Molecular Biotechnology for Plant Food Production

Title:    Molecular Biotechnology for Plant Food Production   
Author(s):    Octavio Paredes-Lopez

Publisher:    CRC Press       
  

يتضمن علم الأحياء الجزيئي تحليل ودراسة التنظيم الكيميائي للخلية. تتألف الجزيئات من أصغر مكون كيميائي قادر على أداء جميع الأنشطة (البنيوية أو التحفيزية) للمادة. يتكون كل جزيء من ذرة واحدة أو أكثر. تتألف العديد من الجزيئات من المكونات الخلوية ودون الخلوية المختلفة للكائن الحي. لا تشكل الجزيئات البنية الفيزيائية للكائن الحي فحسب، بل إنها تنقل المعلومات بين الأجزاء المختلفة للخلية. يمكن أن يكون هذا الاتصال نقل المعلومات من الحمض النووي إلى الحمض النووي الريبي وأخيراً إلى البروتين أو التنظيم الدقيق للعمليات الداخلية للخلية. يعتمد هذا الاتصال على تفاعل الجزيئات المختلفة لضمان دقة الرسالة أو التنظيم الخلوي. يصف هذا الفصل التنظيم المادي للخلايا والعضيات الخلوية والجزيئات المهمة في انقسام الخلايا والوراثة وتخليق البروتين ويصف كيفية توصيل المعلومات الوراثية داخل الخلية.

ستقدم هذه الوحدة بعض التجارب الكلاسيكية في علم الأحياء الجزيئي، والتي أدت إلى اكتشاف الحمض النووي كمادة وراثية، وبنية الحمض النووي، والنموذج شبه المحافظ لتضاعف الحمض النووي. سنغطي تضاعف الحمض النووي، وكيف تستخدم الخلية تعليمات الحمض النووي الخاصة بها لإنشاء رسالة الحمض النووي الريبي، ورسالة الحمض النووي الريبي لإنشاء بروتين. كما سيتم مناقشة بعض الاختلافات في الآليات القياسية لتضاعف الحمض النووي، والنسخ والترجمة. أخيرًا، سنغطي بعض المبادئ العامة لتنظيم الجينات.

خلال هذه الوحدة، ستتعرف على تجارب جريفيث، وأفيري، وهيرشي وتشيس، وشارغاف، وواتسون، وكريك، وفرانكلين، وميسلسون وستال. ستكون قادرًا على رسم مخطط للحمض النووي، والتعرف على نهايتي الحمض النووي 5' و3'، والتنبؤ بالاتجاه الذي سيستمر فيه التضاعف. ستكون قادرًا على التنبؤ بالحمض النووي الريبي المرسال الناتج والبروتين الناتج المصنوع من تسلسل الحمض النووي معين. بالإضافة إلى ذلك، سوف تقوم بتحليل تأثيرات طفرة الحمض النووي على الحمض النووي الريبي والبروتين الناتج عن ذلك الحمض النووي. سوف تقارن الاختلافات في تكرار الحمض النووي بين الكروموسومات الدائرية أحادية السلسلة، والدائرية مزدوجة السلسلة، والخطية مزدوجة السلسلة.

بحلول نهاية هذه الوحدة، سوف تفهم النموذج شبه المحافظ لتكرار الحمض النووي وتكون قادرًا على تحديد العمليات والمكونات الأساسية للنسخ والترجمة. سوف تعرف كيف يختلف تكرار جينومات الحمض النووي الكبيرة، وجينومات الحمض النووي الصغيرة، وجينومات الحمض النووي الريبي، وتستكشف كيف يختلف النسخ والترجمة بين بدائيات النوى، وحقيقيات النوى، والفيروسات.

أخيرًا، سوف تفهم الآليات المختلفة التي تعمل معًا لتنظيم أوبيرون لاك، والتمييز بين آليات التنظيم الإيجابية والسلبية، والتنبؤ بالنمط الظاهري الناجم عن الطفرات المختلفة داخل مكونات وسمات التنظيم لأوبرون لاك، وفهم الفائدة التي تعود على الكائن الحي من تنظيم الجينات.

علم الأحياء الجزيئي هو المفتاح لحل مشكلة عمل العمليات البيولوجية في أجسامنا. يشير مصطلح "علم الأحياء الجزيئي" إلى الجزء "الجزيئي" من العالم البيولوجي. بدءًا من الخلايا، وحتى أجهزة الأعضاء، تتم دراسة جميع الكيانات البيولوجية في إطار علم الأحياء الجزيئي. في هذه المقالة، سندرس ماهية علم الأحياء الجزيئي، والموضوعات المهمة في علم الأحياء الجزيئي، ودور عالم الأحياء الجزيئي، وتقنيات علم الأحياء الجزيئي المختلفة، والوظائف في علم الأحياء الجزيئي.

ما هو علم الأحياء الجزيئي؟

علم الأحياء الجزيئي هو دراسة جزيئات الكائنات الحية. العمليات الكيميائية داخل الجسم مسؤولة عن عمل الكائن الحي. تحكم "العقيدة المركزية لعلم الأحياء" عملية الجسم التي تشمل التضاعف والنسخ والترجمة. يرتبط علم الأحياء الجزيئي بالعناصر الأساسية لهذه العمليات وهي الحمض النووي والحمض النووي الريبي والبروتينات. الهدف الرئيسي لعلم الأحياء الجزيئي هو دراسة الهياكل ثلاثية الأبعاد للجزيئات الحيوية. يتم استخدام تقنيات مثل المجهر الإلكتروني وحيود الأشعة السينية للحصول على نموذج مفصل لهياكلها.

ماذا يفعل عالم الأحياء الجزيئية؟

عالم الأحياء الجزيئية هو الشخص الذي يقوم بالبحث في المختبرات حول الإجراءات البيولوجية المختلفة. يستهدف علماء الأحياء الجزيئية الآليات الجزيئية التي تكمن وراء الوظائف البيولوجية المختلفة، مثل التعبير الجيني، والتضاعف، والإشارات الخلوية. ومن التقنيات الأخرى التي يستخدمها علماء الأحياء الجزيئية تفاعل البوليميراز المتسلسل، وتسلسل الحمض النووي، والرحلان الكهربائي للهلام، وعلم البلورات وتقنيات التصوير الأخرى.

تقنيات علم الأحياء الجزيئية

لكي نتمكن من دراسة وفهم هياكل الجزيئات الحيوية، يجب على المرء أن يعرف جميع تقنيات علم الأحياء الجزيئية المتاحة. دعونا نتعمق في بعض التقنيات الرئيسية المستخدمة وهي:

تفاعل البوليميراز المتسلسل

يهدف تفاعل البوليميراز المتسلسل إلى المساعدة في تضخيم الحمض النووي، وإنتاج نسخ متعددة من نفس الحمض النووي. ويستخدم بشكل أساسي في استنساخ الحمض النووي. هناك ثلاث خطوات رئيسية لتفاعل البوليميراز المتسلسل - التحلل، والتلدين، والتمديد. تم تطوير تفاعل البوليميراز المتسلسل بواسطة كاري موليس في الثمانينيات.

تسلسل الحمض النووي

تمتلئ جينومات الكائنات الحية المختلفة بمعلومات هائلة. يتكون جين الكائن الحي من تسلسل الحمض النووي والنوكليوتيدات. يمكن اكتشاف ترتيب تسلسل الحمض النووي من خلال تسلسل الحمض النووي. بعض التقنيات المستخدمة في تسلسل الحمض النووي هي طريقة سانجر وتسلسل الجيل التالي.

تهجين الحمض النووي

تهجين الحمض النووي هو تقنية تشخيص جزيئية تستخدم للكشف عن وجود أو عدم وجود تسلسل حمض نووي معين في العينة. يعمل عن طريق ربط حمضين نوويين متكاملين أحاديي السلسلة، مثل الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي، معًا لتشكيل جزيء هجين مزدوج السلسلة. يتم تسهيل هذه العملية من خلال الاقتران القاعدي التكميلي بين الحمضين النوويين، حيث يقترن الأدينين (A) مع الثايمين (T) ويقترن الجوانين (G) مع السيتوزين (C).*

البروتيوميات

البروتيوميات هي دراسة البروتينات، بما في ذلك بنيتها ووظيفتها وتفاعلاتها داخل الكائن الحي. يتضمن التشخيص الجزيئي باستخدام البروتيوميات تحليل البروتينات لتشخيص الأمراض والحالات. يمكن القيام بذلك من خلال تقنيات مختلفة، بما في ذلك الرحلان الكهربائي للهلام ثنائي الأبعاد، ومطياف الكتلة، والاختبارات القائمة على الأجسام المضادة.

RT-PCR

RT-PCR تعني النسخ العكسي- PCR. في هذا، يخضع الحمض النووي الريبي للنسخ العكسي لتكوين الحمض النووي التكميلي أو الحمض النووي التكميلي. هذه التقنية مفيدة جدًا في دراسة مسببات الأمراض الحمض النووي الريبي، وفيروسات الحمض النووي الريبي والتعبير الجيني. توضح الصورة التالية خطواتها الرئيسية:

استنساخ الحمض النووي

في هذه التقنية، يتم إنشاء نسخ متعددة من تسلسل الحمض النووي. يمكن لأي شخص إنشاء تسلسل الحمض النووي المستهدف المحدد الذي يحتاج إلى التعبير عنه في الجسم. يتم إدخال الحمض النووي المستهدف في ناقل يعمل كحامل. ثم يتم إدخال الناقل في جسم المضيف حيث ينتج نسخًا متعددة من هذا الحمض النووي المعين. يمكن لهذه النواقل أن تتكاثر ذاتيًا ويمكنها التكامل بسهولة مع المضيف.

تحليل المصفوفات الدقيقة

تحليل المصفوفات الدقيقة هو تقنية تشخيص جزيئية تستخدم مصفوفات الحمض النووي الدقيقة، والمعروفة أيضًا باسم شرائح الجينات، لتحليل المعلومات الجينية للشخص. تسمح هذه الطريقة بالكشف والتحليل المتزامن لآلاف الجينات في عينة واحدة. يتم وضع علامة على عينة الحمض النووي بعلامة فلورية ثم تهجينها في المصفوفة الدقيقة. تحتوي المصفوفة الدقيقة على ملايين البقع الصغيرة من الحمض النووي، كل منها يمثل جينًا معينًا.