3.5. اصلاح ژنتیکی و زیست فناوری

مفاهیم

  • از ژل الکتروفورز برای جدا کردن پروتئین­‌ها یا قطعات DNA بر اساس اندازه استفاده می‌­شود.
  • از PCR برای افزایش تعداد قطعات کوچک DNA استفاده می­‌شود.
  • در تعیین ویژگی­‌های DNA هر فرد(DNA profiling) DNAها با یکدیگر مقایسه می­‌شوند.
  • اصلاح ژنتیکی[1] با انتقال ژن بین گونه­­‌ها رخ می­‌دهد.
  • به سلول‌های مشابه ژنتیکی که از یک سلول منفرد ایجاد شده‌اند، کلون گفته می‌شود.
  • بسیاری از گونه­‌های گیاهی و برخی از گونه­‌های جانوری روش­‌هایی طبیعی برای کلون کردن[2] دارند.
  • جانوران را می‌­توان با تقسیم رویان در مرحله رویانی به بیش از یک گروه سلولی، کلون کرد.
  • روش­‌هایی برای کلون کردن جانوران بالغ با استفاده از سلول­‌های تمایز یافته، ایجاد شده است.

ماهیت علم

  • بررسی خطرات تحقیقات علمی: دانشمندان در تلاش هستند تا خطرات اصلاح ژنتیکی گیاهان زراعی و دام‌­ها را بررسی کنند.

کاربرد علم

  • از DNA profiling برای تعیین اصل و نسب و همچنین در مطالعات پزشکی قانونی استفاده می­‌شود.
  • انتقال ژن به باکتری­‌ها توسط پلاسمیدها با استفاده از اندونوکلئازهای محدود کننده و آنزیم DNA لیگاز.
  • ارزیابی مزایا و ریسک­‌های بالقوه و تولید گیاهان زراعی اصلاح ژنتیکی شده.
  • تولید جنین­‌های کلون شده با استفاده از هسته سلول سوماتیک.

مهارت آموزی

  • طراحی آزمایش برای ارزیابی فاکتور مؤثر در جوانه زنی قلمه گیاهان.
  • بررسی مثال­‌هایی از پروفایل‌­های DNA.
  • آنالیز داده­‌های مرتبط با مخاطرات پروانه‌های مونارش[3] تغذیه کننده از گیاهان زراعی برند Bt.

ژل الکتروفورز

از ژل الکتروفورز برای جدا کردن پروتئین­‌ها یا قطعات DNA بر اساس اندازه استفاده می­‌شود.

ژل الکتروفورز مولکول­‌های باردار را در یک میدان الکتریکی بر اساس اندازه و بار آن­‌ها جدا می­‌کند. نمونه­‌ها درون چاهک­‌هایی در ژل ریخته می‌شوند. ژل و داخل یک محلول رسانا غوطه‌­ور است و  تحت اثر یک میدان الکتریکی قرار دارد. مولکول­‌های باردار موجود در نمونه‌­ها در طول ژل شروع به حرکت می­‌کنند. جهت حرکت مولکول­‌های با بار مثبت و منفی می‌تواند متفاوت باشد پروتئین­‌ها می­‌توانند بار مثبت یا منفی داشته باشند در نتیجه براساس بار جداسازی می­‌شوند.

ژل مورد استفاده در الکتروفورز حاوی پلیمرهای منفذداری است که در مقابل حرکت مولکول­‌های نمونه مقاومت می­‌کند. مولکول­‌های DNA یوکاریوتی برای حرکت روی ژل بسیار بلند هستند و باید قبل از  جداسازی با الکتروفورز به قطعات کوچکتری تقسیم شوند. تمام مولکول­‌های DNA بار منفی دارند بنابراین قطعات DNA در یک جهت حرکت می­‌کنند اما  سرعت حرکت آن­‌ها متفاوت است.

قطعات کوتاه­تر سریعتر از قطعات بزرگتر حرکت می­‌کنند، و در زمان یکسان، قطعات کوتاه­تر مسافت بیشتری را طی می­‌کنند. در نتیجه  از ژل الکتروفورز برای جدا کردن قطعات DNA براساس اندازه استفاده می­‌شود.لعه

مقدار DNA باPCR افزایش پیدا می­‌کند.

از PCR برای افزایش تعداد قطعات کوچک DNA استفاده می­‌شود.

از واکنش زنجیره­ای پلیمراز[1] (PCR) برای تولید مقادیر زیادی از نسخه­‌های DNA استفاده می­‌شود. جزئیات این تکنیک در بخش 2.7 توضیح داده شده است. برای شروع این فرآیند تنها به مقادیر بسیار کمی از DNA (در تئوری تنها یک مولکول) نیاز است. پس از یک یا دو ساعت از شروع فرآیند، میلیون­‌ها مولکول DNA ساخته می­‌شود. این تکنیک امکان مطالعه DNA بدون نگرانی از اتمام منابع محدود DNA را فراهم می­‌کند. برای مثال DNA استخراج شده از فسیل­‌ها را می­‌توان با استفاده از PCR تکثیر کرد. مقادیر بسیار کمی از DNA خون، مایعات جنسی و مو را می‌­توان در مطالعات پزشکی قانونی به کمک PCR تکثیر کرد.

از تکنیک PCR برای تکثیر کامل یک مجموعه مولکول DNA موجود در نمونه­‌های خونی یا مایعات جنسی استفاده نمی­‌شود. برای مثال گلبول‌های سفید تمامی کروموزوم­‌های فرد را در خود دارد. این مساله در مورد اسپرم موجود در نمونه­‌هایی از مایع جنسی  نیز وجود دارد. یک اسپرم تمام ژنوم مرد تولید کننده آن را در خود دارد. به طور کلی از PCR فقط برای کپی برداری بخش خاصی از توالی DNA استفاده می­‌شود. با استفاده از اولیگونوکلئوتیدی به نام پرایمر که به نقطه شروع توالی متصل می­‌شود، می­‌توان یک توالی را با PCR تکثیر کرد. پرایمر به جفت بازهای مکمل خود روی DNA متصل می­‌شود.

انتخابی بودن PCR این امکان را فراهم می­‌کند که توالی­‌های دلخواهی از یک ژنوم کامل یا حتی مخلوط بسیار بزرگ­تری از DNA را بتوان تکثیر کرد. یکی از روش‌­های بررسی برای تشخیص دست‌کاری ژنتیکی در غذاها، استفاده از پرایمری است که به DNA اصلاح شده، متصل می­‌شود. اگر یک DNA ی اصلاح شده در نمونه وجود داشته باشد، بوسیله PCR تکثیر می­‌شود و می­‌توان آن را بررسی کرد. ولی اگر چنین DNAای وجود نداشته باشد، استفاده از PCR تأثیری نخواهد داشت.مهاهن

پروفایل DNA

پروفایل DNA شامل DNAهای مقایسه­‌ای است.

تهیه پروفایلDNA شامل مراحل زیر است:

  • دریافت مستقیم نمونه DNA از فرد یا از منابعی دیگر مانند فسیل یا صحنه جرم.
  • بخش­‌هایی از توالی­DNA که بین افراد بسیار پلی­‌مورف هستند انتخاب شده و با استفاده از PCR تکثیر می­‌شوند.
  • نسخه­‌های DNA تکثیر شده با استفاده از آنزیم‌­های اندونکلئازی محدود کننده به قطعات کوچک­تری تقسیم می­‌شوند.
  • قطعات DNA با استفاده از ژل الکتروفورز از یکدیگر جدا می‌­شوند.
  • این کار در اصل الگویی از نوارهای DNA روی ژل الکتروفورز ایجاد می­‌کند که همیشه با DNA استخراج شده از یک منبع مشخص (مانند DNA یک فرد مشخص) یکسان خواهد بود. این الگو در حقیقت پروفایل DNA آن فرد است.
  • می­‌توان پروفایل­ افراد مختلف را با یکدیگر مقایسه کرد تا مشخص شود کدام نوارها با یکدیگر مشابه و کدام نوارها از یکدیگر متفاوت هستند.ممه

بررسی اصل و نسب و مطالعات پزشکی قانونی

از پروفایل DNAدر مطالعات پزشکی قانونی و همچنین برای تعیین اصل و نسب استفاده می‌­شود.

از پروفایل DNA در تحقیقات پزشکی قانونی استفاده می‌­شود. برای مثال:

  • آیا لکه­‌های خون روی لباس مظنون، متعلق به قربانی است؟
  • لکه­‌های خون در محل جرم متعلق به چه کسی است؟ مظنون یا قربانی؟
  • تار موی کشف شده در محل جرم متعلق به مظنون است؟
  • مایع جنسی کشف شده از یک جنایت جنسی مربوط به مظنون است؟

در هر کدام از این مثال­‌ها، پروفایل DNA استخراج شده از ترکیبات عنوان شده موجود در صحنه جرم با پروفایل DNA مظنون یا قربانی مقایسه می­‌شود. اگر الگوی نواری این دو پروفایل با هم مطابقت داشته باشد، به احتمال بسیار زیاد هر دو مربوط به یک نفر هستند. این مساله شواهد بسیار قدرتمندی را در اثبات گناهکار بودن یا بی­گناه بودن متهم فراهم می­‌کند. برخی از کشورها امروزه پایگاه داده‌­ای از پروفایل­‌های DNA دارند که  در حل پرونده‌­های جنایی بسیار مؤثر است.

علاوه بر تحقیقات و مطالعات پزشکی قانونی از پروفایل DNA برای تعیین اصل و نسب نیز استفاده می­‌شود. در حقیقت از این راه می­‌توان پدر یک کودک را تعیین کرد. امروزه دلایل متعددی برای انجام این نوع تحقیقات وجود دارد.

  • گاهی تعدادی از مردان ادعا می­‌کنند که پدر کودک نیستند تا از پرداخت خرج و مخارج کودک به مادر وی سر باز بزنند.
  • زنانی که با افراد متعددی در ارتباط بوده‌­اند، ممکن است بخواهند هویت پدر حقیقی فرزندشان را بدانند.
  • ممکن است فردی بخواهد ثابت کند که مرد متوفی پدر او بوده است تا نشان دهد وارث او است.

برای موارد بالا به پروفایل DNA  مادر، فرزند و مرد احتیاج است. پروفایل DNA هرکدام از این افراد تهیه و الگوی نواری آن­‌ها با یکدیگر مقایسه می­‌شود. اگر هیچ نوار مشابهی در پروفایل مرد، با فرزند وجود نداشته باشد، در نتیجه پدر کودک فرد دیگری است.

آنالیز پروفایل­‌های DNA

بررسی مثال­‌هایی از پروفایل‌­های DNA.

آنالیز پروفایل‌­های DNA در تحقیقات پزشکی قانونی بسیار آسان است: اگر الگوی نواری پروفایل­‌های DNA استخراج شده، بسیار به هم شبیه باشند؛ در نتیجه به احتمال زیاد هر دو نمونه مربوط به یک نفر است. آنالیز پروفایل‌­های DNA در مطالعات تعیین اصل و نسب، بسیار پیچیده‌­تر است. هر کدام از نوارها در پروفایل DNA کودک باید با یکی از نوارها در پروفایل DNA مادر یا پدرش مطابقت داشته باشد. همه نوارها در پروفایل کودک باید بررسی شود تا از وجود آن در پروفایل مادر و یا مردی که ادعا می­‌شود پدرش است، اطمینان حاصل شود. اگر یکی از نوارها (یا بیشتر) در هیچ کدام از دو پروفایل مادری یا پدری وجود نداشته باشد، در نتیجه مشخص می­‌شود که مرد دیگری پدر حقیقی کودک است.کهک

اصلاح ژنتیکی

اصلاح ژنتیکی با انتقال ژن بین گونه­­‌ها رخ می­‌دهد.

زیست‌­شناسان مولکولی روش‌­هایی برای انتقال ژن­‌ها از یک گونه به گونه دیگر ایجاد کرده­‌اند. انتقال ژن­ها از یک گونه به گونه دیگر را دستکاری ژنتیکی(اصلاح ژنتیکی) می‌­نامند. از آنجایی که کدهای ژنتیکی، عمومی هستند؛ زمانی­ که ژن­‌ها بین گونه­‌ها جابه­‌جا می­‌شوند، توالی آمینواسیدی ترجمه شده از روی آن‌­ها بدون تغییر باقی می­‌ماند و پلی­‌پپتید مشابه‌­ای تولید می­شود.

تا به امروز تعداد زیادی ژن­ از یوکاریوت­‌ها به باکتری­‌ها منتقل شده­‌اند. یکی از اولین مثال­‌ها در این زمینه، انتقال ژن تولید کننده انسولین انسانی از انسان به باکتری بود. هدف از این کار تولید مقدار زیادی انسولین برای استفاده درمانی در دیابت بود.

دستکاری ژنتیکی برای ایجاد مشخصه‌­ای جدید در جانوران نیز به کار گرفته شده است. برای مثال، با استفاده از این روش بزهایی تولید شده­‌اند که در شیر آن­‌ها پروتئین­‌های تارعنکبوت وجود دارد. تار عنکبوت بسیار قدرتمند است ولی نمی­‌توان از عنکبوت برای تولید تجاری آن­‌ها استفاده کرد.

همچنین از دستکاری ژنتیکی برای تولید واریته­‌های جدیدی از گیاهان زراعی استفاده می‌­شود. به این گیاهان، گیاهان زراعی دستکاری شده ژنتیکی[1](GM) گفته می‌­شود. برای مثال ژن­‌های استخراج شده از گل میمونی را به گیاهان گوجه منتقل کرده‌­اند تا به جای میوه قرمز رنگ، میوه بنفش رنگ تولید شود. تولید برنجی با رنگ طلایی شامل انتقال سه ژن بود؛ دو ژن از گیاهان گل نرگس و یک ژن از باکتری. در نتیجه در غلات برنج، رنگدانه زرد بتا-کاروتن تولید شد.ععخ

تکنیک­‌های انتقال ژن به باکتری

ماه
شکل شماره 7. مراحل انتقال ژن را نشان می‌دهد. از این فرآیند برای ساخت باکتری‌های دستکاری ژنتیکی شده که توان تولید انسولین انسانی را دارند، استفاده می‌شود. بیماران دیابتی از این انسولین استفاده می‌کنند.

انتقال ژن به باکتری­‌ها توسط پلاسمید و استفاده از اندونوکلئازهای محدود کننده و DNA لیگاز.

ژن­‌ها را می­‌توان با استفاده از تکنیک­‌های مختلف از گونه­‌ای به گونه دیگر منتقل کرد. به مجموعه تکنیک­‌های انتقال ژن، مهندسی ژنتیک گفته می­‌شود. انتقال ژن به باکتری معمولاً با استفاده از پلاسمید، آنزیم­‌های محدودکننده و DNA لیگاز انجام می­‌شود.

  • پلاسمید یک DNA حلقوی کوچک مجزا از کروموزوم اصلی سلول است. کوچکترین پلاسمیدها طولی حدود هزار جفت باز (1kbs) دارند ولی می‌­توانند تا بیش از 1000kbp هم طول داشته باشند. پلاسمیدها معمولاً در باکتری­‌ها مشاهده می­‌شوند. فراوان­ترین پلاسمیدها، آن­‌هایی هستند که ژن­‌های تحریک کننده تقسیم پلاسمید در سیتوپلاسم و انتقال از یک باکتری به باکتری دیگر را روی خود دارند. پلاسمید­ها از جهاتی شبیه ویروس­‌ها هستند ولی باید توجه داشت که بیماری­زا نیستند. انتخاب طبیعی باعث ماندگاری پلاسمید­هایی می‌شود که مزیتی برای باکتری داشته باشند. باکتری از پلاسمید برای مبادله ژن­ استفاده می­‌کند؛ در نتیجه به طور طبیعی آن­‌ها را جذب و با کروموزوم اصلی ادغام می­‌کند. پلاسمیدها در مهندسی ژنتیک بسیار کاربردی هستند.
  • آنزیم­‌های محدود کننده یا نوکلئازها، آنزیم­‌هایی هستند که مولکول­‌های DNA را در بخش خاص از توالی DNA برش می­‌دهند. از این آنزیم­‌ها برای باز کردن پلاسمیدها و جدا کردن ژن­‌های دلخواه از مولکول­‌های DNA بزرگتر، استفاده می­‌شود. برخی از آنزیم­‌های محدود کننده مزیتی دارند که قادر هستند دو رشته DNA را در نقاطی متفاوت برش دهند. این کار موجب می­‌شود قسمت­‌هایی تک رشته­ با نام انتهای چسبنده تولید شود. انتهاهای چسبنده ایجاد شده بوسیله هر آنزیم خاص، توالی بازی مکمل خاصی هم دارند؛ در نتیجه از این قابلیت برای اتصال قطعات مختلف DNA به هم بوسیله پیوند هیدروژنی میان بازها، استفاده می­‌شود.
  • DNA لیگاز آنزیمی است که قطعات مولکول­‌های DNA را با برقراری پیوندهای قند-فسفات بین نوکلئوتیدها به هم متصل می­‌کند. زمانی که با استفاده از انتهاهای چسبنده، قطعه ژنی دلخواه به پلاسمید اضافه شد؛ همچنان بریدگی­‌هایی در هر کدام از قند‌ فسفات­‌های اسکلت DNA وجود دارد و DNA لیگاز می­تواند این بریدگی­‌ها را پر کند.
فعالیت

دانشمندان باید جنبه­‌های اخلاقی را در مطالعات خود مدنظر داشته باشند. مباحث اخلاقی پیرامون توسعه برنج طلایی را به بحث بگذارید. بتا-کاروتن پیش­‌ساز ویتامین A است. توسعه برنج طلایی به عنوان راهی برای مقابله با کمبود ویتامین A که عامل بسیار مهمی در نابینایی کودکان در سراسر جهان است، مطرح شده است.

 

یکی از الزامات ضروری در انتقال ژن، وجود یک نسخه از ژن مورد نظر است. معمولاً استفاده از رونوشت RNA پیامرسان(mRNA) به جای ژن اصلی، آسان تر است. آنزیم رونوشت بردار معکوس، آنزیمی است که از روی مولکول­‌های RNA، DNA می­‌سازد. به این DNA ها cDNA گفته می­‌شود. از آنزیم رونوشت بردار معکوس برای تولید DNA مورد نیاز برای انتقال ژن از روی RNA پیام­رسان استفاده می­‌شود.

ارزیابی مخاطرات اصلاح ژنتیکی

بررسی خطرات تحقیقات علمی: دانشمندان در تلاش هستند تا خطرات اصلاح ژنتیکی گیاهان زراعی و دام­‌ها را بررسی کنند.

امروزه نگرانی­‌های بسیاری درباره خطرات احتمالی دستکاری ژنتیکی مطرح است. ردپای این نگرانی­‌ها را می‌­توان در سال 1970 و در اولین آزمایش‌­های انتقال ژن بین گونه­‌ای مشاهده کرد. پاول برگ[2] آزمایشی را طراحی کرد که طی آن ویروس SV40 میمون را وارد باکتری اِکلای کردند. برخی از زیست‌­شناسان نگرانی خود از این آزمایش را اعلام کردند؛ زیرا نقش SV40 در ایجاد سرطان در موش­‌ها اثبات شده بود و همچین باکتری ِاکلای نیز به طور طبیعی در روده­ انسان زندگی می­‌کند، در نتیجه خطر ایجاد سرطان در انسان­‌ها از طریق یک باکتری تراریخته وجود داشت.

از همان زمان، بسیاری از مخاطرات مرتبط با دستکاری ژنتیکی شناسایی شدند. همچنین بحث­‌های بسیار تندی در میان دانشمندان و همین طور بین دانشمندان و سایر افراد، پیرامون ملاحظات امنیتی تحقیق و توسعه استفاده از ارگانیسم­‌های تغییر ژنتیکی یافته وجود دارد. این بحث‌ها در نهایت منجر به اعمال محدودیت‌­هایی در برخی از کشورها شد که استفاده از کاربردهای مفید گیاهان زراعی و دام­‌های GM را متوقف ساخت.

تقریباً انجام هر فعالیتی چه در علم و چه در سایر جنبه­‌های زندگی، خطراتی به همراه دارد و امکان حذف این خطرات به طور کامل وجود ندارد. طبیعی­ است که انسان خطرات یک کار را ارزیابی کند و تصمیم بگیرد که به سمت آن برود یا نرود. بنابراین دانشمندان حتماً باید پیش از آن که تحقیقی را شروع کنند، مخاطرات آن را ارزیابی کنند. میزان خطر را می‌­توان از دو طریق ارزیابی کرد:

  • احتمال وقوع تصادف و سایر نتایج آسیب زننده چقدر است؟
  • این نتایج تا چه حد می‌­توانند آسیب رسان باشند؟

اگر یک تحقیق و مطالعه خطرات احتمالی بسیاری به همراه داشته باشد، به هیچ وجه نباید انجام شود.

 

خطرات و مزایای گیاهان زراعی GM

ارزیابی ریسک­های بالقوه و مزایای گیاهان زراعی تغییریافته ژنتیکی.

گیاهان زراعی GM مزایای بالقوه زیادی دارند. این مزایا توسط شرکت­‌های تولید کننده دانه­‌های GM به شکل گسترده‌­ای تبلیغ شده‌­اند. البته این مزایا از سمت مخالفین این تکنولوژی به چالش کشیده شده ­است. حتی مزایایی مانند افزایش محصول در گیاهان GM و کاهش مصرف آفت­کش­‌ها و علف­‌کش‌­ها نیز محل مناقشه قرار گرفته است. دیدن این مخالفت­‌ها چندان غیرمنتظره نیست، زیرا انتقال ژن به گیاهان زراعی فرآیند نسبتاً جدیدی است و مشکلات مرتبط با آن بسیار پیچیده هستند و معمولاً دهه­‌ها طول می­‌کشد تا علم بتواند این مشکلات را به کلی حل کند.

مزایای بالقوه دستکاری ژنتیکی گیاهان زراعی را می­‌توان در گروه­‌های مزایای مرتبط با سلامتی، مزایای محیط زیستی و مزایای کشاورزی دسته‌بندی کرد. در این­جا مزایای اقتصادی گیاهان زراعی GM آورده نشده است زیرا نمی­‌توان آن­‌ها را بوسیله شواهد آزمایشگاهی ارزیابی کرد. با توجه به فرصتی که دانش‌­آموزان IB در اختیار دارند، تقریباً بعید است که بتوانند تمام مزایای ادعا شده برای گیاهان زراعی GM را ارزیابی کنند.

به جای این، بهتر است یک مزیت ادعا شده در لیست زیر را انتخاب و آن را برای یک گیاه زراعی به خصوص ارزیابی کنند. بسیاری از شواهد و اطلاعات مرتبط با مزایا و خطرات بالقوه گیاهان زراعی GM به طور رایگان در دسترس هستند.حگ

عهعه

بررسی ادعاهای دانشمندان در خصوص مزایای زیست محیطی گیاهان زراعی GM :

  • می­‌توان بعضی واریته‌­های مقاوم به آفت را در گیاهان زراعی با انتقال یک ژن تولید کننده سم به آن‌­ها ایجاد کرد. در نتیجه برای مقابله با آفات، حشره­کش­‌های کمتری استفاده می­‌شود که این مساله به حفظ زنبورها و سایر حشرات مفید کمک می­‌کند.
  • استفاده از برخی واریته‌­های GM گیاهان زراعی، نیاز به خیش زدن و سمپاشی را کاهش می­‌دهد؛ در نتیجه سوخت کمتری برای ماشین آلات کشاورزی مصرف می­‌شود.
  • ماندگاری میوه­‌ها و سبزیجات می‌­تواند افزایش پیدا کند. این امر به کاهش تجمع و تولید ضایعات در منطقه­‌ای که گیاهان زراعی رشد داده می‌­شوند، کمک می­‌کند.

بررسی ادعاهای دانشمندان در خصوص مزایای مرتبط با سلامتی در گیاهان زراعی GM :

  • افزایش ارزش غذایی گیاهان زراعی برای مثال با افزایش محتوای ویتامین­ آن­‌ها.
  • کاهش و فقدان هرگونه ماده حساسیت زا و سمی بطور طبیعی در برخی واریته­‌هایی گیاهان زراعی
  • تولید واکسن­‌های خوراکی مهندسی ژنتیک شده و واکسیناسیون افراد از طریق مصرف خوراکی برخی گیاهان GM

بررسی ادعاهای دانشمندان در خصوص مزایای مرتبط با پارامترهای کشاورزی در گیاهان زراعی GM :گخنم

  • افزایش مقاومت در برابر خشکسالی، سرما و شوری با انتقال ژن در برخی واریته­‌های GM. این مساله دامنه گیاهانی که در یک منطقه می‌­توان کشت داد و همچنین میزان کلی تولید محصول را افزایش می‌­دهد.
  • ایجاد مقاومت به علف‌کش‌­ها با استفاده از اتقال یک ژن مسئول مقاومت به علف­‌کش­‌ها  به گیاهان زراعی تا سایر گیاهانی که این ژن را ندارند در زمان پاشیدن علف­‌کش در محیط از بین بروند و فقط گیاهان زراعی مدنظر ما زنده بمانند. هرچه رقابت میان گیاه زراعی و علف­‌های هرز کمتر باشد، محصول نهایی بیشتر خواهد بود. علف­‌کش­‌هایی که می­‌توانند تمامی گیاهان را از بین ببرند، برای ساخت شرایطی بدون علف هرز طی کشت گیاهان غیر GM استفاده می­‌شوند. البته باید توجه داشت زمانی که گیاه رشد کرد دیگر نمی­‌توان از این علف­‌کش‌­ها استفاده کرد.
  • ایجاد مقاومت به بیماری­‌های ویروسی که در ادامه باعث فزایش چشمگیری در میزان تولید محصول می گرددبا توجه به این که تنها راه مقابله با این نوع بیماری­‌ها از بین بردن حشرات ناقل این ویروس‌ها به کمک مواد حشره کش است لذا با تغییر ژنتیکی می‌توان میزان انتقال وکتورهای ویروسی به گیاه را کاهش داد.

نگرانی­‌های گسترده‌­ای در خصوص گیاهان زراعی GM وجود دارد. برخی از این نگرانی­‌ها، مانند اثرگذاری روی درآمد کشاورزان را نمی­‌توان با شیوه­‌های آزمایشگاهی بررسی کرد و صحبتی از آن­‌ها در این کتاب نخواهیم کرد.  مابقی نگرانی­‌ها را می­‌توان در گروه‌­های خطرات مرتبط با سلامتی، خطرات زیست محیطی و خطرات کشاورزی تقسیم بندی کرد. برای انجام یک قضاوت کلی درباره امنیت گیاهان زراعی GM باید تک تک این مخاطرات با استفاده از شواهد آزمایشگاهی در دسترس، به دقت ارزیابی شوند. نمی­‌توان تمامی مخاطرات را با هم و در مورد یک گیاه زراعی GM بررسی کرد، بلکه باید مورد به مورد آن­‌ها را با انجام آزمایشات ارزیابی کرد.

در حال حاضر هیچ اتفاق نظری میان دانشمندان این حوزه و افراد و غیر دانشمند در خصوص گیاهان GM وجود ندارد؛ در نتیجه برای ما مهم است که تا جایی که می‌­توانیم تمامی شواهد موافق و مخالف ادعاهای مطرح شده را بطور متقابل  بررسی کنیم. هر کدام از مخاطرات لیست شده در زیر می­‌تواند برای بررسی­‌های موشکافانه­‌تر مورد تحقیق قرار بگیرد.

ادعاهایی در خصوص مخاطرات مرتبط با سلامتی گیاهان زراعی GM :

  • پروتئین­‌های تولید شده طی رونویسی و ترجمه ژن­‌های منتقل شده، می­توانند برای انسان و دام­‌هایی که آن‌­ها را مصرف می­‌کنند سمی یا حساسیت­‌زا باشند.
  • ژن­‌های مقاوم به آنتی‌­بیوتیک که طی انتقال ژن به عنوان نشانگر مورد استفاده قرار می­‌گیرند، می‌­توانند به باکتری­‌های بیماری­زا نیز انتقال یابند.
  • ژن­‌های انتقال یافته می­‌توانند جهش پیدا کنند و مشکلات غیرمنتظره‌­ای را ایجاد کننده که تا پیش از این و در زمان توسعه گیاهان زراعی GM خطرشان ارزیابی نشده بود.

ادعاهایی در خصوص مخاطرات زیست محیطی گیاهان زراعی GM :

  • ارگانیسم­‌های غیر هدف می‌­توانند در معرض سمومی که به جهت کنترل آفت­‌های گیاهان زراعی GM استفاده می­‌شوند قرار بگیرند.
  • ژن­‌هایی که به منظور ایجاد مقاومت به علف­‌کش­‌ها به گیاهان منتقل می‌­شوند می­‌توانند به گیاهان وحشی هم برسند و آن‌­ها را به علف­‌های هرز غیر قابل کنترلی تبدیل کنند.
  • تنوع زیستی می‌­تواند در اثر کم شدن سهم جذب انرژی نور خورشید توسط گیاهان علفی، حشرات تغذیه کننده از گیاهان و جاندارانی که از این حشرات تغذیه می­‌کنند به واسطه رشد گیاهان زراعی GM به جای گیاهان زراعی معمولی، کاهش یابد.

ادعاهایی در خصوص مخاطرات مرتبط با کشاورزی گیاهان زراعی GM :

  • برخی از دانه­‌های یک گیاه معمولاً شکافته می­‌شوند و جوانه می‌­زنند و رشد می­‌کنند. گیاه رشد کرده در حقیقت ناخواسته است و باید کنترل شود. این کنترل روی گیاهان زراعی که ژن مقاومت به علف­‌کش را دارند بسیار سخت است.
  • استفاده گسترده از گیاهان زراعی GM حاوی ژن مقاومت به سموم کشنده آفات حشرات منجر به افزایش وگسترش مقاومت به سم در آفات می­‌شود. این مساله علاوه بر این که خود این مساله مشکل‌­زاست، منجر به پخش شدن آفات ثانویه هم می­‌شود که قبلاً بسیار کم بوده­‌اند ولی اکنون افزایش یافته و به سموم مقاومت نشان می­‌دهند.
  • کشاورزان بر اساس قانون، اجازه ندارند دانه­‌های گیاهان زراعی GMای را که کاشته‌­اند، ذخیره کنند و دوباره کشت دهند. در نتیجه نژادهایی که به شرایط محیطی سازگار شده‌­اند هیچ وقت تولید نمی­‌شوند.

 تحلیل مخاطرات پروانه­‌های مونارش تغذیه کننده از ذرت­‌های Bt

آنالیز داده­‌های مرتبط با مخاطرات پروانه­‌های مونارش تغذیه کننده از گیاهان زراعی برند Bt.

حشراتی را که آفت گیاهان زراعی هستند می­‌توان بوسیله پاشیدن حشره­‌کش‌­ها روی گیاهان کنترل کرد. اخیراً واریته­‌هایی با مهندسی ژنتیک تولید شده‌­اند که به طور مستقیم سم کشنده حشرات را تولید می­‌کنند. ژن کد کننده سم Bt از باکتری باسیلوس تورنجینسیس[1]به یک گیاه زراعی منتقل شد. این سم نوعی پروتئین است. سم Bt حشراتی مانند پروانه­‌ها، مگس­‌ها، بیدها، سوسک­‌ها و مورچه­‌ها را از بین می­‌برد. واریته­‌هایی از ذرت به وسیله مهندسی ژنتیک ساخته شد که در تمام بخش‌­هایشان، حتی در گرده گل نیز این سم تولید می­‌شد.

واریته­‌های گیاهی دارای ژن Bt در بسیاری از گیاهان زراعی تولید شد. برای مثال ذرت یکی از این گیاهان بود. گیاه زراعی ذرت توسط حشرات بسیاری مانند ذرت خوار (لارو بید[2]) مورد حمله قرار می­‌گرفت. از همان ابتدا نگرانی­‌‌هایی در خصوص آسیب رساندن ذرت­‌های Bt به حشراتی که آفت نیستند مطرح شد. یکی از این حشرات پروانه مونارش است.

لارو پروانه مونارش از برگ‌­های یک گیاه استبرق با نام Asclepias curassavica تغذیه می­‌کند. این گیاه در نزدیکی محل رشد ذرت، رشد می­‌کند و همراه با باد که گرده‌­های ذرت را پخش می­‌کند، گرده افشانی می­‌کند. در نتیجه ممکن است لارو پروانه مونارش از طریق گرده­‌های ذرت Bt که حاوی سم Bt هستند، مسموم شود. میزان خطرناک بودن این مساله به شکل آزمایشگاهی بررسی شده است. داده­‌های حاصل از این آزمایش برای تحلیل بیشتر در دسترس هستند.

کلون­‌ها

به سلول‌های مشابه ژنتیکی که از یک سلول منفرد ایجاد شده‌اند، کلون گفته می‌شود.

زیگوت، سلولی است که با ترکیب شدن یک گامت نر و یک گامت ماده تولید می­‌شود و اولین سلول یک موجود زنده جدید است. از آنجایی که زیگوت­‌ها طی تولید مثل جنسی ایجاد می­‌شوند، از نظر ژنتیکی با هم متفاوت هستند. یک زیگوت رشد می­‌کند و در نهایت موجود زنده بالغی را ایجاد می­‌کند. اگر این موجود به صورت جنسی تولید مثل کند، تمامی زادگانش از نظر ژنتیکی با هم متفاوت خواهند بود.

در برخی از گونه­‌ها ارگانیسم می­‌تواند به صورت غیرجنسی تولید مثل کند. وقتی موجود بدین شکل تولید مثل کند، زادگانش از لحاظ ژنتیکی با خود والد همسان خواهند بود. تولید ارگانیسم­‌های همسان از نظر ژنتیکی را کلون کردن و گروهی از ارگانیسم­‌هایی که از نظر ژنتیکی همسان هستند را کلون می­‌نامند.

هر چند که معمولاً به آن­‌ها از این دیدگاه نظاره نمی شود! ولی یک جفت دو قلوی همسان را می‌­توانیم کوچکترین کلونی که می­‌تواند در طبیعت وجود داشته باشد بدانیم. شکل­‌گیری دو قلوهای همسان یا حاصل تقسیم زیگوت انسان به دو سلول است که هر کدام جداگانه تبدیل به یک رویان می­‌شوند؛ یا اینکه رویان به دو بخش تقسیم می‌­شود که هر بخش جداگانه تکوین پیدا می­کند و تبدیل به یک فرد مجزا می‌شود. دوقلوهای یکسان در تمامی خصوصیات با هم یکسان نیستند. برای مثال آن­‌ها اثر انگشت متفاوتی دارند. عبارت بهتر برای خطاب کردن دوقلوها، مونوزیگوتی است. انواع نادرتری مانند سه قلو، چهار قلو یا حتی پنج قلوهای یکسان نیز می­توانند ایجاد شوند.

گاهی یک کلون از تعداد بسیار زیادی از ارگانیسم­‌ها تشکیل می­‌شود. برای مثال واریته­‌هایی از سیب­زمینی که به صورت تجاری کشت می‌شوند در اصل کلون­‌های عظیمی هستند. کلون­‌های بزرگ در اثر کلون­‌های متعدد ایجاد می­‌شوند ولی با این وجود تمامی ارگانیسم­‌ها را می­‌توان تا سلول اولیه ردگیری کرد.

روش‌­های طبیعی کلون کردن

بسیاری از گونه­‌های گیاهی و برخی از گونه­‌های جانوری روش‌­هایی طبیعی برای کلون کردن دارند.

اگرچه امروزه از کلمه کلون برای هر گروه از جاندارانی که از لحاظ ژنتیکی به هم شبیه هستند استفاده می‌­شود ولی برای اولین بار در اواسط قرن 20 میلادی از این کلمه برای توصیف گیاهانی که به صورت غیرجنسی تولید مثل می­‌کنند استفاده شد. ریشه کلمه کلون به کلمه­‌ای یونانی به معنای شاخه برمی­‌گردد. بسیاری از گیاهان برای کلون کردن روش طبیعی دارند. روش‌­هایی که توسط گیاهان مورد استفاده قرار می­‌گیرد بسیار متنوع است و می­‌توانند در ساقه‌­ها، ریشه­‌ها، برگ­‌ها و حتی پیاز گل­‌ها اجرا شوند. دو مثال از این روش­‌ها در زیر آورده شده است:

  • یک حبه سیر زمانی که کاشته شود، از ذخیره غذایی‌­اش برای ساخت برگ استفاده می­‌کند. برگ­‌ها غذای کافی طی فتوسنتز برای رشد دادن گروهی از حبه­‌های سیر تولید می­‌کنند. تمام حبه­های سیر موجود در آن گروه از لحاظ ژنتیکی با هم همسان هستند در نتیجه آن­‌ها یک کلون هستند.
  • روش­‌های کلون کردن طبیعی در جانوران کمتر رایج است ولی گونه­‌هایی که توان این کار را داشته باشند، وجود دارد. در یک گیاه توت فرنگی، ساقه­‌های درازی به صورت افقی که در انتهای هر کدام گیاهچه­­‌هایی وجود دارد رشد می­‌کند. این گیاه­چه­‌ها در خاک ریشه می­‌دوانند و با استفاده از برگ­هایشان فتوسنتز می­‌کنند. در نتیجه می­‌توانند از گیاه مادر مستقل شوند. یک گیاه توت فرنگی سالم طی یک فصل رویشی، ده یا بیشتر گیاه همسان از نظر ژنتیکی بدین طریق تولید می­‌کند.
  • هیدر می­تواند خود را طی فرآیندی به نام جوانه زدن کلون کند.
فعالیت

چه تعداد کلون سیب­‌زمینی در این تصویر وجود دارد ؟حه

شته­‌های ماده می­‌توانند فرزندانی به دنیا بیاورند که کاملاً طی میتوز سلول تخم دیپلوئید ( نه میوز ) ایجاد شده باشند. در نتیجه زادگان، کلون‌هایی از مادرشان هستند.کن

خمک

بررسی عوامل تأثیرگذار در ریشه‌­دهی قلمه گیاهان

طراحی آزمایش برای ارزیابی فاکتور مؤثر در جوانه‌زنی قلمه گیاهان.

قلمه در حقیقت ساقه کوتاهی ا­ست که برای کلون کردن گیاهان به صورت مصنوعی استفاده می­‌شود. اگر ریشه از ساقه رشد کند، قلمه در نهایت تبدیل به گیاه مستقلی می­‌شود.

  • بسیاری از گیاهان را می­‌توان از روی قلمه، کلون کرد. به طور مشخص گیاه ریحان[1] به راحتی ریشه می­‌دهد.
  • گره‌­ها جایگاه­‌هایی روی ساقه هستند که برگ­‌ها از آنجا به ساقه متصل می­‌شوند. برای اکثر گونه­‌ها، ساقه را از زیر یک گره قطع می­‌کنند.
  • برگ­‌ها را از روی نیمه پایینی ساقه جدا می­‌کنند. اگر برگ بزرگی در نیمه بالایی ساقه وجود داشته باشد نیز می­‌توان آن را جدا کرد.
  • یک سوم پایینی قلمه درون کمپوست و یا آب قرار داده می­‌شود. کمپوست باید استریل و حاوی مقادیر قابل توجهی آب و هوا باشد.
  • با استفاده از یک کیسه پلاستیکی تمیز سوراخ دار می­‌توان از اتلاف آب اضافی قلمه درون کمپوست جلوگیری کرد.
  • ریشه زدن قلمه معمولاً چند هفته طول می­‌کشد. رشد برگ‌­های جدید نشان می­دهد که ریشه­‌ها رشد کرده‌­اند.

همه باغبانان در کلون کردن گیاهان با روش قلمه زدن موفق نیستند. برخی اوقات باغبانان موفق دلیل موفقیت خود را داشتن ” انگشتی سبز ” می­‌دانند. البته زیست‌­شناسان این مساله را رد می­‌کنند! در آزمایشات عوامل دخیل در موفقیت و عدم موفقیت قلمه­‌زنی بررسی می­‌شوند. شما خود می‌­توانید با طراحی و اجرای یک آزمایش، عواملی را که در زیر لیست شده‌­اند، ارزیابی کنید.

فاکتورهای احتمالی برای بررسی :

  • محل برش ساقه.
  • طول قلمه.
  • اینکه انتهای ساقه به اندازه بیش از کالوس در معرض هوا باشد.
  • تعداد برگ روی ساقه.
  • اثر استفاده از پودرهای هورمون رشد.
  • اینکه قلمه در آب و یا در خاک باشد .
  • نوع کمپوست استفاده شده.
  • دمای نگهداری قلمه.
  • اینکه کیسه پلاستیکی بر روی قلمه باشد.

کلون کردن رویان جانوری

جانوران با تقسیم رویان در مرحله جنینی به بیش از یک گروه سلولی، کلون می­‌شوند.نا

در مراحل اولیه تکوین، تمامی سلول­‌های یک رویان جانوری، پرتوان (قابلیت تبدیل به تمامی انواع بافت­‌ها) هستند. در نتیجه با تقسیم کردن رویان به چند بخش از نظر منطقی می­‌توان انتظار داشت که هر بخش به صورت مستقل تبدیل به یک فرد بالغ شود. به این فرایند شکافتن[1] و یا قطعه قطعه کردن می­‌گویند. مرجان­‌ها در مرحله رویانی می‌­توانند با تقسیم شدن به گروه­‌های کوچکتر(حتی گاهاً تبدیل شدن به یک تک سلول) خودشان را کلون کنند. با این کار احتمالاً شانس یک رویان برای زنده ماندن بیشتر می­شود.

ایجاد دوقلوهای همسان را می­‌توان نوعی کلون­سازی از طریق شکافتن در نظر گرفت اما به نظر می­‌رسد که اکثر جانوران توانایی انجام این کار را به صورت طبیعی نداشته باشند. با این وجود، ممکن است که با قطعه قطعه کردن رویان­‌های جانوری به صورت مصنوعی، بعضی از بخش‌های آن­ها به چندین رویان تبدیل شود.

در دام‌­ها می‌­توان یک تخمک را در آزمایشگاه[2] بارور کرد و اجازه داد تا زیگوت تشکیل شده تبدیل به یک جنین پر سلولی شود. سلول­‌ها را زمانی که همچنان پرتوان هستند باید از رویان جدا و آن­‌ها را به رحم مادران جانشین، وارد کنند. با استفاده از این روش فقط تعداد کمی از سلول­‌ها را می‌­توان استخراج کرد؛ زیرا پس از انجام تقسیمات متعدد، سلول­‌های رویانی دیگر پرتوان نخواهند بود. معمولاً روش شکافتن رویان در مرحله هشت سلولی[3] موفقیت آمیزتر است.

استفاده از روش کلون کردن مصنوعی در مرحله رویانی با استقبال کمی روبرو است؛ زیرا در این روش، تشخیص اینکه فرد حاصل از تولید مثل جنسی، ویژگی­‌های مطلوب را دارد یا خیر، بسیار سخت است.

کلون کردن(شبیه سازی) جانوران بالغ با سلول­‌های تمایز یافته

روش­‌های توسعه­‌یافته کلون کردن جانوران بالغ با استفاده از سلول­‌های تمایز یافته

کلون کردن رویان جانوران بسیار آسان است اما بسیار سخت است که بتوان تشخیص داد جنین تازه متولد شده، خصوصیت­‌های مورد انتظار را دارد یا خیر. زمانی رشد جنین کامل به فرد بالغی تبدیل شد، می­‌توان به آسانی ویژگی­‌هایش را تشخیص داد اما کلون کردن در این مرحله به مراتب سخت­تر می­‌شود. دلیل این اتفاق این است که سلول­‌های سازنده پیکر یک جانور بالغ، تمایز یافته هستند. برای تولید تمامی بافت­‌ها در پیکر یک جانور جدید، نیاز به سلول­‌های تمایز نیافته پرتوان[4] است.ن

جان گوردون[5]، زیست­‌شناسی بود که در دهه 50 میلادی به عنوان دانشجوی تحصیلات تکمیلی در دانشگاه آکسفورد، روی کلون کردن قورباغه زنوپوس[6] آزمایشاتی انجام می­‌داد. او هسته سلول­‌های پیکری بچه قورباغه­‌ها را جدا و آن­‌ها را وارد تخمک­‌های بدون هسته کرد. تخمک­‌هایی که هسته‌­ها را گرفته بودند، همانند یک سلول زیگوت شروع به تکوین کردند. برای ساختن تمامی بافت­ه‌ای قورباغه، این سلول­‌ها شروع به تقسیم، رشد و تمایز کردند. در سال 2012، گوردون به پاس پژوهش­‌های پیشگامانه­‌اش مفتخر به دریافت نوبل پزشکی شد.

کلون کردن با استفاده از سلول­‌های تمایز یافته در پستانداران به مراتب سخت­تر است. اولین پستاندار کلون شده، گوسفند دالی بود که در سال 1996 متولد شد. فارغ از کاربردهای این نوع از کلون کردن در تولید مثل، از این روش می­‌توان برای درمان بیماری­‌ها نیز استفاده کرد. اگر این فرآیند در انسان انجام شود، جنین حاوی سلول­‌های بنیادی پرتوانی خواهد بود که می­‌توان از آن­‌ها برای ساخت بافت در افراد بالغ استفاده کرد. چون سلول­‌ها از نظر ژنتیکی با سلول­‌هایی که هسته از آن­‌ها استخراج شده ­است، همسان هستند بنابراین در این روش­‌ها با مشکل رد پیوند مواجه نخواهیم بود.

کنا

روش­ استفاده‌­شده در تولید گوسفند دالی

تولید جنین­‌های کلون شده با انتقال هسته سلول سوماتیک.

تولید گوسفند دالی پیشرفتی بزرگ در کلون کردن جانوران بود. برای این کار از روشی به نام انتقال هسته سلول سوماتیک[1] استفاده شد. سلول سوماتیک، یک سلول طبیعی پیکری با هسته­‌ای دیپلوئید است. این روش از مراحل زیر تشکیل شده است :

  • سلول­‌های بالغ از غده پستانی یک میش فین دورِست[2] استخراج شدند و در آزمایشگاه در محیط کشتی با غلظت پایین مواد مغذی، کشت داده شدند. کشت در چنین محیطی باعث غیرفعال شدن ژن­‌ها و در نتیجه از بین رفته الگوی تمایزی آن­‌ها می­‌شود.
  • تخمک‌­های غیربارور از تخمدان یک میش صورت سیاه اسکاتنلدی[3] استخراج شدند. هسته این سلول­‌ها برداشته شد. سپس یکی از سلول­‌های کشت شده از میش فین دورست را در مجاورت یکی از سلول­‌های تخمک، درون ناحیه پلاسودای[4] اطراف تخمک (پوشش ژل مانند محافظ تخمک)، قرار دادند. با استفاده از شوک الکتریکی، دو سلول با هم ادغام شدند. حدود 10 درصد از سلول­‌های ترکیب شده به شکل یک زیگوت شروع به تقسیم کردند و به رویان تبدیل شدند.
  • سپس زمانی که رویان­‌ها حدود هفت روز سن داشتند، درون رحم یک میش دیگر (به عنوان مادر جانشین) تزریق شدند. این کار با همان روش انجام IVF صورت گرفت. فقط یکی از 29 رویان به صورت موفقیت آمیز در دیواره رحم جای­گیر شد و طی یک حاملگی طبیعی رشد کرد. این رویان همان گوسفند دالی است.

کهنا

[1] somatic-cell nuclear transfer

[2] Finn Dorset ewe

[3] Scottish Blackface ewe

[4] pellucida

 

[1] splitting

[2] in vitro

[3] eight-cell stage

[4] undifferentiated pluripotent cells

[5] John Gurdon

[6] Xenopus

[1] Ocimum basilicum

 

[1] Bacillus thuringiensis

[2] Ostirinia nubilalis

[1] genetically modified crops

[2] Paul Berg

[1] genetically modified crops

 

[1] The polymerase chain reaction

[1] Genetic modification

[2] cloning

[3] monarch butterflies

اشتراک گذاری:

دیدگاهتان را بنویسید