مهندسی ژنتیک، دست‌کاری مصنوعی، اصلاح و ترکیب مجدد DNA یا سایر مولکول‌های اسید نوکلئیک به‌منظور اصلاح ارگانیسم یا جمعیتی از موجودات است.

تحولات تاریخی

در ابتدا اصطلاح مهندسی ژنتیک به تکنیک‌های مختلفی اطلاق می‌شد که برای اصلاح و یا دست‌کاری موجودات زنده از فرایندهای وراثت و تولیدمثل استفاده می‌شدند. بنابراین طبق این تعریف، این اصطلاح گستره‌ای از مفاهیم از انتخاب مصنوعی تا تمامی تکنیک‌های زیست پزشکی ازجمله لقاح مصنوعی، شبیه‌سازی و دست‌کاری ژن را شامل می‌شد. در اواخر قرن بیستم میلادی، این اصطلاح به‌طور خاص صرفاً به روش‌های فناوری ساخت DNA نوترکیب (یا کلونینگ ژن) اشاره دارد، که در آن مولکول‌های DNA از دو یا چند منبع یا در سلول و یا محیط آزمایشگاهی ترکیب می‌شوند و سپس وارد ارگانیسم‌های میزبان شده و در آنجا شروع به تکثیر می‌کنند.

امکان استفاده از فناوری DNA نوترکیب با کشف آنزیم‌های محدودکننده در سال 1968 توسط میکروب‌شناس سوئیسی ورنر آربر قابل‌اجرا شد. یک سال بعد همیلتون اسمیت، میکروبیولوژیست آمریکایی، آنزیم‌های محدودکننده نوع II را به شکل خالص درآورد. این آنزیم‌ها به‌واسطه دارا بودن قابلیت برش DNA در یک محل خاص (در مقابل آنزیم‌های محدودکننده نوع I، DNA را در جایگاه توالی غیراختصاصی برش می‌دهند) برای مهندسی ژنتیک ضروری به‌حساب می‌آیند.

 

به پشتوانه تلاش‌های دکتر اسمیت، دانیل نیتانز، بیولوژیست آمریکایی، توانست به پیشرفت‌هایی در زمینه فناوری DNA نوترکیب در سال‌های 1971-1970 دست یابد. او نشان داد که آنزیم‌های نوع II می‌توانند در مطالعات ژنتیکی مفید باشند. مهندسی ژنتیک مبتنی بر فناوری DNA نوترکیب اولین بار در سال 1973 توسط استنلی ن. کوهن و هربرت دبلیو بویر، بیوشیمی‌دانان آمریکایی، صورت گرفت. این دو دانشمند  اولین کسانی بودند که DNA را به قطعات مختلف تقسیم کردند و این قطعات را به ژن موجود دیگری (باکتری E. coli) الحاق کردند. تعداد این ژن نوترکیب، به دنبال فرآیند تکثیر، افزایش ‌یافت.

 

بیشتر فناوری DNA نوترکیب شامل قرارگیری ژن‌های خارجی (ژن مدنظر) در پلاسمیدهای سویه‌های باکتریایی رایج آزمایشگاهی است. پلاسمیدها حلقه‌های کوچکی از DNA هستند. آن‌ها بخشی از کروموزوم باکتری (مخزن اصلی اطلاعات ژنتیکی این موجود) نیستند. بااین‌وجود، این DNAهای حلقوی توانایی هدایت سنتز پروتئین رادارند و مانند DNA کروموزومی، تکثیرشده و  به باکتری‌های رده‌های بعد منتقل می‌شوند. بنابراین، با انتقال بخشی از یکDNA خارجی (به‌عنوان‌مثال، یک ژن پستاندار) به یک باکتری، محققان می‌توانند تعداد تقریباً بی‌حدواندازه‌ای نسخه از ژن مدنظر را به دست بیاورند. بعلاوه، اگر ژن الحاق شده از نوع کد کننده باشد (ژنی که سنتز پروتئین را هدایت می‌کند)، باکتری اصلاح‌شده پس‌ازاین می‌تواند پروتئین مخصوصDNA خارجی را تولید کند.

شاید بتوان گفت، ویرایش ژن، محوریت اصلی ظهور نسل بعدی تکنیک‌های مهندسی ژنتیک است که در اوایل قرن بیست و یکم به وجود آمد. ویرایش ژن مبتنی بر فناوری CRISPR-Cas9، به محقق این امکان را می‌دهد تا توالی ژنتیکی موجود زنده را با ایجاد تغییرات بسیار اختصاصی در DNA آن، تنظیم کند. ویرایش ژن کاربردهای گسترده‌ای دارد که ازجمله آن می‌توان به استفاده از این فناوری برای اصلاح ژنتیکی گیاهان و دام و ایجاد مدل‌های آزمایشگاهی (به‌عنوان‌مثال موش‌های آزمایشگاهی) اشاره کرد. اصلاح خطاها و جهش‌های ژنتیکی مرتبط با بیماری در حیوانات نشان می‌دهد که فناوری ویرایش ژن می‌تواند کاربردهای بالقوه‌ای در ژن‌درمانی برای انسان داشته باشد.تکنیک‌های مهندسی ژنتیک

انواع کاربردهای مهندسی ژنتیک

مهندسی ژنتیک درک بسیاری از ابعاد نظری و عملی ساختمان و عملکرد ژن را توسعه داده است. از طریق تکنیک‌های DNA نوترکیب، باکتری‌ها به‌گونه‌ای اصلاح ژنتیکی شده‌اند که قابلیت سنتز انسولین انسانی، هورمون رشد انسانی، آلفا اینترفرون، واکسن هپاتیت B و سایر مواد مفید پزشکی رادارند. گیاهان ممکن است ازنظر ژنتیکی به‌گونه‌ای تنظیم شوند تا بتوانند نیتروژن را به‌صورت بهینه‌ای تثبیت کنند. همچنین طبق این تعریف امید است که بتوان بسیاری از بیماری‌های ژنتیکی را با جایگزینی ژن‌های ناکارآمد با ژن‌هایی که عملکرد طبیعی دارند اصلاح کرد.

مقاله پیشنهادی: آشنایی با رشته روانشناسی
آشنایی با رشته روانشناسی

تکنیک‌ها

بااین‌حال، نگرانی خاصی در مورداستفاده از این تکنیک‌ها وجود دارد زیرا ممکن است استفاده از این نوع فناوری‌ها منجر به ورود صفات نامطلوب و یا حتی خطرناک به میکروارگانیسم‌هایی شود که قبلاً فاقد آن بودند. به‌عنوان‌مثال، مقاومت آنتی‌بیوتیکی، تولید انواع سموم و یا تمایل به ایجاد بیماری ازاین‌دست عوارض احتمالی استفاده از این تکنیک‌ها است. به همین ترتیب، استفاده از ویرایش ژن در انسان نگرانی‌های اخلاقی را ایجاد کرده است، به‌ویژه در مورداستفاده بالقوه آن برای تغییر ویژگی‌های  مرتبط با هوش و زیبایی.کاربردهای مهندسی ژنتیک

کاربرد مهندسی ژنتیک در زمینه کشاورزی

توسعه روش‌هایی برای تغییر عملکرد ژن‌ها به کمک DNA نوترکیب همواره موردتوجه پرورش‌دهندگان گیاهان بوده است. این امر باعث شد كه محققان را بر آن داشت که روی تولید گیاهانی كه دارای خصوصیاتی مانند توانایی استفاده از نیتروژن آزاد یا مقاومت در برابر بیماری‌ها كه به‌طور طبیعی از آن‌ها برخوردار نیستند، متمركز شوند. کاربرد ژنتیک در کشاورزی از زمان جنگ جهانی دوم منجر به افزایش قابل‌توجهی در تولید بسیاری از محصولات غذایی شد. این مسئله به‌طور ویژه‌ای در سویه‌های ترکیبی ذرت و ذرت خوشه‌ای بسیار قابل‌توجه بوده است. در این برهه زمانی، استفاده از این تکنیک تلاقی منجر به تولید انبوه سویه‌های ترکیبی گندم و برنج شد. این تکنیک‌ها که انتخاب مصنوعی یا پرورش انتخابی نامیده می‌شوند، امروزه هم یکی از جنبه‌های بحث‌برانگیز مهندسی ژنتیک محسوب می‌شوند.

از تکنیک‌های مهندسی ژنتیک می‌توان برای دست‌کاری مواد ژنتیکی سلول به‌منظور تولید یک ویژگی جدید در موجود زنده استفاده کرد. ژن‌های گیاهان، میکروب‌ها و حیوانات می‌توانند دوباره ترکیب‌شده (DNA نوترکیب) و مجدد به سلول‌های زنده هر یک از این موجودات منتقل شوند. به ارگانیسم‌های اصلاح‌شده ژنتیکی که حامل ژن گونه‌های دیگری در ژنوم خود هستند، تراریخته گفته می‌شود. تولید گیاهان تراریخته مقاوم در برابر عوامل بیماری‌ها نیز به کمک این روش به دست می‌آیند. ژن‌های خاصی به ژنوم گیاه وارد می‌شود که در برابر عوامل بیماری‌زا مانند ویروس‌ها، قارچ‌ها و حشرات مقاومت ایجاد می‌کنند. همچنین پیشرفت‌های فراوانی در زمینه تولید گیاهان تراریخته‌ای که نسبت به علف‌کش‌ها مقاومت دارند، صورت گرفته است. بااین‌وجود، در مورد رهاسازی گیاهان تراریخته در محیط‌زیست همچنان نگرانی‌هایی وجود دارد و البته تدابیری محافظتی نیز در این زمینه اتخاذشده است.

پرورش حیوانات

هدف پرورش‌دهندگان حیوانات در قرن بیستم تولید انواع حیواناتی بود که پاسخگوی نیازهای بازار باشند و همچنین بتوانند در شرایط نامساعد آب و هوایی قابلیت باروری خود را حفظ کنند. در همین راستا، تولیدکنندگان با بهبود مدیریت مرتع، استفاده از شیوه‌های مناسب برای تغذیه دام و به حداقل رساندن بیماری‌ها و حشرات مضر، تولید گوشت را افزایش دادند. تولید جهانی گوشت به لطف توسعه فناوری‌های جدید از زمان جنگ جهانی دوم تا به امروز به‌طور مداوم در حال افزایش است.

ژن‌درمانی

ژن‌درمانی عبارت است از ورود یک ژن طبیعی به ژنوم فرد به‌منظور اصلاح جهشی که باعث بروز بیماری ژنتیکی می‌شود. هنگامی‌که یک ژن طبیعی در یک هسته جهش‌یافته قرار می‌گیرد، به‌احتمال‌زیاد در یک مکان کروموزومی متفاوت از آلل معیوب ادغام می‌شود. اگرچه این حالت ممکن است جهش را ترمیم کند، اما اگر ژن طبیعی با ژن عملکردی دیگری ادغام شود، ممکن است جهش جدیدی ایجاد شود. اگر ژن طبیعی جایگزین آلل جهش‌یافته شود، این احتمال وجود دارد که سلول‌های تغییر شکل یافته دچار تکثیرشده و به‌اندازه کافی محصول ژن طبیعی تولید کنند تا کل بدن بتواند به فنوتیپ طبیعی خود بازگردد.

تاکنون، ژن‌درمانی فقط در سلول‌های سوماتیک بدن برای بیماری‌هایی مانند سرطان و سندرم نقص ایمنی مرکب شدید (SCIDS) انجام‌شده است. سلول‌های سوماتیکی که توسط ژن‌درمانی بهبود می‌یابند ممکن است علائم بیماری را در فرد تحت درمان برطرف کنند، اما متأسفانه این اصلاحات به نسل بعدی منتقل نمی‌شود. در نقطه مقابل، طی ژن‌درمانی ژرمینال محققان سلول‌های زایا (به‌عنوان‌مثال، سلول‌های تخمدان یا بیضه) را مورد هدف قرار می‌دهند. در صورت دستیابی به این هدف، این سلول‌ها دچار میوز می‌شوند و سهم تغییرات اعمال‌شده برای نسل‌های بعدی نیز وجود خواهد داشت. در حال حاضر نتایج ژن‌درمانی ژرمینال تنها به سطح مطالعات حیوانی محدود می‌شوند.

سخن پایانی

مهندسی ژنتیک می‌تواند از طریق افزایش کیفیت و کمیت غذا، پاک‌سازی محیط‌های سمی و کاهش مشکلات سلامتی انسان برای نسل‌های حال حاضر و آتی، به بهبود و ارتقا سلامت و جلوگیری از بروز بیماری کمک کند. مهندسی ژنتیک همچنین ممکن است به‌واسطه تولید مواد غذایی تغییر ژنتیکی یافته و آلودگی محیط‌زیست، سلامت انسان را تهدید کند. اما اصول اخلاقی مهندسی ژنتیک برای ارزیابی مباحث مربوط به عدالت، کنترل دستور کار تحقیق و سوءاستفاده‌های احتمالی از این فناوری و همچنین نگرانی‌های اخلاقی در مورد رشد و ترقی بشر و رفاه حیوانات جهت بررسی نسبت سود به زیان کارکرد این تکنیک همچنان جای بحث دارد.