البيولوجيا الجزيئية

يعنى علم الأحياء الجزيئي بدراسة الهياكل والعمليات الكيميائية للظواهر البيولوجية التي تتطلب بالوحدات الأساسية للحياة والجزيئات.

يركز مجال البيولوجيا الجزيئية بشكل خاص على دراسة الأحماض النووية، مثل الـDNA و RNA، والبروتينات، والجزيئات الكبيرة الضرورية للعمليات الحيوية، وكيفية تفاعل هذه الجزيئات وتصرفها داخل الخلايا.

ظهرت البيولوجيا الجزيئية في الثلاثينيات من القرن العشرين كتطور لمجالات متعددة مثل الكيمياء الحيوية وعلم الوراثة والفيزياء الحيوية، وبالنسبة لليوم، فإنها لا تزال مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بهذه المجالات.

تطور البيولوجيا الجزئية

تم تطوير تقنيات مختلفة في مجال الأحياء الجزيئية، وعلى الرغم من ذلك، فإن الباحثين في هذا المجال قد يستخدمون أيضا أساليب وتقنيات محلية في مجال الوراثة وغيرها من المجالات المرتبطة بشكل وثيق، وبصفة خاصة، يهدف علم الأحياء الجزيئية إلى فهم البنية ثلاثية الأبعاد للجزيئات البيولوجية الكبيرة، باستخدام تقنيات مثل حيود الأشعة السينية والمجهر الإلكتروني.

يهدف النظام بشكل خاص إلى فهم العمليات الجينية على المستوى الجزيئي، حيث يحدد علماء الأحياء الجزيئية موقع الجينات على الكروموسومات ويربطونها بسمات محددة للكائنات الحية. يستخدمون تقنية الهندسة الوراثية لعزل وتسلسل وتعديل جينات محددة.

يمكن أن تتضمن هذه الأساليب أيضاً تقنيات مثل تفاعل سلسلة البلمرة، والنشاف الغربي، وتحليل المصفوفة الدقيقة.

البيولوجيا الجزئية بالأربعينات

وفي الفترة المبكرة خلال الأربعينيات من القرن العشرين ، كان مجال البيولوجيا الجزيئية معنيًا بتوضيح البنية الأساسية ثلاثية الأبعاد للبروتينات ، ومكنت زيادة المعرفة ببنية البروتينات في أوائل الخمسينات من القرن الماضي ، من تكوين حمض الحمض النووي الريبي (DNA) ، المخطط الجيني الموجود في جميع الكائنات الحية ، والذي تم وصفه في عام 1953م.

تمكنت الأبحاث الإضافية العلماء من اكتساب معرفة متزايدة بالحمض النووي وحمض الريبونوكليك (RNA)، فضلاً عن المتواليات الكيميائية داخل هذه المواد التي توجه الخلايا والفيروسات لإنتاج البروتينات.

البيولوجيا الجزئية بالسبعينات

ظلت البيولوجيا الجزيئية علمًا نقيًا مع بعض التطبيقات العملية حتى السبعينيات ، عندما تم اكتشاف أنواع معينة من الإنزيمات التي يمكن أن تقطع ، وإعادة تجميع أجزاء من الحمض النووي في الكروموسومات لبعض البكتيريا ، أصبحت تقنية الحمض النووي المؤتلف الناتجة ، واحدة من أكثر الفروع نشاطًا في علم الأحياء الجزيئي ، لأنها تسمح بمعالجة التسلسل الجيني ، الذي يحدد السمات الأساسية للكائنات الحية.

تقنيات البيولوجيا الجزيئية الشائعة

تغطي القائمة التالية بعض تقنيات البيولوجيا الجزيئية الأكثر استخدامًا، ولا تشمل جميع التقنيات المتاحة.

الرحلان الكهربائي

الرحلان الكهربائي هو عملية تفصل الجزيئات، مثل الحمض النووي والبروتينات، بناء على حجمها، ويشكل الرحلان الكهربائي الأساس في مختبرات البيولوجيا الجزيئية، على الرغم من أن معرفة حجم الجزيء قد لا تبدو معلومة ذات أهمية كبيرة، إلا أنها يمكن استخدامها لتحديد الجزيئات أو أجزاء منها وفحص وجود الجزيء الصحيح.

تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR)

تعتبر تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR) عملية تستخدم لتكبير كميات صغيرة جدا من الحمض النووي، بهدف الحصول على كميات يمكن استخدامها في تجارب إضافية. يستخدم هذا التفاعل كأداة أساسية في علم الأحياء الجزيئي للتحقق من توفر كمية كافية من الحمض النووي لتنفيذ تقنيات أخرى مثل التعديل الوراثي. ومع ذلك، لها استخدامات عملية أوسع في مجالات مثل الطب الشرعي (لتحديد الهوية باستخدام الوصف الجيني) وتشخيص المرض.

يمكن أيضًا استخدام تقنية تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR) لإدخال طفرات صغيرة في نقطة محددة في الجين، في عملية تسمى الطفرات الموجهة للموقع.

ملخص التقييد

يتم تعريف التقييد على أنه عملية قطع الحمض النووي إلى أجزاء أصغر باستخدام الإنزيمات التي تعمل في تسلسل جيني محدد فقط.

الربط

يشير الربط إلى عملية ربط قطعتين من الحمض النووي معًا، ويكون الربط مفيدًا عند إدخال قطعة جديدة من DNA في جينوم آخر.

5- النشاف

النشاف هي تقنية تستخدم لتحديد الجزيئات الحيوية، وتتمثل في تحديد الجزيء المطلوب بعد الرحلان الكهربائي، إما باستخدام مسبار مسمى (حبلا مكمل للحمض النووي)، أو جسم مضاد معروف يتم التعرف عليه ورفعه ضد بروتين معين.

الاستنساخ

الاستنساخ هو إدخال جين جديد إلى الخلية أو الكائن الحي، وذلك لتحديد تأثير تعبير هذا الجين على الكائن الحي، أو لتحويل الكائن إلى مصنع ينتج كميات كبيرة من الجين أو البروتين الذي يرمز له، أو لتحديد موقع تعبير منتجات ذلك الجين في الكائن الحي.

يُطلق على إدخال المادة الوراثية في البكتيريا بالتحول، بينما يُطلق على إدخالها في خلية حقييقة النواة بترانسفيكيشن، وإذا تم استخدام فيروس لإدخال هذه المادة فإن العملية تسمى بالتنبيغ.

تستخدم كلتا هاتين التقنيتين، بالتزامن مع تقنيات أخرى، لمساعدة العلماء في حل سؤال بحث محدد. على سبيل المثال، بعد استخدام تقنية تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR) لإنتاج كميات كبيرة من جين محدد، يمكن للعلماء تسجيل هذا الجين في بلازميد (جزيء حمض نووي دائري قصير يعمل كحامل) وتحليله كهربائيا بسرعة عالية. ثم يتم التأكد من صحة إدخال الجين بشكل صحيح، ومن ثم يستخدم هذا البلازميد لتحويل خلية بكتيرية، وذلك لإنتاج كميات كبيرة من الناقل.

بعد تنقية الناقل من البكتيريا، يتم استخدامه في نقل خلايا الثدييات في المزرعة،ثم يتم استخدام الرحلان الكهربائي والنشاف الغربي لتوضيح تعبير المنتج الجيني.

الفرق بين البيولوجيا الجزيئية والكيمياء الحيوية وعلم الوراثة

يعد علم الأحياء الجزيئي واحدا من أحدث الفروع العلمية والبحث العلمي، والذي يتعامل مع جميع الأنشطة الحيوية على المستوى الجزيئي الأدنى، بالإضافة إلى تداخله وتلاقيه مع مجالات علوم أخرى مثل الكيمياء والبيولوجيا والكيمياء الحيوية وعلم الوراثة.

المجال الرئيسي وجانب أبحاثه هو فهم كيفية تفاعل جميع الأنظمة الخلوية ، ولفهم ذلك ، يجب على المرء أن يفكر من حيث الجسيمات الأكثر أهمية لجميع البشر – DNA ، وبالطبع ، RNA والبروتينات الأخرى ، وجميع وظائفها في التوليف ، ولهذا السبب يصعب التمييز بين الكيمياء الحيوية ، وعلم الوراثة ، والبيولوجيا الجزيئية.

ومع ذلك ، إذا كنت ترغب في تحديد ما يفعله العلماء في هذه المجالات الثلاثة بشكل مستقل ، فيجب ملاحظة أن الكيميائي الحيوي ، يتعامل ويدرس المواد والعمليات الكيميائية التي تحدث في جميع الكائنات الحية ، ويدرسون وظائف وهياكل وأدوار الجزيئات الحيوية ، والتي هي محور التركيز الرئيسي لجميع الكيمياء الحيوية. 

يتركز مجال التركيز الآخر الهام على كيمياء جميع الوظائف الحيوية وتصنيع كل جزيء حيوي يشارك في الكائنات الحية.

ويهتم أخصائي البيولوجيا الجزيئية بجميع الآليات الجزيئية ، التي تقف خلف العمليات البيولوجية المختلفة مثل النسخ والترجمة ووظائف الخلية ، وأساس علم الأحياء الجزيئي ، هو فهم كيفية تحويل الجينات إلى جزيء الحمض النووي الريبي في عملية النسخ ، ثم كيفية ترجمة الحمض النووي الريبي إلى بروتينات.

تم إعادة النظر في هذه العقيدة البسيطة في الوقت الحالي بسبب اكتشافات حديثة تتعلق بالأدوار الحقيقية لـ RNA في الكائنات الحية.

يتعلق علم الوراثة بالجينات وتأثيرها على جميع الكائنات الحية، وتتم دراسة هذه التأثيرات في العادة من خلال دراسة خروج المغلوب، حيث يستخدم الباحثون نماذج مصممة على الحيوانات، ويتم تعديل بعض جيناتهمن أجل إجراء التجارب واختبار النماذج المصممة.

يحاول العلماء نمذجة وتحديد آلية أورام المخ العدوانية ، والمميتة على أجهزة الكمبيوتر، وقد طوروا طريقة جديدة خالية من الملصقات ، تستخدم للكشف عن تضخيم الحمض النووي في الوقت الحقيقي ، وتتطلب هذه الدراسة أن يعمل علماء الأحياء الجزيئية والكيمياء الحيوية وعلم الوراثة والتعاون مع بعضهم البعض.