ما هو تسلسل الحمض النووي
تسلسل الحمض النووي يعني تحديد ترتيب القواعد الكيميائية الأربعة التي تشكل جزيء الحمض النووي، وهذا التسلسل يخبر العلماء عن نوع المعلومات الجينية التي يتم نقلها في جزء معين من الحمض النووي، وباستخدامه يمكن تحديد امتدادات الحمض النووي التي تحتوي على الجينات والتعليمات التنظيمية التي تؤدي إلى تشغيل الجينات أو إيقاف تشغيلها، بالإضافة إلى قدرته على تحديد التغييرات الجينية التي قد تسبب المرض، وهذا أهمية كبرى.
في الحلزون المزدوج للحمض النووي، يرتبط الدائم القواعد الكيميائية الأربعة بنفس الشريك لتشكيل “أزواج قاعدية”، حيث يقترن الأدينين (A) دائما مع الثايمين (T) والسيتوزين (C) يتزاوج دائما مع الجوانين (G)، وهذا الاقتران هو الأساس للآلية التي يتم من خلالها نسخ جزيئات الحمض النووي عندما تنقسم الخلايا، كما أن الاقتران هو الأساس للطرق التي يتم بها إجراء معظم تجارب تسلسل الحمض النووي، ويحتوي الجينوم البشري على حوالي 3 مليار زوج قاعدي يوضح التعليمات الخاصة بتكوين الإنسان والحفاظ عليه.
طرق تسلسل الحمض النووي
- تسلسل سانجر
تم اكتشاف تسلسل سانجر في السبعينيات من قبل الكيميائي الحيوي الإنجليزي فريدريك سانجر، وطريقة سانجر هي طريقة تقليدية لتسلسل الحمض النووي، حيث تستخدم الديديوكسينوكليوتيدات الفلورية (ddNTPs) لمنع إضافة نيوكليوتيد آخر.
في المحاولات الأولى لاستخدام طريقة سانجر، تم تضخيم جزيء الحمض النووي أولاً باستخدام برايمر مُسمى ثم تقسيمه إلى أربعة أنابيب اختبار، كل منها يحتوي على نوع واحد فقط من ddNTP، أي أن كل خليط تفاعل يحتوي على نوع واحد فقط من النيوكليوتيدات المعدلة التي يمكن أن تسبب إنهاء السلسلة، بعد اكتمال التفاعلات الأربعة، سيخضع خليط جزيئات الحمض النووي التي تم إنشاؤها بواسطة إنهاء السلسلة لرحلان كهربائي على هلام بولي أكريلاميد ، ويتم فصلها وفقًا لطولها.
هناك ثلاثة تغييرات رئيسية بالمقارنة مع طريقة سانجر. الأول هو تطوير نظام خال من الخلايا لنسخ شظايا الحمض النووي. في الماضي، تم نسخ الحمض النووي المراد تسلسلته لأول مرة في بلازميد ذو نواة بسيطة وتكراره داخل البكتيريا قبل استخراجه وتنقيته.
- التسلسل المتوازي
تقنيات تسلسل الجيل التالي (NGS) حلت محل تقنية سانجر وتتميز بفعالية التكلفة والإنتاجية العالية والسرعة، ويمكن لـ NGS تحديد ترتيب ملايين الأجزاء في وقت واحد، وتتطلب NGS إنشاء أجزاء صغيرة ثم التسلسل العميق والمعالجة المسبقة للبيانات ومحاذاة التسلسل الحمض النووي والتجميع والتحليل النهائي.
- تسلسل الجيل الثالث
يمكن اكتشاف المزيد من الاختلافات التي لا يمكن ملاحظتها عن طريق تسلسل القراءة القصيرة فقط، باستخدام تسلسل الجيل الثالث، المعروف أيضًا باسم تسلسل القراءة الطويلة.
في النهاية، لا يزال تسلسل سانجر مفيدًا في تحديد تسلسل الامتدادات الطويلة نسبيًا للحمض النووي، خاصةً في الأحجام الصغيرة، ولكن يمكن أن يكون مكلفًا وشاقًا حيث يحتاج إلى عدد كبير من الجزيئات للتسلسل بسرعة.
تطبيقات تقنيات تسلسل الحمض النووي
يتيح تسلسل الحمض النووي الكشف عن المعلومات الجينية المنقولة في جزء محدد من الحمض النووي، أو في جينوم كامل، أو في ميكروبيوم معقد. ويمكن للعلماء استخدام هذه المعلومات في البحث والتطوير
- يتم استخدام تقنية تحديد الجينات والتعليمات التنظيمية الموجودة في جزيء الحمض النووي.
- يمكن فحص تسلسل الحمض النووي للبحث عن السمات المميزة للجينات.
- يمكن مقارنة تسلسل الحمض النووي المتماثل بين كائنات مختلفة لتحليل التطور الذي حدث بين الأنواع أو المجموعات السكانية.
- يمكن لتسلسل الحمض النووي أن يكشف عن التغيرات في الجينات التي قد تسبب المرض.
- تم استخدام تسلسل الحمض النووي في الطب لتشخيص وعلاج الأمراض ودراسة الأوبئة.
- يمتلك التسلسل القدرة على تحقيق ثورة في سلامة الأغذية والزراعة المستدامة، بما في ذلك الصحة الحيوانية والنباتية والعامة، وتحسين الزراعة من خلال تربية النباتات والحيوانات بشكل فعال وتقليل مخاطر انتشار الأمراض.
- بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام تسلسل الحمض النووي لحماية وتحسين البيئة الطبيعية للإنسان والحياة البرية على حد سواء.
هل أحدث تقنيات تسلسل الحمض النووي قيد التطوير
إحدى تقنيات التسلسل الجديدة تتضمن مشاهدة جزيئات بوليميراز الحمض النووي أثناء نسخ الحمض النووي، وهي نفس الجزيئات التي تنتج نسخا جديدة من الحمض النووي في خلايانا، باستخدام كاميرا فيلم ومجهر سريع جدا، ودمج ألوان مختلفة من الأصباغ الساطعة، واحدة لكل من الحروف A وT وC وG، وتوفر هذه الطريقة معلومات مختلفة وقيمة للغاية عما توفره أنظمة الأجهزة الأكثر استخداما.
هناك تقنية جديدة قيد التطوير تتطلب استخدام المسام النانوية لتسلسل الحمض النووي. تشمل هذه التقنية تسلسل الحمض النووي عن طريق المسام النانوية من خلال ثقوب صغيرة جدا في الغشاء. يتم قراءة قواعد الحمض النووي تباعا أثناء مرورها عبر الثقب النانوي، كما يتم تحديد القواعد عن طريق قياس التأثير الذي تحدثه على تدفق الأيونات والتيار الكهربائي عبر المسام.
يوفر استخدام المسام النانوية لتسلسل الحمض النووي العديد من المزايا المحتملة على الطرق الحالية، الهدف هو أن يكون التسلسل أقل تكلفة وأن يتم بشكل أسرع، على عكس طرق التسلسل المستخدمة حاليًا، فإن تسلسل الحمض النووي ذو الثقوب النانوية يعني أنه يمكن للباحثين دراسة نفس الجزيء مرارًا وتكرارًا.
دور التحسينات في تسلسل الحمض النووي لصحة الإنسان
يمكن للباحثين الآن أن يقوموا بمقارنة امتدادات كبيرة من الحمض النووي – مليون قاعدة أو أكثر – لأفراد مختلفين بسرعة وبتكلفة قليلة. يمكن أن توفر هذه المقارنات معلومات هائلة حول دور الوراثة في التعرض للأمراض والاستجابة للتأثيرات البيئية. بالإضافة إلى ذلك، فإن القدرة على تسلسل الجينوم بسرعة وكفاءة وبتكلفة أقل تفتح آفاقا هائلة للتشخيص والعلاج.
بالرغم مما يبعد تسلسل الحمض النووي الروتيني في المستشفيات لعدة سنوات، بدأت بعض المراكز الطبية الكبرى في استخدامه للكشف عن بعض الأمراض وعلاجها، مثل السرطان، حيث يستطيع الأطباء استخدام بيانات التسلسل لتحديد نوع السرطان واتخاذ خيارات العلاج المناسبة، بالإضافة إلى التحكم في نشاط الجينات في أنسجة مختلفة ودور تنظيمها.
يتم استخدام المشاريع الكبيرة المستمرة والمخططة لتسلسل الحمض النووي لفحص تطور الأمراض الشائعة والمعقدة، مثل أمراض القلب والسكري، والأمراض الوراثية التي تسبب التشوهات الجسدية وتأخر النمو وأمراض التمثيل الغذائي.