعة سكانية حيث كل فرد جينيًا متطابق هو ضعيف. يمكن أن يُقتل المرض واحد لأن لا أحد لديه مقاومة.
ولكن في مجموعة سكانية متنوعة جينيًا، بعض الأفراد سيحتاج إلى تغييرات جينية تحصل على نتيجة تحول إلى مقاومة. يبقون على قيد الحياة، يتكاثرون، وينقلوون تلك المقاومة. هذا هو مسلسل الطبيعة: محرك التطور.
كل تحسين يمكنك التفكير فيه: سرعة القط الفهد، تخزين الماء في الصبار، الدماغ البشري: بدأت كمتغير عشوائي كان مفيداً.
CRISPR وتعديل الجينات
إعادة كتابة كود الحياة
لألف عام، تغيرات الجين كانت بطيئة: من خلال المتغير العشوائي والانتقاء الطبيعي.
غير ذلك في عام 2012.
اكتشفت جينيفير دوودنا و إيمانويل شاربنتيير أن نظام دفاع بكتيري يسمى CRISPR-Cas9 يمكن توجيهه لقطع الجينوم في أي موقع دقيق. فازا بجائزة نوبل في الكيمياء في عام 2020.
يعمل CRISPR مثل مقص جزيئي مع نظام توجيه. تُقدم له رنا指导 يطابق سلسلة الجين التي ترغب في تعديلها، والبروتين Cas9 يقطع الجين في هذا المكان الدقيق. ثم يتم تصليح القطع بواسطة جهاز تصليح الخلية، وفي هذه الأثناء يمكنك إدخال جين مُصليح.
هذا ثوري. تم استخدام CRISPR من قبل العلماء في العديد من الحالات:
- علاج مرض السكري المنجلي في التجارب السريرية عن طريق تعديل خلايا دم الجنين للمرضى
- تطوير المحاصيل المقاومة للأمراض دون التزاوج التقليدية
- تطوير علاجات محتملة لمرض التصلب العضلي، والسرطانات، ومختفي فيروس نقص المناعة البشرية
ولكن CRISPR يثير أيضا أسئلة أخلاقية ضخمة.
في عام 2018، أعلن باحث صيني يدعى هيه جيانكوي أنه قد استخدم CRISPR لتعديل سلسلة الجين في البويضة: ولدت بنات مع جينات مُعدلة. انتقدت المجتمعات العلمية العالمية هذا التصرف بأنه غير مسئول وغير مناسب. حُكم على هيه بثلاث سنوات في السجن.
النزاع الرئيسي: تعديل سلسلة الجين في البويضة يغير كل خلايا الشخص الناتج، وتبقى هذه التغييرات تُورث لابناءهم ولأبناء أبناءهم. نحن نتحدث عن تغيير دائم في مجرى الجينات البشرية.
فحص الجينوم يثير أسئلته الخاصة. يمكنك اليوم إلقاء قارورة ماءً وتعرف على مخاطر المئات من الأمراض. هل يجب أن يكون للموظفين أو شركات التأمين حق الوصول إلى هذه المعلومات؟ هل يجب على الوالدين أن يكونوا قادرين على اختيار البويضة بناءً على خصائص مثل الحكمة أو اللياقة؟
هل يجب علينا تعديل سلسلة الجين البشرية؟
الآن حان دورك للنقاش
لا توجد إجابة صحيحة واحدة على هذه الأسئلة. لكن هناك إجابات مدروسة و إجابات غير مدروسة.
يعدّ جواب قوي بمناقشة الفوائد المحتملة والمخاطر، واستخدام الأدلة، واعتراف بتعقيد المسألة.
ماذا ستتذكره؟
فكر آخر
بدأت هذه الدرس بالسؤال عن القطط.
الآن تعرف الإجابة تسكن في سلالم مزدوجة مزدوجة: كود رائع يتحكم في كل كائن حي على الكوكب، وقوي للغاية حيث لا نستطيع إلا أن نتعلم كيف نrewrite it.
علوم DNA تتحرك بسرعة أكبر مما كان في أي نقطة في تاريخ البشرية. الطلاب الذين يتعلمون هذا المادة الآن سيجعلون القرارات حول كيفية استخدامها.