مرحباً [BLOCK_TYPE SECTION/STEP]
كل كائن حي على الأرض: كل بكتيريا، كل شجرة بلوط، كل حوت أزرق، وكل إنسان: يعمل وفقاً لنفس دليل التعليمات الجزيئي. [BLOCK_TYPE SECTION/STEP]
دليل التعليمات هذا هو DNA، اختصاراً لـ deoxyribonucleic acid. [BLOCK_TYPE SECTION/STEP]
يوجد الـ DNA في كل خلية تقريباً من جسمك. يخبر خلاياك بكيفية بناء البروتينات، التي تقوم بمعظم أعمال الحفاظ على حياتك. لقد حدد لون عينيك قبل أن تُولد. وهو السبب في أن القطة قطة وليست صباراً. [BLOCK_TYPE SECTION/STEP]
في هذا الدرس، سنقوم بتفكيك الـ DNA قطعة قطعة. بحلول النهاية، ستفهم كيف يمكن لجزيء مكون من أربعة أحرف كيميائية فقط أن يشفر تعليمات كل أشكال الحياة.
Warm-Up
قبل أن نبدأ، دعنا نبدأ بسؤال.
الحلزون المزدوج
شكل الحمض النووي
يبدو الحمض النووي كسلم ملتوي: وهو شكل يُطلق عليه العلماء اللولب المزدوج.
يُطلق على الجانبين الطويلين من السلم اسم العمود الفقري للسكر والفوسفات. ويأتيان من جزيئات السكر المتناوبة (ديوكسي ريبوز) ومجموعات الفوسفات، وهما يمسكان بالبنية بأكملها.
أما درجات السلم فهي الجزء المهم. كل درجة تأتي من قاعدتين قواعد تترابطان مع بعضهما. وهناك أربع قواعد:
- A (أدينين)
- T (ثايمين)
- C (سيتوزين)
- G (غوانين)
إليك القاعدة الحاسمة: A دائمًا يرتبط مع T، و C دائمًا يرتبط مع G. دائمًا. في كل الأنواع. تُسمى هذه أزواج القواعد، وتُسمى القاعدة الواحدة مع سكرها وفوسفاتها نيوكليوتيد.
قد يقرأ جزء من الحمض النووي البشري: ATCGGCTAA. إذا عرفت أحد الجانبين، فأنت تعرف الجانب الآخر تلقائيًا: لأن A يرتبط مع T، و C يرتبط مع G.
من اكتشفه؟
السباق لاكتشاف بنية الحمض النووي
في عام 1953، نشر جيمس واتسون وفرانسيس كريك بنية الحمض النووي. وحصلا على جائزة نوبل لذلك في عام 1962.
لكنهما لم يتمكنا من ذلك لولا روزاليند فرانكلين.
كانت فرانكلين كيميائية عبقرية في كلية كينغز بلندن. استخدمت بلورات الأشعة السينية: إطلاق الأشعة السينية على بلورات الحمض النووي وقراءة الأنماط التي أحدثتها: لإنتاج الصورة 51، أوضح صورة لبنية الحمض النووي رآها أحد على الإطلاق.
أظهر زميلها موريس ويلكنز الصورة 51 لواتسون دون علم فرانكلين أو إذنها. كتب واتسون لاحقًا أنه في اللحظة التي رآها فيها، أصبحت بنية اللولب المزدوج واضحة. [BLOCK_TYPE SECTION/STEP]
لم تتلقَ فرانكلين جائزة نوبل أبدًا. توفيت بسبب سرطان المبيض عام 1958 عن عمر 37 عامًا: ربما بسبب عملها المكثف بالأشعة السينية: ولا تُمنح جوائز نوبل بعد الوفاة. بالكاد اعترف واتسون وكريك بمساهمتها في ذلك الوقت. [BLOCK_TYPE SECTION/STEP]
اليوم، يعترف العلماء بأن العمل التجريبي لفرانكلين كان أساسيًا. حُرمت من الاعتراف خلال حياتها، وقصتها تذكرة بأن العلم يقوم به أشخاص: وأن الناس ليسوا دائمًا منصفين. [BLOCK_TYPE SECTION/STEP]
كيف ينسخ الحمض النووي نفسه [BLOCK_TYPE SECTION/STEP]
نسخ الشيفرة
[BLOCK_TYPE SECTION/STEP]
[BLOCK_TYPE SECTION/STEP]
في كل مرة تنقسم فيها الخلية: لشفاء جرح، أو للنمو، أو لاستبدال الخلايا التالفة: يجب أن تصنع نسخة طبق الأصل من كل حمضها النووي. تُسمى هذه العملية التضاعف. [BLOCK_TYPE SECTION/STEP]
إليك كيفية عملها: [BLOCK_TYPE SECTION/STEP]
1. إنزيم يُسمى الهيليكاز يفك اللولب المزدوج عن طريق كسر الروابط الهيدروجينية بين أزواج القواعد. إنه يشق السلم من المنتصف حرفياً.
2. إنزيم آخر يُسمى بوليميراز الدنا يقرأ كل شريط مكشوف ويبني شريطًا جديدًا مطابقًا له، متبعًا قواعد الاقتران القاعدي (A مع T، C مع G).
3. النتيجة: نسختان متطابقتان من جزيء الدنا الأصلي. كل نسخة تحتوي على شريط قديم وشريط جديد.
يقوم جسمك بذلك حوالي 3.8 مليون مرة في الثانية. ويتم ذلك بشكل صحيح في معظم الأحيان: يرتكب بوليميراز الدنا خطأً واحدًا تقريبًا لكل مليار قاعدة يتم نسخها. وعندما يحدث خطأ، تقوم إنزيمات أخرى عادةً بالتقاطه وإصلاحه.
لكن ليس دائمًا. عندما يتسلل خطأ، يصبح طفرة. سنتحدث عن سبب أهمية ذلك قريبًا.
النسخ والترجمة
كيف يبني الحمض النووي الأشياء
لا يبني الحمض النووي جسمك مباشرة. بل يعمل من خلال وسيط يُسمى RNA (حمض الريبونوكلييك).
تتكون العملية من خطوتين رئيسيتين:
الخطوة 1: النسخ (DNA → mRNA)
يتم نسخ جزء من الحمض النووي (الـ جين) إلى جزيء يُسمى الرنا الرسول (mRNA). تخيّل الأمر كصنع نسخة ضوئية من صفحة واحدة من دليل تعليمات ضخم. يبقى الأصل آمناً في النواة؛ بينما تنتقل النسخة إلى أرضية المصنع.
الخطوة 2: الترجمة (mRNA → بروتين)
الريبوسومات: آلات بناء البروتين في الخلية: تقرأ الـ mRNA ثلاثة أحرف في كل مرة. تُسمى كل مجموعة من ثلاثة أحرف كودون. يحدد كل كودون حمض أميني واحد. عند ربط الأحماض الأمينية معاً تحصل على بروتين.
على سبيل المثال، يشفّر الكودون AUG الحمض الأميني الميثيونين ويُشير أيضاً إلى "ابدأ البناء هنا". أما الكودون UAA فيُشير إلى "توقف".
قد يشفر جين واحد بروتينًا يتكون من مئات الأحماض الأمينية. قد يصبح هذا البروتين إنزيمًا يهضم طعامك، أو جزيء هيموغلوبين يحمل الأكسجين في دمك، أو ألياف كيراتين تشكل شعرك.
جين واحد → mRNA واحد → بروتين واحد → وظيفة واحدة في جسمك. (هذا تبسيط: الواقع أكثر تعقيدًا: لكنه يلتقط المنطق الأساسي.)
عندما تتحور الجينات
ماذا يحدث عندما يتغير الرمز؟
الطفرة هي أي تغيير في تسلسل الدنا. قد تكون قاعدة واحدة استُبدلت بأخرى، أو قاعدة محذوفة، أو قواعد إضافية مدرجة.
بعض الطفرات لا تفعل شيئًا: فالكودون لا يزال يشفر نفس الحمض الأميني (هناك تكرار مدمج في الشيفرة الوراثية). وتُسمى هذه الطفرات الصامتة.
بعض الطفرات تغير حمضًا أمينيًا واحدًا لكن البروتين لا يزال يعمل. وبعضها يغير حمضًا أمينيًا حرجًا فيتكسر البروتين.
وبعض الطفرات: نادرًا جدًا: تنتج بروتينًا يعمل بشكل أفضل من الأصلي.
لماذا نختلف جميعاً
مصدر التباين
إذا كان الحمض النووي ينسخ نفسه بدقة عالية، فلماذا لا نكون جميعًا متطابقين؟
ثلاثة مصادر رئيسية للتباين الوراثي:
1. الطفرات: أخطاء النسخ العشوائية، أو التعرض للأشعة فوق البنفسجية، أو المواد الكيميائية يمكن أن تغير القواعد في الحمض النووي. معظم الطفرات محايدة. وبعضها ضار. وقليل منها مفيد.
2. التكاثر الجنسي: عندما تتكاثر الكائنات الحية جنسيًا، يساهم كل والد بنصف حمضه النووي. والتركيبة المحددة تكون عشوائية. تشترك مع كل والد بنسبة 50% من حمضك النووي، لكن أي 50% حصلت عليها كانت بمثابة يانصيب وراثي. ولهذا يتشابه الأشقاء ولكنهم لا يكونون متطابقين.
3. إعادة التركيب: أثناء تكوين خلايا البويضة والحيوان المنوي، تقوم الكروموسومات بتبادل أجزاء مع بعضها البعض. هذا يخلط تركيبات الجينات بطرق لم تكن موجودة لدى أي من الوالدين.
لماذا يهم التباين
التباين الوراثي ليس عيبًا: إنه استراتيجية للبقاء. فالجماعة التي يكون فيها كل فرد متطابقًا وراثيًا تكون عرضة للخطر. يمكن لمرض واحد أن يقضي على المجموعة بأكملها لأن أحدًا لا يملك مقاومة.
لكن في جماعة متنوعة وراثيًا، سيكون لدى بعض الأفراد طفرات تجعلهم مقاومين بالصدفة. ينجون ويتكاثرون وينقلون تلك المقاومة. هذا هو الانتخاب الطبيعي: محرك التطور.
كل تكيف يمكنك التفكير فيه: سرعة الفهد، تخزين الصبار للماء، دماغ الإنسان: بدأ كطفرة عشوائية أثبتت فائدتها.
CRISPR وتحرير الجينات [BLOCK_TYPE SECTION/STEP]
إعادة كتابة شفرة الحياة
لمليارات السنين، حدثت التغييرات في الحمض النووي ببطء: من خلال الطفرات العشوائية والانتخاب الطبيعي.
تغير ذلك في عام 2012.
اكتشفت جينيفر دودنا وإيمانويل شاربنتييه أن نظام الدفاع البكتيري المسمى CRISPR-Cas9 يمكن إعادة برمجته لقطع الحمض النووي في أي موقع محدد بدقة. وحصلتا على جائزة نوبل في الكيمياء عام 2020.
يعمل كريسبر مثل مقص جزيئي مزود بنظام تحديد المواقع. تعطيه دليل RNA يتطابق مع تسلسل الحمض النووي الذي تريد تعديله، ويقوم بروتين Cas9 بقطع الحمض النووي في ذلك الموقع الدقيق. ثم تقوم آلية إصلاح الخلية الخاصة بإصلاح القطع: ويمكنك إدخال جين مصحح أثناء ذلك.
هذا ثوري. وقد استخدم العلماء كريسبر بالفعل في:
- علاج مرض الخلايا المنجلية في التجارب السريرية عن طريق تعديل الخلايا الجذعية للدم في المرضى
- إنشاء محاصيل مقاومة للأمراض دون الاعتماد على التهجين التقليدي
- تطوير علاجات محتملة لضمور العضلات، وبعض أنواع السرطان، وفيروس نقص المناعة البشرية
لكن تقنية كريسبر تثير أيضًا تساؤلات أخلاقية هائلة.
في عام 2018، أعلن عالم صيني يُدعى هي جيانكوي أنه استخدم تقنية كريسبر لتعديل الحمض النووي لأجنة بشرية: ولدت توأم من الفتيات بجينات معدلة. أدان المجتمع العلمي العالمي هذا الفعل ووصفه بالتهور وعدم النضج. وحُكم عليه بالسجن لمدة ثلاث سنوات.
المعضلة الأساسية: تعديل الحمض النووي للجنين يغير كل خلية في الشخص الناتج، وتنتقل هذه التغييرات إلى أطفاله، وأطفال أطفاله. نحن نتحدث عن تغيير دائم في الجينات البشرية.
الفحص الجيني يطرح أسئلة أخرى. اليوم يمكنك أن تبصق في أنبوب وتعرف أخطارك لمئات الأمراض. لكن هل ينبغي لأصحاب العمل أو شركات التأمين الوصول إلى هذه المعلومات؟ و<|eos|>
Should We Edit Human DNA?
Your Turn to Argue
There is no single right answer to these questions. But there are well-reasoned answers & poorly-reasoned answers.
يأخذ الحجة القوية في الاعتبار كلاً من الفوائد المحتملة والمخاطر، ويستخدم الأدلة، ويعترف بتعقيد القضية.
ماذا سيتذكر؟
فكرة أخيرة
لقد بدأت هذا الدرس بسؤال عن القطط.
والآن تعرف أن الإجابة تكمن في سلم ملتوٍ مكون من أربعة أحرف كيميائية: شيفرة أنيقة للغاية تدير كل كائن حي على هذا الكوكب، وقوية لدرجة أننا بدأنا للتو نتعلم كيفية إعادة كتابتها.
يتحرك علم الحمض النووي (DNA) بسرعة أكبر من أي وقت مضى في تاريخ البشرية. والطلاب الذين يتعلمون هذه المادة الآن سيكونون هم من يتخذون القرارات حول كيفية استخدامها.