البيولوجيا التركيبية
يعرض هذا الفيديو البيولوجيا التركيبية ودورها في الهندسة الحيوية. تشير البيولوجيا التركيبية إلى الطرق المستخدمة لتعديل الكائنات الحية وراثيا من أجل جعل…
البيولوجيا التركيبية هي مجال يجمع بين علم الأحياء والهندسة لإنشاء أو إعادة تصميم كيانات أو كائنات أو مسارات بيولوجية. تشبه الفكرة التخليق الكيميائي في الكيمياء حيث يتم استخدام تفاعلات معروفة لتصنيع مركبات كيميائية جديدة. يمكن أن يختلف الهدف النهائي من إنشاء جزيئات دوائية بيولوجية جديدة إلى تعديل الكائنات الحية لجعلها قادرة على تكسير النفايات. يناقش هذا الفيديو المبادئ الأساسية للبيولوجيا التركيبية وبعض التقنيات المستخدمة لبناء الوحدات البيولوجية. أخيرا ، نقدم بعض تطبيقات العالم الحقيقي لهذا المجال المتطور.
الهدف الأساسي من هذا المجال الناشئ هو استخدام علم الأحياء والهندسة الحيوية كأداة لإنشاء جزيئات وكائنات حية جديدة. يشبه إلى حد كبير مهندس كهربائي يقوم بإنشاء دائرة وظيفية من المكونات الكهربائية الفردية ، فإن الهدف الرئيسي للبيولوجيا التركيبية هو إنشاء كائن حي دقيق قابل للبرمجة من البداية باستخدام مكونات الخلية الفردية. ومع ذلك ، لا يزال هذا بعيدا عن التحقيق في هذه المرحلة ، ويرجع ذلك أساسا إلى أن العمليات البيولوجية أقل فهما. أصبح هذا الهدف أكثر قابلية للتحقيق من خلال التطورات الحديثة ، مثل تسلسل الحمض النووي من الجيل التالي. باستخدام تسلسل الحمض النووي ، يمكن للباحثين تحديد الوظائف في الجينات الخاصة بتسلسل الحمض النووي في الكائنات الحية التي تمتلك سمات معينة مرغوبة. بعد ذلك ، يمكن تصنيع تسلسل الحمض النووي الدقيق بكميات كبيرة ثم استخدامه لتعديل الخلية وراثيا باستخدام التعدين. التعداء هو عملية إدخال مادة وراثية ، مثل الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي ، في خلايا الثدييات. عند إجراؤها على الخلايا البكتيرية ، تسمى هذه التقنية التحول. في هذه العملية ، غالبا ما يتم تعقيد الحمض النووي بجزيئات حاملة موجبة الشحنة أو تكثيفه داخل جسيم شحمي موجب الشحنة أو جسيم بوليمر ، مثل البولي إيثيلينيمين. يرتبط المركب موجب الشحنة بغشاء الخلية سالب الشحنة ثم يدخل الخلية عن طريق الالتقام الخلوي ، وهي عملية تدخل من خلالها الجزيئات إلى الخلية عبر حويصلات مرتبطة بالغشاء تسمى الجسيمات الداخلية. بمجرد دخولها إلى الخلية ، تترك المادة الوراثية الجسيم الداخلي وتدخل في النهاية النواة ، حيث تكون آلية الخلية قادرة على صنع MRNA ثم البروتين منه. الآن بعد أن قدمنا أساسيات البيولوجيا التركيبية ، دعنا نلقي نظرة على بعض تقنيات التعدي الشائعة الاستخدام في المختبر.
التثقيب الكهربائي هو تقنية تتضمن استخدام قطب كهربائي لإنشاء مسام صغيرة في غشاء الخلية ، مما يسمح للحمض النووي بالمرور. أولا ، قاع كل بئر من صفيحة 48 بئر مغطى ب 250 ميكرولتر من الجسم المضاد والمخزن المؤقت بالكالسيوم والمغنيسيوم. ثم يتم تحضين الألواح عند 37 درجة. بعد ذلك ، يتم تحضير الحمض النووي الريبي للتعداد. يتم تقسيم ميكرولتر واحد من محلول مخزون الحمض النووي الريبي في أنبوب طرد مركزي دقيق لكل تعداء منفصل ، مع بقاء الأنابيب على الجليد. ثم يتم غسل الألواح المطلية بالأجسام المضادة بمحلول مؤقت قبل إضافة وسائط الخلية. يتم فصل الخلايا عن قاع آبار زراعة الأنسجة ، وتجميعها في أنبوب طرد مركزي ، وحبيبات ، وإعادة تعليقها. يتم حساب الخلايا وتقييم قابليتها للحياة. بعد ذلك ، يضاف حجم صغير من الخلايا إلى كل حصة من الحمض النووي الريبي. ثم يتم تحميل الخلايا الموجودة في الحمض النووي الريبي في طرف قطب ماصة وإضافة مخزن مؤقت إلكتروليتي إلى كوفيت زجاجي. يتم وضع الكوفيت داخل الحامل، ويتم وضع قطب الماصة في الكوفيت. يتم تزويد الخلايا بالكهرباء باستخدام جهد نبضي يبلغ حوالي 1500 فولت. بعد اكتمال التثقيب الكهربائي ، يتم خلط الخلايا مع وسائط زراعة الخلايا في صفيحة مزرعة وإما استخدامها أو تخزينها.
تقنية أخرى هي طريقة الصدمة الحرارية ، والتي تستخدم الحرارة لإنشاء فتحات في غشاء الخلية. أولا ، يتم تحضير وتعقيم الوسائط المناسبة والأجار. بعد ذلك ، يسكب الأجار المبرد الذي يحتوي على مضاد حيوي في أطباق ويترك ليبرد إلى درجة حرارة الغرفة. بعد ذلك ، يتم ضبط الحمام المائي على 42 درجة مئوية ويتم إذابة الخلايا المختصة كيميائيا على الجليد. يضاف إلى خمسة ميكرولتر من نانوجرام واحد لكل ميكرولتر من البلازميد البارد إلى الخلايا المذابة ويخلط برفق. ثم يتم إرجاع خليط الخلية والبلازما إلى الجليد لمدة 30 دقيقة. بعد هذه الحضانة على الجليد ، يتم وضع خليط الخلية في الحمام المائي لصدمته بالحرارة لمدة 30 ثانية. ثم يتم وضع خليط الخلية والبلازميد على الفور على الثلج وإضافة وسائط جديدة. ثم يوضع خليط الخلية في حاضنة اهتزاز عند 37 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة ، حتى تتمكن الخلايا من التعافي. بعد ذلك ، يتم زراعة الخلايا على ألواح الأجار عن طريق إضافة 20 إلى 200 ميكرولتر من البكتيريا المستنبتة إلى اللوحة ثم نشرها. ثم يتم تحضين الأطباق بين عشية وضحاها. في اليوم التالي ، يجب أن يكون لصفائح الأجار نمو مستعمرة مما يشير إلى أن الخلايا قد أخذت البلازميد. يمكن الآن استخدام هذه المستعمرات لمزيد من التجارب.
الآن بعد أن قدمنا بعض طرق التعداء والتحويل الشائعة ، دعنا نلقي نظرة على بعض تطبيقات هذا المجال الجديد. يمكن استخدام البكتيريا المعدلة وراثيا في التنظيف البيئي مثل تدهور بقايا النفط. باستخدام تقنيات البيولوجيا التركيبية ، يمكن تصميم كائنات مخصصة لتحطيم ملوثات بيئية معينة. قد يؤدي ذلك إلى انخفاض تكاليف التنظيف من طرق التنظيف النموذجية كثيفة العمالة. يمكن أيضا إنشاء أنظمة بيولوجية جزيئية مبنية صناعيا لتشخيص وعلاج أمراض معينة مثل السرطان. يمكن إنشاء هذه الكائنات الحية للاستجابة للتوقيعات المميزة أو الأجسام المضادة للخلايا السرطانية. كما أنها يمكن أن تساعد في علاج الخلايا المصابة عن طريق الاستهداف المبرمج.
لقد شاهدت للتو مقدمة جوف في البيولوجيا التركيبية. يجب أن تكون الآن على دراية بأهداف هذا المجال الجديد وبعض التقنيات المستخدمة لتعزيز الكائنات الحية وإنشائها في النهاية لمكافحة مشاكل العالم الحالية. شكرا للمشاهدة.
تسجيل الدخول أو للوصول إلى المحتوى الكامل. تعرّف على المزيد حول وصول مؤسستك إلى محتوى JoVE هنا
البيولوجيا التركيبية هي مجال يجمع بين علم الأحياء والهندسة لإنشاء أو إعادة تصميم كيانات أو كائنات أو مسارات بيولوجية. تشبه الفكرة التخليق الكيميائي في الكيمياء حيث يتم استخدام تفاعلات معروفة لتصنيع مركبات كيميائية جديدة. يمكن أن يختلف الهدف النهائي من إنشاء جزيئات دوائية بيولوجية جديدة إلى تعديل الكائنات الحية لجعلها قادرة على تكسير النفايات. يناقش هذا الفيديو المبادئ الأساسية للبيولوجيا التركيبية وبعض التقنيات المستخدمة لبناء الوحدات البيولوجية. أخيرا ، نقدم بعض تطبيقات العالم الحقيقي لهذا المجال المتطور.
الهدف الأساسي من هذا المجال الناشئ هو استخدام علم الأحياء والهندسة الحيوية كأداة لإنشاء جزيئات وكائنات حية جديدة. يشبه إلى حد كبير المهندس الكهربائي - إنشاء دائرة وظيفية من المكونات الكهربائية الفردية ، وهو الهدف الرئيسي للبيولوجيا التركيبية - هو إنشاء كائن حي دقيق قابل للبرمجة من البداية باستخدام مكونات الخلية الفردية. ومع ذلك ، لا يزال هذا بعيدا عن التحقيق في هذه المرحلة ، ويرجع ذلك أساسا إلى أن العمليات البيولوجية أقل فهما. أصبح هذا الهدف أكثر قابلية للتحقيق من خلال التطورات الحديثة ، مثل تسلسل الحمض النووي من الجيل التالي. باستخدام تسلسل الحمض النووي ، يمكن للباحثين تحديد الوظائف في الجينات الخاصة بتسلسل الحمض النووي في الكائنات الحية التي تمتلك سمات معينة مرغوبة. بعد ذلك ، يمكن تصنيع تسلسل الحمض النووي الدقيق بكميات كبيرة ثم استخدامه لتعديل الخلية وراثيا باستخدام التعدين. التعداء هو عملية إدخال مادة وراثية ، مثل الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي ، في خلايا الثدييات. عند إجراؤها على الخلايا البكتيرية ، تسمى هذه التقنية التحول. في هذه العملية ، غالبا ما يتم تعقيد الحمض النووي بجزيئات حاملة موجبة الشحنة أو تكثيفه داخل جسيم شحمي موجب الشحنة أو جسيم بوليمر ، مثل البولي إيثيلينيمين. يرتبط المركب موجب الشحنة بغشاء الخلية سالب الشحنة ثم يدخل الخلية عن طريق الالتقام الخلوي ، وهي عملية تدخل من خلالها الجزيئات إلى الخلية عبر الحويصلات المرتبطة بالغشاء تسمى الجسيمات الداخلية. بمجرد دخولها إلى الخلية ، تترك المادة الوراثية الجسيم الداخلي وتدخل في النهاية النواة ، حيث تكون آلية الخلية قادرة على صنع MRNA ثم البروتين منه. الآن بعد أن قدمنا أساسيات البيولوجيا التركيبية ، دعنا نلقي نظرة على بعض تقنيات التعدي الشائعة الاستخدام في المختبر.
التثقيب الكهربائي هو تقنية تتضمن استخدام قطب كهربائي لإنشاء مسام صغيرة في غشاء الخلية ، مما يسمح للحمض النووي بالمرور. أولا ، قاع كل بئر من صفيحة 48 بئر مغطى ب 250 ميكرولتر من الجسم المضاد والمخزن المؤقت بالكالسيوم والمغنيسيوم. ثم يتم تحضين الألواح عند 37 درجة. بعد ذلك ، يتم تحضير الحمض النووي الريبي للتعداد. يتم تقسيم ميكرولتر واحد من محلول مخزون الحمض النووي الريبي في أنبوب طرد مركزي دقيق لكل تعداء منفصل ، مع بقاء الأنابيب على الجليد. ثم يتم غسل الألواح المطلية بالأجسام المضادة بمحلول مؤقت قبل إضافة وسائط الخلية. يتم فصل الخلايا عن قاع آبار زراعة الأنسجة ، وتجميعها في أنبوب طرد مركزي ، وحبيبات ، وإعادة تعليقها. يتم حساب الخلايا وتقييم قابليتها للحياة. بعد ذلك ، يضاف حجم صغير من الخلايا إلى كل حصة من الحمض النووي الريبي. ثم يتم تحميل الخلايا الموجودة في الحمض النووي الريبي في طرف قطب ماصة وإضافة مخزن مؤقت إلكتروليتي إلى كوفيت زجاجي. يتم وضع الكوفيت داخل الحامل ، ويتم وضع قطب الماصة في الكوفيت. يتم تزويد الخلايا بالكهرباء باستخدام جهد نبضي يبلغ حوالي 1500 فولت. بعد اكتمال التثقيب الكهربائي ، يتم خلط الخلايا مع وسائط زراعة الخلايا في لوحة مزرعة وإما استخدامها أو تخزينها.
تقنية أخرى هي طريقة الصدمة الحرارية ، والتي تستخدم الحرارة لإنشاء فتحات في غشاء الخلية. أولا ، يتم تحضير وتعقيم الوسائط المناسبة والأجار. بعد ذلك ، يسكب الأجار المبرد الذي يحتوي على مضاد حيوي في أطباق ويترك ليبرد إلى درجة حرارة الغرفة. بعد ذلك ، يتم ضبط الحمام المائي على 42 درجة مئوية ويتم إذابة الخلايا المختصة كيميائيا على الجليد. يضاف إلى خمسة ميكرولتر من نانوجرام واحد لكل ميكرولتر من البلازميد البارد إلى الخلايا المذابة ويخلط برفق. ثم يتم إرجاع خليط الخلية والبلازما إلى الجليد لمدة 30 دقيقة. بعد هذه الحضانة على الجليد ، يتم وضع خليط الخلية في الحمام المائي لصدمته بالحرارة لمدة 30 ثانية. ثم يتم وضع خليط الخلية والبلازميد على الفور على الثلج وإضافة وسائط جديدة. ثم يوضع خليط الخلية في حاضنة اهتزاز عند 37 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة ، حتى تتمكن الخلايا من التعافي. بعد ذلك ، يتم زراعة الخلايا على ألواح الأجار عن طريق إضافة 20 إلى 200 ميكرولتر من البكتيريا المستنبتة إلى اللوحة ثم نشرها. ثم يتم تحضين الأطباق بين عشية وضحاها. في اليوم التالي ، يجب أن يكون لصفائح الأجار نمو مستعمرة مما يشير إلى أن الخلايا قد أخذت البلازميد. يمكن الآن استخدام هذه المستعمرات لمزيد من التجارب.
الآن بعد أن قدمنا بعض طرق التعداء والتحويل الشائعة ، دعنا نلقي نظرة على بعض تطبيقات هذا المجال الجديد. يمكن استخدام البكتيريا المعدلة وراثيا في التنظيف البيئي مثل تدهور بقايا النفط. باستخدام تقنيات البيولوجيا التركيبية ، يمكن تصميم كائنات مخصصة لتحطيم ملوثات بيئية معينة. قد يؤدي ذلك إلى انخفاض تكاليف التنظيف من طرق التنظيف النموذجية كثيفة العمالة. يمكن أيضا إنشاء أنظمة بيولوجية جزيئية مبنية صناعيا لتشخيص وعلاج أمراض معينة مثل السرطان. يمكن إنشاء هذه الكائنات الحية للاستجابة للتوقيعات المميزة أو الأجسام المضادة للخلايا السرطانية. كما أنها يمكن أن تساعد في علاج الخلايا المصابة عن طريق الاستهداف المبرمج.
لقد شاهدت للتو مقدمة جوف في البيولوجيا التركيبية. يجب أن تكون الآن على دراية بأهداف هذا المجال الجديد وبعض التقنيات المستخدمة لتعزيز الكائنات الحية وإنشائها في النهاية لمكافحة مشاكل العالم الحالية. شكرا للمشاهدة.
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What is the main goal of synthetic biology?
Synthetic biology combines biology and engineering to create or redesign biological entities, organisms, or pathways. The primary objective is to use biology as a tool to create new molecules and organisms, similar to how an electrical engineer builds functional circuits from individual components. Researchers aim to create programmable microorganisms from scratch using individual cell components to solve real-world problems.
Q2: How does transfection differ from transformation in genetic modification?
Transfection is the process of inserting genetic material such as DNA or RNA into mammalian cells. When the same technique is performed on bacterial cells, it is called transformation. Both methods use positively charged carrier molecules or liposomes to deliver genetic material across the negatively charged cell membrane via endocytosis.
Q3: What happens during electroporation in the laboratory?
Electroporation uses an electrode to create tiny pores in the cell membrane, allowing DNA to pass through. Cells and RNA are loaded into a pipette electrode tip with electrolytic buffer in a glass cuvette. A pulsed voltage of approximately 1500 volts is applied to open the membrane temporarily. After electroporation, cells are mixed with culture media and either used or stored for further experimentation.
Q4: What are the key steps in the heat shock method for bacterial transformation?
The heat shock method begins with chemically competent cells thawed on ice and mixed with cold plasmid DNA. The mixture is incubated on ice for 30 minutes, then placed in a 42-degree Celsius water bath for 30 seconds. Cells are immediately returned to ice, fresh media is added, and the mixture is incubated at 37 degrees Celsius for one hour to allow recovery. Cells are then cultured on antibiotic-containing agar plates overnight to identify successful transformants.
Q5: How does DNA sequencing advance synthetic biology research?
DNA sequencing allows researchers to identify specific gene functions in organisms with desirable traits. Once identified, the exact DNA sequence can be synthesized in large amounts and used to genetically modify cells through transfection or transformation. This capability enables scientists to isolate and replicate beneficial genetic information, making it possible to engineer custom organisms for specific applications.
Q6: What are real-world applications of synthetic biology?
Synthetic biology has diverse applications including environmental cleanup, where genetically engineered bacteria break down oil residues and specific pollutants at lower costs than traditional labor-intensive methods. In medicine, synthetically constructed organisms can be engineered to diagnose and treat diseases like cancer by responding to cancer cell signatures and targeting infected cells for treatment. These engineered systems support upstream and downstream bioprocess engineering for scaled production.
Q7: How does genetic material enter the cell during transfection?
During transfection, DNA is complexed with positively charged carrier molecules or condensed within positively charged liposomes or polymer particles such as polyethyleneimine. The positively charged complex attaches to the negatively charged cell membrane and enters via endocytosis, a process using membrane-bound vesicles called endosomes. Once inside, genetic material leaves the endosome and enters the nucleus where cellular machinery produces mRNA and protein.