قیچی مولکولی

جایزه بنیاد شاهزاده آستوریاس سال ۲۰۱۵ به دو پژوهشگر (E. Charpentier , J. Doudna)اعطا شد برای کارشان در رابطه با روش بیوتکنولوژیCRISPR-CAS، تکنیکی که امکان ویرایش ژنوم موجود ات زنده را فراهم می آورد.اما این به چه معنی است؟ چرا چنین نام پیچید ه ای را یدک می کشد؟ و مهمتر از همه چه اتفاقاتی افتاده و در حال وقوع می‌باشد تا بتوان از این تکنیک به عنوان قیچی مولکولی استفاده کرد و چرا این مورد به نظر بسیار از صاحب نظران امید بخش‌ترین تکنیک بیوتکنولوژی در قرن ۲۱ می‌باشد؟

سیستم  CRISPR-CAS

این تکنیک از سیستمی گرفته شده که در آن باکتری برای از کار انداختن ویروس های مهاجم به کار گرفته می شود.و به زبان ساده بر پروسه بریدن و جدا کردن ژن معیوب از ترکیب ژنتیکی سلول دلالت دارد.

سیستم کریسپر در باکتری ها و آرکیا) باکتریهای باستانی (قابل مشاهده است (این موجودات از آن به عنوان مکانیسم دفاعی در برابر حملات ویروس ها و پلاسمیدها استفاده میکنند). این سیستم صرفا موجود در یک یا چند منطقه از ژنوم باکتریها و آرکیا، نخست توسط یک سری از توالی کوتاه DNA  (کمتر از ۳۰ جفت) تشکیل میشوند و دوم آنکه، قطعات دیگر ی از DNA در بین توالی بیان شده وجود دارند که بیشتر دارای منشای ویروسی هستند تا باکتریا یی.

در نهایت، در مجاورت مناطق CRISPR  (بخش هایی از DNA پروکاریوتی (موجودات تک سلولی) که شامل تکرار کوتاه از توالی پایه میباشد)، ژ‌ نها یی ترکیب میشوند که آنزیمشان باعث بریدن DNAمیشود، و ژن‌ها برای انجام این کار به هدایت RNAنشات گرفته از همان مناطق CRISPR  احتیاج دارند.به همین خاطر است که این ژن‌ها CAS-Crispr همراه نامیده میشوند.

نقش آن در طبیعت

این مجموعه، باکتری ها را به سیستم دفاعی در مقابله با ویروس مسلح میکند که در دو مرحله عمل می کند.

در مرحله اول، پس از آنکه برای نخستین بار توسط یک ویروس مورد حمله قرار میگیرد، باکتری آنزیم CAS را با آن ترکیب میکند که DNAعوامل عفونی را به قطعات کوچک برش داده آنها را بین رشته های کوتاه متوالی معرفی می کند.

مسلح بدین طریق، هنگامی که باکتری به ویروس عفو نی آلوده میشود کهDNA آن بعضا در منطقه CRISPR حضور دارند، علاوه بر آنزیم CAیک قطعه RNA با اطلاعات ژنتیک ویروس ترکیب میشود. این RNAبا آنزیم CAS ترکیب میشود و در ابتدا آنها بخاطر خاصیت مکمل توالی نوکلئوتید) (RNA درDNA عامل عفونت به هم متصل می مانند. سپس DNA عامل عفونت از طریق فعالیت آنزیم CAS بریده و از بین می برند.

“قیچی بیوتکنولوژی”

با این حال، این سیستم قدیمی ایمنی منحصر به باکتری به نحوی اصلاح شده است که میتواند با اهداف بیوتکنولوژی در سلولها، و حتی در موجودات زنده یوکاریوتی (موجودات پرسلولی و از جمله خود انسان) که در آن بطور طبیعی وجود ندارد، فعالیت کند.

بطور خاص، آنچه که در این گونه موارد انجام شده است معرفی‌ آنزیم باکتریایی CAS به یوکاریوت ها می‌باشد اما به عوض پیوند زدن به بخش های ویروسی RNA ، آنها به قطعات RNA مربوط به رشته های مکمل ژن یا ژنهایی که بنا است دستکاری شود، پیوند داده میشود. این ساختار های مصنوعی معطوف بر ژن های یوکاریوتی در ابتدا توسط برش آنها و سپس اجازه دادن آنها به جابجایی با دیگر موارد مورد نظر فعال میشوند. آنزیم‌ هایی نیز که برای ترمیم DNAدر سلول های یوکاریوتی وجود دارند در اینجا دوباره نقشی ایفا می کنند.

بنابر این چیزی بدست میاید که در راه رسیدن به آن تلاش ناموفق بسیارشده است:ویرایش ژنوم موجودات پرسلولی.

استفاده از این تکنولوژی چشم انداز قابل توجهی را در بسیاری زمینه ها فراهم میاورد از تحقیقات پایه پزشکی‌گرفته، تا دامداری و کشاورزی.در واقع امکان استفاده از این تکنولوژی برای معالجه یک بیماری استحاله عضلانی در موجودات زنده (موش)، بتازگی نمایش داده شده است. امکان ویرایش ژنوم جنین دارای بیماری ژنتیکی نیز افزایش پیدا کرده است.

اما ویرایش احتمالی‌ ژنوم یوکاریوتی و ژن ها با برش و جایگزینی به کمک سیستم CRISPR-CAS این نقطه ضعف را به همراه دارد که چنین تغییر اتی‌  موروثی و غیر قابل برگشت هستند، که مخصوصا در مواردی چون جنین، بحثهای اخلاقی، بیولوژیکی و اجتماعی را به میان آورده است.

فراتر از “قیچی”

برای جلوگیری از این مشکلات، اولین چیزی که در حال انجام است غیر فعال کردن منطقه ای از آنزیم CAS است با استفاده از برش DNA ، به عبارت دیگر فعالیت آنها به عنوان قیچی مولکولی بردا شته می شود. و به اصطلاح deadCAS ( یا CAS مرده) و یا از نظر عملکرد DNA آنها CAS خاموش بدست می آید. بنابر این به نظر می‌رسد آنها وظیفه خود را در اتصال به DNAحفظ می کنند.

در پایان، ساز بیوتکنولوژی به دست میاید که این امکان را فراهم میاورد تا ژنهای ارگانیسم یوکاریوتی یا سلولها در روشی هدفمند و بدون نیاز به قطع و حذف آنها، فعال یا غیر فعال گردند. و بدین شیوه میتوان به اهدافی همچون بدست آوردن ارگانیسم مورد نظر‌در کشاورزی و دامداری، یا درمان بیماری در انسان دست یافت.

بعد از اینکه همه این مشکلات به نحوی حل شد که dCAS  بتواند بدون حامل به ژ‌ن یوکاریوتی دسترسی‌ پیدا کند (در حال حاضر از آدنوویروس ها به عنوان حامل استفاده میشوند) و در نتیجه ژن‌های هدف یا فعال شده یا دچار خاموشی پایدار شوند، این تغییرات در CRISPR-CAS میتواند به یک ابزار بیوتکنولوژی، قدرتمندتر از آنچه که تا به حال برای تحقیقات پایه و کاربردی بوده است، تبدیل شود.

این سیستم به دانشمندان امکان می دهد تا با دقتی بی سابقه، هر ژنی را در هر کدام از ۲۳ کروموزوم انسان تغییر دهند، بدون اینکه به جهش ژنتیکی نیاز باشد.

سیستم کریسپر را می‌توان مثل قیچی جراحی برای ویرایش ژن انسان به کار گرفت، ژنی را که ایجاد بیماری کرده برید و جدا کرد و به جای آن ژن سالم نشاند.