تسلسل الحمض النووي: التعريف، الأهمية، التقنيات، حقائق والمزيد

تسلسل الحمض النووي والحمض النووي (DNA)

 الحمض النووي (DNA) هو جزيء يحتوي على المعلومات الوراثية التي يحتاجها الكائن الحي للتطور والعيش والتكاثر. هذه التعليمات موجودة داخل كل خلية، ويتم تمريرها من الآباء إلى أطفالهم.

تركيب الحمض النووي

الحمض النووي يتكون من جزيئات تسمى النيوكليوتيدات. كل نوكليوتيد يحتوي على مجموعة فوسفات، ومجموعة من السكر وقاعدة النيتروجين. والأنواع الأربعة من قواعد النيتروجين هي الأدينين (A)، الثيمين (T)، الجوانين(G) والسيتوسين (C).ترتيب هذه القواعد النيتروجينية هو ما يحدد تعليمات الحمض النووي، أو الشفرة الوراثية.

يُمكنك قراءة مقالتنا السابقة، لمزيد من المعلومات عن الحمض النووي.

في هذا المقال سنتحدث عن تسلسل الحمض النووي وكيف يتم وما أهميته ووبعض الحقائق المدهشة عنه.

 ما المقصود بتسلسل الحمض النووي؟

تسمى تقنية المختبر التي تستخدم لتحديد ترتيب اللبنات الكيميائية الأربعة – التي تسمى “القواعد النيتروجينية” – التي تشكل جزيء الحمض النووي ب “تسلسل الحمض النووي”. التسلسل يخبر العلماء عن نوع المعلومات الجينية التي يتم حملها في جزء معين من الحمض النووي.

لفهم تسلسل الحمض النووي، يجب أن تعلم أن:

في التركيب اللولبي المزدوج للحمض النووي، ترتبط القواعد الكيميائية الأربع دائمًا مع نفس الشريك لتشكيل “أزواج قاعدة”. أدينين (A) تقترن دائما مع thymine (T); cytosine (C) دائما تقترن مع جوانين (G).

هذا الإقتران هو أساس الآلية التي يتم من خلالها نسخ جزيئات الحمض النووي عندما تنقسم الخلايا ، والإقتران  أيضًا هو الاساسي في تحديد الطرق التي يتم بها معظم تجارب تسلسل الحمض النووي. الجينوم البشري يحتوي على حوالي 3 مليارات زوج قاعدة توضح التعليمات المسؤلة عن تكوين وصيانة الإنسان.

تقنيات تسلسل الحمض النووي

الآن سنناقش كيف يحدث تسلسل الحمض النووي في المختبر؟ أو بصيغة أخرى “كيف يمكننا معرفة التتابع النيوكليوتيدي للحمض النووي”

 هناك نوعان رئيسيان من تسلسل الحمض النووي: –

 طريقة سانجر(Sanger Method)

طريقة السلسلة الطرفية وهي الطريقة الأقدم الكلاسيكية. فيها، يتم نسخ الحمض النووي المستهدف عدة مرات، مما يكون أجزاء من الحمض النووي ذات أطوال مختلفة. تحدد النيوكليوتيدات الفلورية “طرفية السلسلة” نهايات الأجزاء وتسمح بتحديد التسلسل ، كما هو موضح في المخططط التالي:

خطوات طريقة سانجر

تقنيات تسلسل الجيل التالي ( NGS ).

وهي الطرق الأحدث التي يمكنها معالجة عدد كبير من جزيئات الحمض النووي بسرعة تُسمى تقنيات التسلسل عالي الإنتاجية (HTS) أو أساليب تسلسل الجيل التالي (NGS).

يحدث تسلسل الجيل التالي كما هو موضح في المخطط :

هناك مجموعة متنوعة من تقنيات التسلسل من الجيل التالي التي تستخدم طُرق مختلفة. ومع ذلك ، يشترك معظمهم في مجموعة من المميزات التي تميزهم عن تسلسل Sanger مثل:

  • متوازي للغاية: تحدث العديد من تفاعلات التسلسل في نفس الوقت.
  • المقياس الجزئي: تكون التفاعلات صغيرة ويمكن إجراء العديد منها مرة واحدة على شريحة.
  • سريع: لأن التفاعلات تتم بالتوازي ، تكون النتائج جاهزة بشكل أسرع.
  • تكلفة منخفضة: ترتيب الجينوم أرخص من تسلسل سانجر.
  • طول أقصر: تتراوح القراءات عادةً بين 505050-700700700 نيوكليوتيدات في الطول.

في المقابل، يمكننا المقارنة بين طريقة تسلسل Sanger وطرق تسلسل الجيل التالي (NGS) على النحو التالي:

Comparison between Sanger methos and NGS

 

 

Sanger V.S NGS

يمكن استخدام طرق أخرى في تسلسل الحمض النووي مثل:

تسلسل الجينوم الكامل

   يقصد به عملية تحديد تسلسل الحمض النووي الكامل لجينوم الكائن الحي في وقت واحد. وهذا يستلزم تسلسل كل الحمض النووي الصبغي للكائن الحي وكذلك الحمض النووي الموجود في الميتوكوندريا ، وبالنسبة للنباتات في البلاستيدات الخضراء. في الممارسة العملية ، تُعتبر تسلسلات الجينوم شبه الكاملة أيضًا تسلسلات جينوم كاملة.

تسلسل الجينوم الكامل

مجموعات إعداد مكتبة Nextera DNA

إنه يوفر سير عمل سريعًا وسهلاً ، مما يتيح إنشاء مكتبات جاهزة للتسلسل في أقل من 90 دقيقة ، مع أقل من 15 دقيقة من وقت التدريب العملي. العينات المحضرة باستخدام مجموعات Nextera متوافقة مع جميع أجهزة التسلسل من Illumina. باستخدام تقنية Nextera ، يتم تجزئة الحمض النووي ووسمها في وقت واحد باستخدام محولات التسلسل في خطوة واحدة ، باستخدام معدات المختبر القياسية. وهومثالي للعينات الثمينة المتوفرة بكميات محدودة، يتطلب البروتوكول إدخال 50 نانوغرام فقط من الحمض النووي.

أهمية تسلسل الحمض النووي

أهمية تسلسل الحمض النووي

لماذا تعتبر معلومات تسلسل الحمض النووي مهمة للعلماء؟

 تعتبر معلومات تسلسل الحمض النووي مهمة للعلماء الذين يبحثون في وظائف الجينات ، ويمكن تطبيق فهم تسلسل الحمض النووي في أماكن مختلفة :

  • تسلسل الحمض النووي يُشكل الآن أساس البحث البيولوجي ويتم تطبيقه في التكنولوجيا الحيوية وعلم الأحياء الجنائي وعلم الفيروسات والتشخيصات الطبية.
  • الباحثون قادرون بالفعل على استخدام نتائج تسلسل الحمض النووي لمقارنة أطوال الحمض النووي الطويلة. في بعض الحالات ، قد يشمل ذلك النظر إلى أجزاء من أكثر من مليون قاعدة لمقارنة الاختلافات في التسلسل. يمكن أن تكشف هذه المعلومات عن معلومات مهمة حول دور أنماط معينة من الحمض النووي وقابلية التعرض للحالات الصحية أو الاستجابة للعلاج الطبي.
  • يظل الاستخدام الروتيني لتسلسل الحمض النووي كأداة تشخيصية احتمالًا للمستقبل ، ولكن هناك بعض الطرق التي يتم بها استخدام التسلسل بالفعل للأغراض الطبية. على سبيل المثال ، يُستخدم تسلسل الحمض النووي حاليًا لمرضى السرطان للمساعدة في تحديد نوع السرطان الموجود، مما يوجه قرارات العلاج للمريض. يتم حاليًا تطوير طرق مماثلة للحالات الصحية الأخرى التي من المحتمل أن يكون لها عنصر وراثي ، مثل أمراض القلب والأوعية الدموية والسكري.
  • في علم الأحياء الجزيئي ، أصبح تسلسل الحمض النووي الآن جزءًا لا يتجزأ من معظم المختبرات البيولوجية. يتم استخدامه للتحقق من نتائج اختبارات الاستنساخ لفهم تأثير جينات معينة.
  •   في العلاج الجيني وأنظمة التحكم للأدوية من خلال استبدال الجينات المعيبة لبعض الأمراض.

تجربة المختبر الافتراضي لمعرفة التتابع النيوكليوتيدي للحمض النووي من معامل براكسيلابس

براكسيلابس

تقدم براكسيلابس المختبر الافتراضي لمعرفة تسلسل الحمض النووي للطلاب والمعلمين والباحثين، جربه الآن

  • تُجرى التجربة لاكتشاف تسلسل الحمض النووي في عينة.
  •  تعتمد على: –

طريقة تسلسل الجينوم الكامل (WGS)

طريقة تسلسل الجيل التالي (NGS)

مجموعات إعداد مكتبة Nextera DNA

  • الخلفية النظرية

يتم استخراج الحمض النووي وتتم تنقيته قبل التسلسل. ثم تتم معالجة بعض من هذا الحمض النووي لإعداد المكتبة.المكتبة عبارة عن مجموعة من أجزاء الحمض النووي ذات الحجم المتشابه مع المحولات المرفقة.

أثناء التحضير للمكتبة ، يخضع الحمض النووي أولاً للترميز، حيث يتم تجزئة الحمض النووي في وقت واحد ووسمه مع محولات باستخدام إنزيم يسمى ترانسبوزيز(Transposase). تستطيع الترانسبوزونات(Transposons )قطع الحمض النووي وإدخال جزء منه (تسلسل المحول). بعد ربط المحولات ، يتم تنظيف الحمض النووي من الترانسبوزنات الزائدة ومضاعفتها وتضخيمها باستخدام PCR.

أثناء تفاعل البوليميراز المتسلسل ، يتم أيضًا إضافة أشكال إضافية ، مثل مؤشرات مواقع الربط التمهيدي المتسلسل والمناطق المكملة لخلايا التدفق.يتم بعد ذلك تنظيف المكتبات باستخدام خرز AMPure XP ، والتي توفر أيضًا ميزة اختيار الحجم. ويلي ذلك القياس الكمي ، باستخدام مقايسة Qubit الفلورية والتطبيع.

يحدث التجميع والتسلسل في خلية التدفق. خلية التدفق هي عبارة عن زجاج متعدد الطبقات به آبار نانوية مطلية بنوعين من قليل النيوكليوتيدات (oligos) على السطح.

نظرة عامة على الخطوات:

أ. تنقية الحمض النووي المستخرج باستخدام ExoSAP-IT

ب. بناء المكتبة (تسلسلات الحمض النووي ذات الحجم المماثل مع تسلسلات المحولات المعروفة المضافة إلى طرفي 5 و 3)

  1. توصيف الحمض النووي (تجزئة + ربط محول).
  2. تنظيف الحمض النووي الموسوم.
  3. تضخيم الحمض النووي الموسوم وإضافة محولات الفهرس باستخدام 5 دورات PCR.
  4. تنظيف المكتبة واختيار الحجم (باستخدام خرز AMPure).
  5. تطبيع المكتبة وتجميعها.
  6. تغيير طبيعة المكتبات وتخفيفها و PhiX Control للتسلسل.

ج. التعامل مع الأجزاء وخلية التدفق.

د. تشغيل التسلسل.

 

فيديو توضيحي لخطوات تسلسل الحمض النووي

حقائق حول تسلسل الحمض النووي

الآن ، استمتع بهذه الحقائق المذهلة حول تسلسل الحمض النووي:

1- على الرغم من أن تسلسل الحمض النووي كان يستغرق سنوات ، إلا أنه يمكن القيام به الآن في غضون ساعات. علاوة على ذلك ، استغرق التسلسل الكامل الأول للحمض النووي البشري حوالي 3 مليارات دولار. الآن ، ستقوم بعض الشركات بتسلسل الجينوم بأكمله بأقل من 1000 دولار.

2- تقدم العديد من الشركات الآن اختبارات تعدد أشكال النوكليوتيدات المفردة، وتركز هذه الاختبارات على النيوكليوتيدات الفردية داخل الجينات التي يمكن أن تشير إلى متغيرات جينية معينة. وقد تم ربط تعدد الأشكال ، كما هو معروف ، بظروف معينة ويمكن أن تساعد في التنبؤ بكيفية تأثير جيناتك على حياتك.

تعدد أشكال النيوكليوتيدات المفردة

3- تتضمن إحدى تقنيات التسلسل الجديدة (قيد التطوير) مشاهدة جزيئات بوليميريز الحمض النووي وهي تنسخ الحمض النووي – نفس الجزيئات التي تصنع نسخًا جديدة من الحمض النووي في خلايانا – بكاميرا أفلام سريعة للغاية ومجهر ، ودمج ألوان مختلفة من الأصباغ الساطعة ، وواحد لكل من الأحرف A و T و C و G. توفر هذه الطريقة معلومات مختلفة وقيمة للغاية عما توفره أنظمة الأجهزة الأكثر شيوعًا.

4- وفقًا للمعهد الوطني لأبحاث الجينوم البشري (NHGRI) ، أدت التحسينات التكنولوجية والأتمتة إلى زيادة السرعة وخفض التكاليف إلى الحد الذي يمكن فيه تسلسل الجينات الفردية بشكل روتيني ، ويمكن لبعض المعامل تسلسل أكثر من 100،000 مليار قاعدة في السنة ، و يمكن تسلسل الجينوم بأكمله مقابل بضعة آلاف من الدولارات فقط.

جرب محاكاتنا الافتراضية “معرفة التتابع النيوكليوتيدي للحمض النووي

اختر خطة الاشتراك المناسبة لك الآن، واستمتع بخصم يصل إلى 50٪.

عن نورهان عصام

نورهان عصام

شاهد أيضاً

قوانين نيوتن وتطبيقاتها المختلفة في حياتنا

قوانين نيوتن وتطبيقاتها المختلفة في حياتنا 

  كيف تتحرك الأشياء وكيف تظل ثابتة ؟ كيف تعمل الوسائد الهوائية في السيارات؟ كيف …