مهندسی ژنتیک، به عنوان بخشی ازدانش زیست فناوری با کمک مجموعه ای از روش ها سبب تغییر آرایش ژنتیکی ارگانیسم ها می‌شود. فرایند مهندسی ژنتیک می‌تواند به معنای تغییر یک جفت باز (A-T یا C-G)، حذف کامل یک ناحیه از DNA، اضافه شدن یک کپی از یک ژن یا استخراج DNA از ژنوم ارگانیسم دیگر و ترکیب آن با DNA موجود دیگری باشد. دانش مهندسی ژنتیک که توسط محققان مورد استفاده قرار می‌گیرد سبب می‌گردد تا ویژگی های یک ارگانیسم را تقویت یا اصلاح کنند.

اولین دستاوردهای مهندسی ژنتیک

فناوری DNA نوترکیب اولین بار در اوایل دهه 1970 توسعه یافت و اولین شرکت مهندسی ژنتیک، Genentech، در سال 1976 تاسیس شد. این شرکت ژن های انسولین انسانی را در باکتری های E. coli وارد کرد تا باکتری‌ها بتوانند انسولین انسانی تولید کنند. بعد از تأیید سازمان غذا و داروی آمریکا(FDA)، Genentech اولین داروی DNA نوترکیب، انسولین انسانی را در سال 1982 تولید کرد. اولین واکسن ژنتیکی برای انسان نیز در سال 1987 توسط FDA تأیید شد که برای هپاتیت B بود. از دهه 1980 میلادی، مهندسی ژنتیک برای تولید انواع مختلف محصولات از باتری لیتیوم یون سازگار با محیط زیست تا محصولات مقاوم در برابر عفونت و بیماری ها استفاده شد.

مهندسی ژنتیک چگونه عمل می‌کند؟

برای درک بهترعملکرد مهندسی ژنتیک بهتر است که با فرآیندهای خاصی در این زمینه آشنا بود. در اینجا با ذکر مثالی به توضیح نحوه عملکرد مهندسی ژنتیک می‌پردازیم. به عنوان مثال دانشمندان می‌دانند كه یک ژن در انسان مسئول تولید آنزیمی است كه باعث تجزیه شدن لبنیات می‌شود. از این رو با کمک مهندسی ژنتیک می‌توان نسخه هایی از این ژن را برای درمان افرادی که فاقد این آنزیم هستند و ازخوردن لبنیات بیمار می‌شوند استفاده کرد. محققان می‌توانند نسخه هایی از این ژن را جمع آوری كنند سپس این ژن را به باکتری ها منتقل کنند. باکتری ها نیز می‌توانند این آنزیم را بسازند زیرا اکنون DNA سلول های انسانی را در ژنوم خود دارند.

پروسه ی انجام مهندسی ژنتیک

مرحله اول: محققان ژنی را که صفت مورد نظرشان را بیان می‌کند انتخاب می‌کنند. DNA حاوی آن ژن، از ارگانیسم اهدا کننده ای که به طور طبیعی این ژن را دارد جمع آوری می‌شود.

مرحله دوم: دانشمندان DNA پلاسمید (DNA حلقوی) را از باکتری ها جدا می‌کنند. ژن مورد نظر را وارد این DNA حلقوی می‌کنند تا به ارگانیسم جدید منتقل شود.

مرحله سوم: در این مرحله اتصال دو قطعه‌ی DNA رخ می‌دهد بدین صورت که DNA اهدا كننده و DNA پلاسميد با آنزيم (مولكولي كه باعث واكنش می‌شود) مخلوط می‌شوند. این آنزیم هر دو نوع DNA را در نقاط مخصوص به همراه کد آن‌ها برش می‌دهد. قطعاتی که باقیمانده اند براساس ساختار شیمیایی خود به راحتی می توانند به یکدیگر بپیوندند.

مرحله چهارم: قطعات DNA که دارای اشکال یا شیمیایی مطابق با یکدیگر هستند، برای ایجاد پلاسمید کامل به یکدیگر می‌پیوندند.

مرحله پنجم: پلاسمیدهای حاوی ژن جدید با سایر سلول‌های باکتریایی مخلوط می‌شوند. برخی از این باکتری ها با استفاده از فرآیندی به نام transformation، پلاسمیدها را وارد سلول های خود می‌کنند.

مرحله ششم: کلونی های باکتری هایی که حاوی ژن منتخب هستند یا می‌توانند محصول مطلوب را تولید کنند، شناسایی و از هم جدا می‌شوند.

مرحله هفتم: باکتری های مهندسی ژنتیکی شده در مقادیر زیادی رشد می‌کنند. محصول ژن انتخاب شده پس از آن می‌تواند از باکتری ها جمع آوری شود.

بیشتر بخوانید: در مورد DNA باستانی چه می‌دانیم؟

کاربرد های مهندسی ژنتیک

در مهندسی ژنتیک از طریق تکنیک های DNA نوترکیب، باکتری هایی ایجاد شده اند که قادر به سنتز انسولین انسانی، هورمون رشد انسانی، آلفا اینترفرون، واکسن هپاتیت B و سایر مواد مفید پزشکی هستند. گیاهان نیز از نظر ژنتیکی دستکاری می‌شوند تا بتوانند نیتروژن را اصلاح کنند، بیماری های ژنتیکی نیز با جایگزین کردن ژن های ناکارآمد با ژنهای معمولی قابل اصلاح هستند. با این وجود، نگرانی ویژه بر روی چنین دستاوردهایی وجود دارد بطور مثال مقاومت در برابر آنتی بیوتیک ها، تولید سموم یا تمایل به ایجاد بیماری، همچنین ویرایش ژن در انسان نگرانی های اخلاقی به ویژه در مورد استفاده بالقوه آن برای تغییر صفات ایجاد کرده است.

معرفی سه گروه اصلی مهندسی ژنتیک

مهندسی ژنتیک تحلیلی (Analytical Genetic Engineering): در این شاخه مدل های ژنتیکی مجازی با استفاده از نرم افزارهای رایانه ای ایجاد می‌شوند.

 مهندسی ژنتیک کاربردی (Applied Genetic Engineering): همانطور که از نام آن مشخص است به کاربرد عملی ابزارهای مهندسی ژنتیک مربوط می‌شود تا با دستکاری ژن های موجودات زنده نسخه های ژنتیکی از آن‌ها تهیه کند ویا ویژگی در آن‌ها ایجاد کند که پیش از این فاقد آن بوده اند.

مهندسی ژنتیک شیمیایی (Chemical Genetic Engineering): مهندسی ژنتیک شیمیایی را می‌توان پایه ی مهندسی ژنتیک کاربردی نامید، زیرا به جداسازی، طبقه بندی و نمودار بندی ژن ها (شامل نقشه برداری ژنتیکی، مطالعه تعامل ژنتیکی و کدگذاری ژنتیکی) می‌پردازد تا آن‌ها را برای فعالیت ها و آزمایش های مهندسی ژنتیک کاربردی آماده کند.

بیشتر بخوانید: سلول های بنیادی را بیشتر بشناسیم

انواع تکنیک های مهندسی ژنتیک چیست؟

 در مهندسی ژنتیک از تکنیک های مختلفی برای وارد کردن ژن مورد نظر به سلول میزبان استفاده می‌شود مانند :

- وکتورهای ویروسی که یک عامل بیماری زا هستند و وقتی میزبان را آلوده می‌کند، بخشی از DNA خود را به سلول منتقل می‌کند.

- Microprojectile Bombardment که با شلیک DNA با گلوله های میکروسکوپی به سلول صورت می‌گیرد.

 - الکتروپوریشن : در این روش DNA ژن مورد نظر را درون یک محیط  دارای بار الکتریکی در مجاورت سلول‌ها قرار می‌دهند. بار الکتریکی باعث ایجاد منافذ ریز در غشای سیتوپلاسمی می‌شود تا قطعات DNA به داخل سلول بروند.

- میکرواینجکشن: تزریق مستقیم DNA به سلول هاست که برخی از این سلول ها زنده مانده و برخی نیز از بین می‌روند.

 - ترنسپوزون ها که قطعات DNA کوتاه و طبیعی هستند که توانایی انتقال از یک مکان به مکان دیگردر ژنوم را دارند.

- روش های مولکولی غیرترانس ژنیک

نگرانی های مطرح شده در مورد استفاده از مهندسی ژنتیک

کارهای مختلفی در زمینه مهندسی ژنتیک انجام شده است که بیشترین کاربرد آن‌ها در زمینه‌ی افزایش تولید مواد غذایی گیاهی و حیوانی، تشخیص بیماری، بهبود درمان پزشکی و تولید واکسن و... بوده است. روش های موجود در این تکنیک ها شامل پرورش انتخابی حیوانات و گیاهان، هیبریداسیون و اسید دئوکسی ریبونوکلئیک نوترکیب (rDNA) می باشد. با این حال، این کاربردها بدون خطر نیستند. واکنش های کلی نسبت به استفاده از rDNA در مهندسی ژنتیک تلفیقی از نظرات گوناگون است. تولید داروها از طریق ارگانیسم های تغییر ژنتیکی به طور کلی مورد استقبال قرار گرفته است. با این حال، منتقدان rDNA می‌ترسند که ارگانیسم های مورد استفاده در برخی آزمایشات rDNA ممکن است اشکال عفونی ایجاد کنند و حیات حیوانات را در خطر بیندازد. نگرانی دیگر در این زمینه مربوط به زنان باردار که از محصولات اصلاح شده ژنتیکی می‌خورند، که احتمال آسیب رساندن به رشد طبیعی جنین را به همراه دارد. علاوه بر این، از تأثیر این فرایندها بر محیط زیست نیز نمی‌تواند چشم پوشی کرد.

بیشتر بخوانید: معرفی و بررسی چند اختلال ژنتیکی شایع در کودکان

مهم ترین انواع مهندسی ژنتیک در انسان چیست

به غیر از انواع مهندسی ژنتیک که از آن‌ها یاد شده است، دو رشته در حال ظهور در مهندسی ژنتیک مطرح شده اند که مهندسی سلول سوماتیک و مهندسی خط میکروب هستند. هر دو مورد در حال حاضر مهمترین نوع مهندسی ژنتیک در انسان است که هر دوی آن‌ها در ژن درمانی برای اصلاح ژن های معیوب و جلوگیری از انتقال نقص های ارثی یا بیماری ها از یک نسل به نسل های بعدی مورد استفاده قرار می‌گیرند. هر دو مورد مهندسی ژنتیک این پتانسیل را دارند که در بیماری های دژنراتیو مانند پارکینسون، آلزایمر و هانتینگتون، درمان‌های موثری را انجام دهند.