التحول البكتري

تحول بكتري

Bacterial transformation -

التحول البكتري

لمحة تاريخية

طرائق التحول البكتري وآلياته

طرائق طبيعية

 طرائق صنعية

أمثلة عن التحول البكتري

التحول البكتري أو الاستحالة bacterial transformation هو تعديل وراثي للبكتريا ناتج من دخول الدنا DNA من مصادر مختلفة واندماجها في مورثات الخلية البكترية ومن ثم التعبير عنها. ويحدث التحول طبيعياً عند بعض الأنواع البكترية، ويمكن أن يجري صنعياً عند خلايا أخرى. ولحدوث التحول لا بدّ للبكتريا من أن تكون بحالة قابلة لحدوثه؛ كالوقت المناسب والظروف المحيطة مثل الكثافة العددية أو التجويع، كما يمكن إيجاد الظروف المناسبة للتحول الصنعي. يكون التحول البكتري بالاقتران conjugation (ينتقل الـدنا DNA من خلية بكترية مانحة donor إلى أخرى متلقية recipient بوساطة اتصال مباشر تسهم فيه الأشعار الجنسية sex pili)، أو التنبيغ transduction (انتقال مواد وراثية من خلية بكترية إلى أخرى بوساطة العاثية البكترية bacteriophage)، أو الاستحالة transformation (العبور الحر لقطع من الدنا من وسط سائل إلى الخلية البكترية).

وتُستخدم البكتريا المحولة لانتساخ جينات تدخل في خلايا النبات والحيوان وتعديلها للحصول على كائنات لها صفات جديدة. كما تُستخدم في تجارب الهندسة الوراثية genetic engineering؛ لكونها تتصف بسرعة التكاثر وسهولة الحصول على مجتمع متطابق وراثياً خلال وقت قصير، ويمكن أن تُحل ويُستخرج منها الدنا DNA في زمن قصير. كما يمكن للبكتريا أن تُستخدم لإنتاج بروتينات غير بكترية مثل البروتينات المستخدمة في اللقاحات التي يستعاض بها من استخدام المُمرِضات الميتة أو المضعفة.

لمحة تاريخية:

اكتشف أولى عمليات التحول العالم البريطاني فريدرِك غريفث Frederick Griffith عام 1928 الذي وجد أن عزلات غير مُمرضة من بكتريا Streptococcus pneumoniae تصبح مُمرضة عند تعرضها لبكتريا مُمرضة ميتة. وضع فريدريك فرضيته بأن ثمة انتقالاً ما حدث من البكتريا الممرضة الميتة إلى البكتريا غير الممرضة الحية ( العبور الحر). وفي عام 1944 استطاع أُسوالد آفري Oswald Avery ورفاقه بيان أن هذا التحول في البكتريا سببه وراثي؛ إذ قاموا بعزل الدنا من عزلة ممرضة من بكتريا S. pneumoniae ونقله إلى عزلة غير ممرضة فأصبحت ممرضة. وهذا ما أُطلق عليه –لاحقاً- التحول transformation. استقبل هذه النتائج بالتشكيك جمهور العلماء، ولم تلقَ قبولاً حتى اكتشاف الواسمات الوراثية genetic markers وطرائق أخرى للنقل الوراثي كالاقتران عام 1947 والتنبيغ بوساطة العاثية البكترية من قبل جوشوا ليدربيرغ Joshua Lederberg عام 1953.

اعتُقد -سابقاً- أن بكتريا الإشريكية القولونية Escherichia coli المستخدمة كثيراً بالتجارب المخبرية مقاومة للنقل الوراثي حتى عام 1970؛ إذ تبين أنه يمكن تحريضها على استقبال دنا DNA العاثية البكترية من دون الحاجة إلى استخدام العاثية المساعدة helper phage بمعاملة البكتريا بكلوريد الكلسيوم. وفي عام 1972 بيَّن ستانلي كوهين Stanley Cohen ورفاقه أن معاملة البكتريا بكلوريد الكلسيوم فعالة لنقل بلاسميد الدنا DNA. واكتُشفت التحريض الصنعي لبكتريا الإشريكية القولونية، ووُضِعت طريقة مناسبة وفعالة لتحوّل البكتريا وتطبيق طريقة التنسيل الجزيئي molecular cloning المستخدمة حالياً -على نطاق واسع- في أبحاث التقانة الحيوية. وفي عام 1980 تطورت طرائق التحول باستخدام طريقة الاختراق الكهربائي electroporation (إدخال الحمض النووي في البكتريا باستخدام نبضات كهربائية لفتح ثقوب في الغشاء الخلوي) التي أدت إلى زيادة فعالية التحول في المختبر وعدد العزلات التي يمكن تحويلها.

في عام 1970 اكتُشف أن تشكل الأورام الذي تسببه بكتريا الأجرعية المورمة Agrobacterium tumefaciens ينتج من البلاسميد المحرّض للأورام سمي البلاسميد تي- آي Ti plasmid، وبإزالة الجينات من على البلاسميد التي تسبب الأورام والاستبدال بهذه الجينات جينات مرغوب في إدخالها للنبات؛ تُجنَّب الإصابة بالأورام. لكن ليس كل النباتات قابلة للإصابة بهذه البكتريا، لذلك أوجدت طرائق أخرى لنقل الجينات كالاختراق الكهربائي والحقن الدقيق micro-injection أو مسدس الجينات gene gun (في الهندسة الوراثية، يُعدّ المسدس الجيني أداة تُستخدم لتوصيل الحمض النووي أو الجينات المحورة للخلايا).

طرائق التحول البكتري وآلياته:

1- طرائق طبيعية:

أ- العبور الحر transformation: وهي انتقال قطع الدنا من الوسط المحيط بالبكتريا إلى الخلية البكترية، وتتصف بأنهاعملية معقدة؛ لأنها تتطلب تفعيل أكثر من 40 جيناً، ولكي تستطيع البكتريا استقبال الدنا الغريب ودمجه في صبغي البكتريا المستقبلة لابد أن تكون مهيأة؛ وذلك بدخولها عمليات فيزيولوجية كثيرة. وتتهيأ البكتريا لعملية التحول بزيادة كثافتها في نهاية مرحلة النمو الأعظمي أو الثبات من منحني النمو، ويجب أن يكون مصدر الدنا المنقول من بكتريا أخرى يتبع النوع نفسه وأن يكون مماثلاً لما هو موجود في البكتريا المستقبلة. ينتشر الدنا DNA الحر في الوسط نتيجة موت بعض الخلايا البكترية وتحللها، فيتحرر الدنا منها، ومن ثمَّ يرتبط بجدار الخلية البكترية المهيأة للتحول في مواقع استقبال خاصة receptor، ثم يجتاز الجدار الخلوي والغشاء السيتوبلاسمي؛ إذ ترتبط سلسلة واحدة من قطعة الدنا بالصبغي، والقطعة الثانية تتحلل بوساطة إنزيم النوكلياز nucleases (الشكل1).

الشكل (1) التحول البكتري بالعبور الحر للدنا.

ب- الاقتران conjugation: انتقال البلاسميد بين الخلايا البكترية بالاحتكاك المباشر أو عبر ما يشبه جسور الاتصال (Pilli)، ويُنظر إلى ذلك على أنه نوع من التكاثر الجنسي بين الخلايا البكترية؛ إذ تحتوي البكتريا المعطية على بلاسميد يسمى بلاسميد الإخصاب F-plasmid، يحتوي على جينات الخصوبة fertility factor، والخلية البكترية التي تحتوي على هذا البلاسميد يرمز إليها بـ F+، والخلية التي تفتقر إليه يرمز إليها بـ F-؛ وهي الخلية المستقبِلة. تعمل جسور الاتصال على اتصال خليتين بكتريَّتين المعطية والمستقبلة، يجري بعدها قطع إحدى سلسلتي بلاسميد F ثم انتقال السلسلة إلى الخلية المستقبلة. تستكمل كلُّ خلية منهما السلسلة المتمّمة، وبذلك يصبح في كلِّ خلية بلاسميد F، وتشكل الخلية المستقبلة جسور اتصال (الشكل 2).

الشكل (2) مخطط التزاوج أو الاقتران البكتري: 1- الخلية المعطية تحتوي على بلاسميد F وجسر الانتقال الوراثي؛ على حين أن الخلية المستقبلة تفتقر إليهما. 2- جسر الانتقال الوراثي يتصل بالخلية المستقبلة، ويعمل على شد الخليتين إحداهما باتجاه الأخرى. 3- قطع إحدى سلسلتي بلاسميد F ثم بدء انتقال السلسلة إلى الخلية المستقبلة. 4- كلتا الخليتَين تتمِّم السلسلة المقابلة من البلاسميد، وتشكل جسور انتقال، فتصبح كلتا الخليتَين معطيتين.

يندمج البلاسميد F عند بعض الخلايا البكترية، بصبغيها ثم ينفصل عنها حاملاً معه بعض جيناتها، توصف هذه الخلايا بأنها تعطي تواتراً عالياً من التأشيبHigh-frequency recombination (Hfr) (الشكل 3)، وعند انتقال هذا البلاسميد إلى خلية مستقبلة ينقل إليها تلك الجينات (الشكل 4).

الشكل (3) مخطط يوضح اندماج بلاسميد عامل الإخصاب F مع صبغي البكتريا F+ ليحولها إلى Hfr.

الشكل (4) اقتران بين بكتريا معطية Hfr وبكتريا آخذة F- والحصول على نتائج مؤشبة.

جـ - الانتقال الوراثي من طريق العاثيات (التنبيغ): وهي عملية نقل جينات من خلية بكترية إلى أخرى بوساطة الفيروسات أو نقل دنا غريب إلى الخلية بوساطة ناقل هو الفيروس؛ ويجري ذلك من خلال دورتي تضاعف الفيروس:

• الدورة الانحلالية lytic cycle: تقوم بها العاثِيَة المُفَوَّعَة virulent؛ إذ يحقن الفيروس حمضه النووي داخل الخلية البكترية، ويوجهها إلى نسخ حمضه النووي ومن ثم تكوين أعداد كبيرة من الفيروسات؛ وهذا يؤدي إلى انفجار الخلية البكترية وخروج الفيروسات منها. وفي أثناء تضاعف الفيروس قد يؤدي -وعلى نحو عشوائي- إلى حمل جزء من دنا DNA الخلية البكترية ضمن معطفه البروتيني capsid بدلاً من حمضه النووي، وعند التصاق العاثية بخلية بكترية أخرى يحقن هذا الحمض النووي فيها، ويصبح جزءاً من مورثاتها، يُدعَى هذا النقل الوراثي بالتنبيغ الفيروسي العام generalized transduction.
• الدورة الاندماجية lysogenic cycle: تتميز باندماج الحمض النووي الفيروسي ضمن صبغي الخلية البكترية، ويبقى ملازماً له لدى تضاعف البكتريا، وينتقل إلى البكتريا الجديدة، يُدعَى هذا الحمض النووي بـطليعة العاثية prophage. وعند تعرض البكتريا لظروف معيّنة كالأشعة فوق البنفسجية أو عوامل كيميائية فإنه يمكن أن يحرر طليعة العاثية من صبغي البكتريا ويتضاعف فيها ويدخل الدورة الانحلالية. تُدعى العاثيات التي تتضاعف مستخدمةً الطريقتين الانحلالية lytic والاندماجية lysogenic بالعاثية المعتدلة phages temperate. ولدى انفصال صبغي الفيروس عن صبغي البكتريا فإنه قد يحمل معه جزءاً من جينات البكتريا، وينقلها إلى خلية بكترية أخرى عند إصابتها، ولا يكون هذا النقل إلا لجينات قريبة من موقع طليعة العاثية على الصبغي. يُدعى هذا النقل الوراثي بالتنبيغ المتخصص specialized transduction (الشكل 5).

الشكل (5) دورتا تضاعف العاثية: الدورة الانحلالية والدورة الاندماجية.

  2- طرائق صنعية: هناك عدة طرائق تُستخدم في مجال الهندسة الوراثية أهمها:

أ- طريقة البلاسميد: البلاسميد هو قطعة صغيرة من الدنا حلقية مستقلة عن صبغي البكتريا. في هذه الطريقة يُقطع البلاسميد بأحد إنزيمات القطع الداخلية التي تقطع الدنا في مكان محدد، ويُستخدام الإنزيم نفسه لقطع الجين المطلوب نقله، وهذا يسمح بتكوين نهايات قابلة للارتباط مرة أخرى. بعد ذلك توضع قطع البلاسميد والجين المطلوب نقله في أنبوب واحد مع إنزيمات تساعد على ارتباط قطع الدنا المقطوعة، فتشكل قطعة واحدة حلقية، ثم يُوضع البلاسميد المأشوب مع بكتريا حية في وسط سائل حيث يدخل هذا البلاسميد داخل الخلية البكترية، ولتسهيل ذلك تُعامَل البكتريا بكلوريد الكلسيوم سلفاً فتزيد نسبة دخول نسخ البلاسميد في داخل البكتريا. ولتمييز خلايا البكتريا التي استقبلت البلاسميد من التي لم تستقبله يُضاف عادة جين مقاوم للمضادات الحيوية (الصادات) إلى البلاسميد إضافة إلى الجين المرغوب نقله، حيث تُنمَّى البكتريا على وسط يحتوي على المضاد الحيوي، فتنمو فقط خلايا البكتريا التي تحتوي على جين المقاوم للمضاد الحيوي والجين المطلوب.

ب- طريقة الناقل: وهي مشابهة لطريقة البلاسميد إلا أنه في هذه الطريقة يُستخدم الفيروس ناقلاً للجين المرغوب نقله -كالطريقة السابقة- فيُقطع دنا كلٍّ من الفيروس والجين المراد نقله بالإنزيم نفسه، ثم يُربط أحدهما بالآخر، ولكن يجري قبل هذه المرحلة قطع جين الفوعة ونزعه من الفيروس، وعند الانتهاء من تكوين الجين الجديد يدخل في البكتريا بوساطة العاثية الذي يسمح بإدخاله في جين الخلية البكترية، والذي يبدأ بالتعبير عن نفسه بإنتاجه لبروتينات معينة أو صفات أخرى مرغوبة. ولتمييز البكتريا المعدلة وراثياً يضاف إلى الجين المنقول جين مقاوم للمضادات الحيوية.

ج - الاختراق الكهربائي: تُوضع البكتريا بهذه الطريقة والبلاسميد الحامل للجين المرغوب إدخاله للخلية البكترية في وعاء خاص، ثم يُطبَّق عليهما كمون كهربائي عالٍ (مئات الفولطات)؛ فيسمح بدخول البلاسميد داخل الخلايا البكترية، وبعد مدة من الحضن التي تسمح للبكتريا بالتضاعف تُنتخب البكتريا الحاملة للجين الجديد بزراعتها على أوساط مغذية تحتوي على مضاد حيوي؛ إذ تنمو فقط البكتريا الحاملة للجين المرغوب وجين مقاوم للمضادات الحيوية.

أمثلة عن التحول البكتري:

1- التنسيل الجيني genetic cloning: يُضاعف البلاسميد الحامل للجين المرغوب إلى أعداد كبيرة قبل نقله إلى المضيف المراد تحويله؛ ويكون ذلك داخل بكتريا مثل الإشريكية القولونية؛ وذلك لسهولة تنميتها على الأوساط الغذائية وسرعة تضاعفها، حيث يُدخل البلاسميد الحامل للجين بطرائق النقل المختلفة، ومن ثمَّ تُنتخب المستعمرات البكترية التي تحمل الجين المرغوب بتنميته على وسط مغذٍّ يحتوي على مضاد حيوي. تتكاثر المستعمرات المنتخبة على وسط غذائي، فتنتج أعداد كبيرة من الجين الذي يُستخلص؛ ليُدخل في الكائن الحي المراد تحويله (الشكل 6).

الشكل ( 6) يوضح استنساخ الجين: 1- عملية إدخال قطعة من الدنا في بلاسميد. 2- إدخال البلاسميد في الخلية البكترية 3- تضاعف البلاسميد في البكتريا 4- انتخاب الخلايا البكترية الحاملة للبلاسميد الناقل 5- التأكد من البكتريا المنتخبة باحتوائها على الجين المطلوب إكثاره.

2- استخدم العلماء بكتريا معدلة وراثياً لحماية نباتات الفريز من أضرار الصقيع (الشكل 7)؛ إذ إن البكتريا Pseudomonas syringae توجد طبيعياً على الفريز وعلى كثير من النباتات التي تنتج بروتينات تحرض على تشكل البلورات الجليدية عند انخفاض درجات الحرارة إلى درجة التجمد. في البكتريا المعدلة وراثياً يُنزع الجين الذي يشفر عملية إنتاج هذا البروتين ICE+، وبغياب هذا البروتين فإن البلورات الجليدية لا تتشكل إلا إذا انخفضت درجات الحرارة كثيراً دون درجة التجمد.

الشكل (7) أعراض الصقيع على النبات.

3- إنتاج الإنسولين من البكتريا المحولة وراثياً: يتكون الإنسولين من سلسلتين بروتينيَّتين
و متصلتين إحداهما بالأخرى بوساطة جسور من الكبريت. يجري إدخال قطعتين اصطناعيَّتين من الدنا، تم تكوينهما من الحمض الريبي النووي المرسال messenger RiboNucleic Acid (mRNA) الموجود في خلايا البنكرياس، ترمزان إلى السلسلتَين البروتينيَّتين في بلاسميدَين، ثم يدخل كلُّ بلاسميد منهما- وعلى نحو منفصل- في بكتريا الإشريكية القولونية التي تنتج كلٌّ منهما سلسلة من سلسلتي الإنسولين فتُنقيان من المزرعة البكترية، ثم تُربط إحداهما بالأخرى لتكوين الإنسولين الكامل (الشكل 8).

الشكل (8) مراحل إنتاج الإنسولين من البكتريا بعد تعديلها وراثياً.

محمود أبو غرة

التصنيف : العلوم والتقانات الزراعية والغذائية

النوع : العلوم والتقانات الزراعية والغذائية

المجلد: المجلد السابع

رقم الصفحة ضمن المجلد :

آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية