Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
في أوائل القرن العشرين ، كان الالتهاب الرئوي مسؤولا عن جزء كبير من وفيات الأمراض المعدية1. من أجل تطوير لقاح فعال ضد الالتهاب الرئوي ، شرع فريدريك جريفيث في دراسة سلالتين مختلفتين من المكورات العقدية الرئوية: سلالة غير خبيثة ذات مظهر خشن (سلالة R) وسلالة خبيثة ذات مظهر ناعم (سلالة S) بسبب كبسولة عديد السكاريد الخارجية2. مكنتهم هذه الطبقة الخارجية من بكتيريا السلالة S من تحمل جهاز المناعة المضيف ، مما أدى في النهاية إلى مرض يهدد الحياة. عندما قام جريفيث بحقن الفئران بشكل منفصل بالبكتيريا المقتولة بالحرارة من أي من السلالتين ، عاشت الفئران. ومع ذلك ، عندما قام بحقن الفئران بمزيج من سلالة S المقتولة بالحرارة مع سلالة R الحية ، ماتت الفئران2. عندما قام بتحليل العينات التي تم الحصول عليها من الفئران الميتة التي تم حقنها بالمجموعة ، لاحظ وجود بكتيريا السلالة S الحية. في عام 1928 ، لاحظ جريفيث أن عملية "التحول" يجب أن تكون قد حدثت لتغيير البكتيريا غير الخبيثة إلى سلالة خبيثة. كأول اكتشاف معروف للتحول البكتيري ، مهد اكتشافه الطريق لتطوير أداة أساسية في الهندسة الوراثية - التحول3.
التحول هو التغيير الجيني في الخلية بسبب امتصاص الحمض النووي من البيئة. في تجربة جريفيث ، لم يتحلل الحمض النووي الذي يشفر طلاء السكريات الواقي لبكتيريا السلالة S من الصدمة الحرارية وتم إدخاله في سلالة R ، مما سمح للأخير بتجاوز الجهاز المناعي للفأر. في حين أن هذه العملية تحدث باستمرار في البرية بين الكائنات الحية وحتى الأنواع المختلفة ، يقوم العلماء بتحويل البكتيريا في إعدادات المختبر لأغراض البحث4.
البكتيريا هي الكائنات الحية المثالية للتحول حيث يمكنها بسهولة امتصاص المواد الوراثية الخارجية في جينومها وتضخيمها بسرعة3،5. لديهم كروموسوم دائري واحد وعدة قطع دائرية صغيرة من الحمض النووي مزدوج الشريطة تسمى البلازميدات داخل السيتوبلازم. يمكن أن تتكاثر هذه البلازميدات بشكل مستقل عن الحمض النووي للكروموسومات وتوفر بشكل عام فوائد وظيفية معينة ، مثل مقاومة المضادات الحيوية6،7. في بيئتها الطبيعية ، تخضع البكتيريا ل "التحول البكتيري" عن طريق أخذ البلازميدات من البكتيريا الأخرى في عملية تسمى الاقتران8. علاوة على ذلك ، عندما يتكاثرون ، يتلقى كل ذرية من ذريتهم نسخة من البلازميد الجديد.
تسمىالبلازميدات المستخدمة للأغراض التجريبية ناقلات البلازميد. في بيئة معملية ، يمكن للعلماء إنشاء "بلازميدات مؤتلفة" بشكل مصطنع يبلغ طولها حوالي 5,000-10,000 زوج أساسي عن طريق إدخال شظايا الحمض النووي في ناقل البلازميد. عادة ما تحتوي هذه البلازميدات المؤتلفة على مكونات معينة: أصل النسخ المتماثل (ORI) ، وجين مقاومة المضادات الحيوية ، وموقع استنساخ متعدد ، ومحفز ، وعلامة اختيار ، والجين محل الاهتمام. أصل النسخ المتماثل هو المكان الذي يبدأ فيه النسخ المتماثل. يسمح جين مقاومة المضادات الحيوية للبكتيريا التي تتناول البلازميد بالبقاء على قيد الحياة على الأطباق في وجود دواء مضاد حيوي معين. على الرغم من أن البلازميدات عبارة عن أجزاء صغيرة نسبيا من الحمض النووي ، إلا أن العلماء بحاجة إلى معالجة الخلايا المضيفة لتمكين اختراق البلازميد عبر غشاء الخلية. ومن ثم ، فإن كفاءة التحول ترتبط ارتباطا مباشرا بمسامية الغشاء المضيف. تتمثل إحدى الطرق الشائعة في الصدمة الحرارية للبكتيريا التي تمت معالجتها بمحلول كلوريدالكالسيوم 9. لن تتحول البكتيريا التي لا تدمج البلازميد ، وبالتالي ليس لديها مقاومة للبقاء على قيد الحياة على اللوحة وتكون مرئية. تساعد مواقع الاستنساخ المتعددة في إدخال الحمض النووي من خلال احتواء مواقع لإنزيمات التقييد لقطع البلازميد حيث يمكن إدخال الجين المعني وربطه. يقود المروج نسخ الجين محل الاهتمام. يتم تمييزه بعلامة ، وعادة ما يكون بروتين فلوري مثل بروتين الفلورسنت الأخضر (GFP) ، أو يمكن أن يكون جينا إضافيا لمقاومة المضادات الحيوية. يساعدنا جين مقاومة المضادات الحيوية وعلامات الاختيار الأخرى في تحديد ما إذا كانت البكتيريا التي تم جمعها تحتوي على البلازميد المهم.
مكنت طرق التحويل الفعالة العلماء من عزل الجينات والمنتجات الجينية وتحديد صفيحها وأدت إلى العديد من التطورات في علوم الحياة والطب ، مثل تطوير الأدوية الفعالة ، وتوليد المحاصيل المعدلة وراثيا ، وأدوات التشخيصالمتقدمة 10. بالإضافة إلى ذلك ، مع التقدم التكنولوجي ، ظهرت طرق جديدة للتحول. على سبيل المثال ، يسمح استنساخ البوابة بإدخال شظايا متعددة من الحمض النووي في نواقل مختلفة بالإضافة إلى نقل تسلسل الحمض النووي بين البلازميدات11. علاوة على ذلك ، فإن التكرارات المتجانسة القصيرة المتباعدة بانتظام (CRISPR) -Cas9 هي تقنية لتحرير الجينات تعدل النيوكليوتيدات بشكل مباشر في الجينوم ولا تتطلب استخدام البلازميدات12. بعد التحول ، غالبا ما يقوم الباحثون بعزل وتحديد الجين محل الاهتمام ومنتجاته. بعد ذلك ، فتحت عملية الاستنساخ الجيني برمتها مجالا جديدا للتلاعب الجيني. بفضل الاستنساخ الجيني ، يمكن للباحثين التلاعب بالبكتيريا لإنتاج كميات كبيرة من البروتينات البشرية المحددة ، مثل الأنسولين لعلاج مرضى السكري10. كما لعب الاستنساخ أهمية كبيرة في الزراعة الحديثة. الكائنات المعدلة وراثيا (GMO) هي نتيجة مباشرة للاستنساخ الجيني والتحول البكتيري10. على سبيل المثال ، يعمل العلماء على توليد محاصيل معدلة وراثيا باستخدام جينات مثبتة للنيتروجين مدمجة في جينومهم لزيادة إنتاج الغذاء وتقليل استخدام الأسمدة ، وبالتالي تقليل التأثير الاقتصادي والبيئي للأسمدة13. باختصار ، التحول البكتيري هو الخطوة الأولى للتكنولوجيا الحيوية الحديثة وأساس الاكتشافات البحثية المستقبلية.
في أوائل القرن العشرين ، كان عالم بكتيريا بريطاني يدعى فريدريك جريفيث يعمل مع البكتيريا المسببة للالتهاب الرئوي المكورات العقدية الرئوية . أجرى تجربة بسيطة باستخدام سلالتين مختلفتين. تعرف سلالة واحدة باسم سلالة S بسبب كبسولة واقية تجعل المستعمرات أو الكتل التي تشكلها تبدو ناعمة ، كما تجعلها خبيثة أو ضارة. والثاني كان سلالة R ، وهي نسخة من البكتيريا التي تفتقر إلى الكبسولة الواقية ، مما يمنح المستعمرات مظهرا خشنا ويجعلها غير خبيثة.
أولا ، أخذ جريفيث بعضا من بكتيريا السلالة S وقام بتسخينها ، مما أدى إلى إنتاج نسخة مقتولة بالحرارة من سلالة S. ثم جمع بعض الفئران وقسمها إلى أربع مجموعات. قام بحقن المجموعة الأولى بسلالة S الخبيثة ، والثانية بسلالة R غير الخبيثة. قام بجرعات المجموعة الثالثة بسلالة S المقتولة بالحرارة ، وأخيرا ، تم الجمع بين سلالة S المقتولة بالحرارة وسلالة R معا ، وحقن هذا المزيج في المجموعة الرابعة. كما هو متوقع ، ماتت الفئران في المجموعة الأولى ، وعاشت الفئران في المجموعة الثانية والثالثة. لكن لدهشة جريفيث ، ماتت الفئران في المجموعة الأخيرة أيضا.
عندما نشر دراسته في عام 1928 ، أطلق على هذا التحول الغامض للعملية ، حيث تكهن بوجود مبدأ تحويل أساسي ، مما سمح للسلالة غير الخبيثة سابقا بأن تصبح قاتلة. في وقت لاحق ، في عام 1943 ، أفاد أفيرت وماكلويد ومكارتي أن هذا المبدأ المحول كان على الأرجح حمض الديسوكسي ريبونوكلييك ، أو الحمض النووي ، الذي نعرف الآن أنه مادة الوراثة. ما حدث في تجربة جريفيث بشكل أساسي هو أنه عندما تم دمج البكتيريا ، تسرب بعض الحمض النووي من سلالة S المقتولة بالحرارة إلى خلايا سلالة R ، مما أدى إلى تحويل هذه البكتيريا غير الخبيثة ونقل المعلومات لصنع الكبسولة الواقية ، وتحويل سلالة R إلى سلالة خبيثة ، قادرة الآن على قتل في المجموعة الرابعة.
تقدم سريعا إلى اليوم ، طور العلماء طريقة أبسط بكثير لدراسة التحول البكتيري ، باستخدام بكتيريا الإشريكية القولونية وحلقات دائرية صغيرة من الحمض النووي تسمى البلازميدات. عادة ما يشتمل البلازميد المستخدم في تجارب التحويل على جين لوظيفة خاصة ، مثل مقاومة المضادات الحيوية. الإشريكية القولونية هي موضوع ممتاز للتحول لأنها يمكن أن تعرض خاصية تسمى الكفاءة ، وهي القدرة على امتصاص الحمض النووي من البيئة. بشكل أساسي ، هذا يعني أنه في ظل ظروف بيئية معينة ، مثل مادة كيميائية أو صدمة كهربائية أو حرارية ، يمكن أن يصبح جدار الخلية ل بكتريا قولونية قابلا للاختراق مؤقتا ويسمح بامتصاص الحمض النووي من البيئة. بمجرد أن يكون البلازميد داخل الإشريكية القولونية ، يمكن أن يتسكع في سيتوبلازم الخلية المضيفة الجديدة ويمكن تكراره والتعبير عنه عبر عبر الأجيال جنبا إلى جنب مع الجينوم ، أو قد يدمج نفسه بالكامل في جينوم المضيف. إذا فقدت البكتيريا البلازميد في أي وقت ، فستفقد الخلية أيضا مقاومتها للمضادات الحيوية ، وبالتالي يزرع العلماء البكتيريا في وسط يحتوي على المضاد الحيوي للتأكد من أن الناجين الوحيدين هم أولئك الذين يحتوون على البلازميد المهم.
في هذا المختبر ، سوف تتعلم كيفية تحويل خلايا بكتيريا قولونية باستخدام بلازميد يحتوي على جين مقاوم للمضادات الحيوية ، أثناء ممارسة التقنيات الميكروبيولوجية المعقمة.
