هر یک از سلول های بدن انسان ،پروتئین های خاصی را بیان می کنند .به مجموعه پروتئین هایی که در هر یک از انواع سلول ها بیان می شود ، پروتئوم[1] گفته می شود.پروتئوم هر سلول مانند اثر انگشتی است که بکمک آن می توان نوع سلول و سن آن را مشخص کرد.سلول های سرطانی ویا سلول هایی که در حال سرطانی شدن هستند نیز دارای پروتئوم خاصی هستند که می توان با بررسی آنهاسلول های سرطانی را مشخص کرد.در سلول های سرطانی علاوه بر آنکه نحوه بیان ژن ها تغییر می کند ، مقدار بیان آنکوپروتئین ها افزایش میابد که با مشخص کردن این افزایش می توان به سرطانی شدن سلول پی برد.
برسی بیان همه پروتئین های بیان شده در یک سلول بوسیله آپتامر ها بصورت تک به تک ، بسیار زمانگیر است.به همین منظور روشی ابداع شده که بکمک آن بتوان همه انواع پروتئین های یک سلول را بطور همزمان بررسی کرد .در این روش همه آپتامر های لازم برای شناسایی پروتئوم یک سلول بصورت ریزآرای[2] بر روی یک صفحه کوچک ،متصل شده اند. این آپتامر ها با مواد فلوئورسانتی مانند رودامین ،نشاندار شده اند.برای شناسایی پروتئوم سلول ابتدا عصاره سلولی بر روی ریزآرایه قرار داده می شود، در این هنگام پروتئین های سلول به آپتامر های خود که هر یک در محل ویژه ای از ریزآرایه قرار دارد، متصل می شوند.پس از شستشو ، سطح ریزآرایه توسط یک اسکنر اسکن می شود.اتصال پروتئین ها به آپتامر ها باعث می شود ساختار فضایی آپتامر ،کمی تغییرکند که این امر موجب تغییر در شدت تابش فلوئورسانت آپتامر می شود. به این ترتیب بکمک اسکنر می توان مشخص کرد که در چه آپتامر هایی شدت تابش فلوئورسانت تغییر کرده و با توجه به آن پروتئوم سلول را مشخص کرد. روش فوق بویژه برای شناسایی سلول های سرطانی در سرطان پستان،کاربرد زیادی پیدا کرده است.در این روش می توان با بررسی مرحله به مرحله سلول،مراحل پیشرفت سرطان را بررسی کرد.
نوشته: محمد رضا خزاعی
تاکنون بیش از 400 نوع آنزیم محدود کننده مختلف شناسایی شده است که توالی شناسایی آنها حداکثر 8 نوکلئوتید می باشد . اما گاهی نیاز به آنزیمهای محدود کننده ای است که بتوانند جایگاههایی بزرگتر که اختصاصی تراند، شناسایی کنند. مثلاً ، در برش پلاسمید ها بعنوان وکتور لازم است که فقط یک جایگاه شناسایی برروی پلاسمید موجود باشد. همچنین گاهی نیاز به برش توالیهای خاصی است که برای آن آنزیم طبیعی وجود ندارد. مثلاً ، در برخی قطعات DNA، توالی پالیندرم یافت نمی شود .دانشمندان برای حل این مشکل اقدام به ساخت اندونوکلئازهای شیمیایی کرده اند. بکمک این اندونوکلئازهای شیمیایی می توان هر جایگاه هدف دلخواه را با هر اندازه شناسایی کرده و آنها را برش داد. این آنزیمهای مصنوعی از یک الیگومر سنتزی DNA و یک گروه عاملی برش دهنده، تشکیل شده اند.این گروههای عاملی معمولاً لیگاندهای فلزی هستند که با تولید رادیکال آزاد باعث برش DNA می شوند. طرز استفاده از این آنزیمها به این صورت است که ابتدا توالی مکمل جایگاهی را که میخواهیم برش یابد را بصورت سنتزی تهیه کرده وسپس گروه عاملی برش دهنده را به آن اضافه میکنند. با مجاور کردن این آنزیم مصنوعی با DNA آنزیم به توالی مکمل خود متصل شده ودر یک واکنش شیمیایی باعث برش آن میشود.
هر یک از مولکول های RNA دارای توالی خاصی هستند.توالی اسید های نوکلئیک باعث می شود که آنها دارای ساختار سه بعدی خاص خود شوند. این ساختار، در اثر پیوند های هیدروژنی واتسون-کریک و پیوند های هیدروژنی هوگستین[1] ایجاد می شود. برخی از این مولکول هایRNA در ساختار فضایی خود دارای جایگاهی هستند که می توانند از طریق این جایگاه به دیگر مولکول ها متصل شوند. اتصال این جایگاه ها به مولکول های مختلف بعلت شکل فضایی خاص آنها، وبرقراری پیوند های واندروالس و هیدروژنی با آن مولکول ها است. این اتصال بسیار اختصاصی ودارای میل ترکیبی[2] زیادی است.به این مولکول های RNA ،آپتامر[3] وبه جایگاه اتصال آنها آپتاتوپ[4] گفته می شود.این عمل آپتامر ها همانند عمل آنتی بادی ها است.اما آپتامر ها نسبت به آنتی بادی ها بسیار اختصاصی تر عمل می کنند وبا قدرت بیشتری به لیگاند متصل می شود. آپتامر ها دارای سرعت اتصال بالا[5] و سرعت تفکیک[6] پایین هستند. آپتامر ها ،لیگاند های بسیار متنوعی از جمله یون ها،متابولیت های سلولی، ویتامین ها ،ویروس ها ودارو های مختلف مانند آسپیرین و....را شناسایی می کنند. آپتامر ها حتی می توانند انانتیومر ها فضایی مولکول های مختلف مانند کافئین و تئوفیلین را تشخیص دهند.
[1] -Hoogsteen
[2] -Affinity
[3] -Aptamer: from the Latin ‘aptus’, meaning ‘to fit’
[4] -Aptatope
[5] -Association rate
[6] -Dissociation rate
در مهره داران اغلب ساختار آنتی بادیها بصورت حفاظت شده میباشد و در بین مهره داران مختلف مشابه میباشد. در این جانوران آنتی بادیها از دو زنجیره سبک و دو زنجیره سنگین که تشکیل شده اند و ساختاری y شکل را ایجاد میکنند. اما آنتی بادی های خانواده شتر (شامل شتر یک کوهانه - شتر دوکوهانه و لیما )(camels, dromedaries and llamas) با ساختار آنتی بادیهای دیگر مهره داران تفاوت دارند. در شترها آنتی بادیها فقط از دو زنجیره سنگین مشابه تشکیل شده اند.به این نوع آنتی بادی ها HCAb گفته می شود.
بنابر این در شترها فقط یک ژن مسئول بیان انتی بادیها است. به دلیل همین ساختار ساده ، امروزه سعی میشود برای ساخت آنتی بادیهای منوکلونال، از این ژنها استفاده شود. بیان این ژنها در باکتریها موفق بوده و منجر به تولید آنتی بادیهای فعال شده است.
برای هر لیگاند مورد نظر براحتی می توان آپتامر ساخت.برای این منظور از روشی بنام SELEX[1] استفاده می شود.در این روش ابتدا بوسیله سنتز مصنوعی توالی های بسیار مختلفی از RNA در اندازه های مختلف بصورت تصادفی ساخته می شود.در این مرحله بیش از یک میلیون نوع RNA ساخته می شود.هر یک از این مولکول های RNA دارایساختار فضایی خاصی استکه در بین آنها یک یا چند مولکول RNA می توانند بعنوان آپتامر به لیگاند مورد نظر متصل شوند.برای خالص سازی این آپتامر ها از روش کروماتوگرافی میل ترکیبی[2] استفاده می شود.در این روش ابتدا لیگاند ها به دانه های سفادکس در ستون کروماتوگرافی متصل شده و سپس محلول حاوی انواع مولکول های RNA سنتز شده از ستون عبور داده می شوند.آپتامر ها به لیگاند متصل شده و در ستون باقی میمانند وبقیه مولکول های RNA در اثر شستشو از ستون خارج می شوند.سپس مولکول های آپتامر از ستون جداسازی می شوند. در این روش ممکن است چندین نوع آپتامر برای یک لیگاند بدست آید که هریک به قسمتی از لیگاند متصل می شود.پس از انتخاب بهترین آپتامر،مولکول فوق تعیین توالی می شودو از روی آن توالی به روش سنتز مصنوعی،تعداد زیادی آپتامر ساخته می شود.
همچنین می توان از روی این آپتامر ها cDNA ساخت و آن را به همراه یک پروموتر قوی در باکتری ها کلون کرد.به این ترتیب باکتری مقدار زیادی آپتامر تولید خواهد کرد.به این آپتامر ها،آپتامر های منوکلونال گفته می شود.
یکی از علائم بیماری های مختلف، افزایش یا کاهش مقدار متابولیت های سلولی است .بکمک آپتامر ها می توان مقدار متابولیت های سلولی را به دقت آندازه گیری کرد.برای مثال در یکی از روش های تشخیص بیماری فنیل کتونوری ،از آپتامر بر علیه ال- فنیل آلانین استفاده می شود.در بیماری فنیل کتونوری مقدار ال-فنیل آلانین در خون افزایش میابد.که با اندازه گیری مقدار فنیل آلانین خون ، می توان این بیماری را تشخیص داد.در این روش مقدار مشخصی از آپتامر های نشاندار بامواد فلوئورسانت،با مقدار مشخصی از سرم خون بیمار مخلوط می شوند.در این هنگام مولکول های ال-فنیل آلانین موجوددر سرم خون ،به آپتامر ها متصل شده و باعث تغییر شدت تابش فلوئورسانت آنها می شوند.هرچه مقدار فنیل آلانین خون بیشتر باشد،تعداد فنیل آلانین هایی که به آپتامر متصل می شود،بیشتر بوده و در نتیجه تغییر شدت تابش فلوئورسانت محلول نیز بیشتر خواهد بود.این تغییرات را می توان با یک اسپکتروفتومتر ساده ،اندازه گیری کرد.با تهیه یک منحنی استانداردکه تغییرات شدت تابش فلوئورسانت را بر حسب تغییر مقدار فنیل آلانین نشان میدهد،می توان به راحتی غلظت ال-فنیل آلانین را در خون بیمار مشخص کرد.
نوشته:محمد رضا خزاعی
مقدمه:
نادرین سیمن و همکارانش از دانشگاه نیویورک توانسته اند با استفاده از موتیفهای DNA ساختارهای مولکولی جالبی را ایجاد کنند که بدون کمک DNA ایجاد آن ساختارها امکانپذیر نبود. کاربرد DNA در ساخت این ریزساختارها در قلمرو علم نانوتکنولوژی قرار میگیرد که در ادامه به بخشی از این کاربردها اشاره می شود.
مجتمع کردن ذرات کلوئیدی
برای ساخت برخی سنسورهای شیمیایی و ابزارهای اپتئوالکتریک، از کلوئیدهای فلزاتی مانند طلا (Au) یا تیتانیوم و کلوئیدهایی از ترکیبات نیمه رسانا (Semi Conductor) مانند ذرات CdSe یا CdS استفاده می شود. اما مشکل عمده درساخت این ابزار این است که این ذرات کلوئیدی، بعلت اینکه بر سطح خود دارای بارهای همنام می باشند به سادگی مجتمع نمی شوند و یکدیگر را دفع می کنند. از این خاصیت DNA که رشته های مکمل ، یکدیگر را شناسایی می کنند و با هم هیبرید می شوند ، برای رفع این مشکل استفاده می شود. اگر سطح یک سری از این ذرات کلوئیدی را با یک توالی الیگو نوکلئوئیدی DNA (مانند TACCGTTG) و سطح سری دیگربا الیگو نوکلوئید دیگری (مانندCAACGGTA) پوشانده شود و سپس این دو دسته از ذرات با هم مخلوط شوند ،دراثرهیبرید شدن الیگو نوکلئوتیدها با توالیهای مکمل خود، ذرات کلوئیدی مجتمع شده، بهم می پیوند ند . باتغییر طول توالی های نوکلئوتیدی می توان فاصله بین ذرات کلوئیدی را نیز تنظیم کرد.
ساخت کریستالها
کریستالها در الکترونیک و صنایع کاربرد فراوانی دارند اما ساخت کریستالها به اشکال مختلف دارای مشکلاتی است برای مثال گاهی لازم است که کریستالهای از یک فلز در یک سیستم کریستالی بخصوص داشته باشیم اما به روشهای شیمیایی آن فلز فقط به یک سیستم کریستالی ، کریستالیزه می شود . برای مثال ذرات نقره بصورت طبیعی همواره به سیستم اورتورومبیک کریستالیزه می شوند وحال آنکه به بلورهای دیگری از نقره مانند ترک کلینیک یا کوبیک نیاز است .
DNA در حالت عادی به فرم مارپیچهای نوع B وگاهی A است . اما درهنگام کراسینگ آور، در مولکول DNA ساختاری را شبیه صلیب بوجود می آورند که به آن ساختار هالیدی گفته می شود.
در صورتی که چندین ساختار هالیدی هم اندازه را بکمک آنزیم DNA- لیگاز بهم متصل کنیم . شبکه ای دو بعدی از مولکولهای DNA بوجود می آید که به آن لاتیس (Lattice) گفته می شود . ساختارهای صلیب مانند هالیدی بعنوان مونومرهای این شبکه دو بعدی عمل می کنند .
در صورتیکه انتهای بازوهای این صلیبها بصورت چسبان باشد (Sticky end) مونومرهای هالیدی مختلف می توانند یکدیگر را شناسایی کنند و به یکدیگر متصل شوند به این ترتیب می توان با بکارگیری مونومرهای مختلفی که با الگوی خاصی بهم متصل می شوند . لاتیسهایی با اشکال مختلف بدست آورد.
شکل1:نمونه از لاتیسهای دو بعدی که بکمک DNAساخته میشود.
شکل2:ساختار کوبیک متشکل از لاتیسهای DNA
شکل3: ساختار اکتاهدرال متشکل از لاتیسهای DNA
ساخت این اشکال فضایی مختلف به کمک DNA ، نیازمند بکارگیری توالیهای دقیقاً محاسبه شده از DNA که دارای جایگاه اثر برای آنزیمهای مختلف در مکانهای مختلف هستند و در نوکلئوتیدهای خاصی متیله شده اند، می باشد.(این محاسبات با کامپیوتر انجام می شود و سنتز DNA بصورت مصنوعی صورت می گیرد) توالی DNA باید طوری باشد که در جایگاه بخصوص کراسینک آور بدهند . بکمک آنزیمهای RecA و هلیکاز می توان توپولوژی احجام فضایی حاصله را بطور دلخواه تغییر داد و بکمک توپوایزدمرازهای Iو III می توان احجام فضایی را به انانتومرهای خود (تصاویر آئینه ای ) تبدیل کرد . با قرار دادن جایگاههای اثر آنزیمهای محدود کنندة بخصوص در زاویای احجام تشکیل شده می توان این احجام را به احجام کوچکتر تقسیم کرد و بااستفاده از ترکیب چند تا از این احجام کوچک به کمک آنزیم لیگاز ، احجام جدیدی بدست آورد. بکمک این احجام فضایی می توان اسکلت کریستالهای مختلفی را طراحی کرد و بااتصال نانوکریستالها(ذرات ریز کریستال ) به DNA ، از این اسکلت بعنوان داربستی برای کریستالیزاسیون این ذرات کوچکتر استفاده کرد (شکل 3) برای این منظور پس از آنکه مولکولهای DNA ds بعنوان اسکلت برای کریستال مورد نظر طراحی شدند ، اجزاء تشکیل دهنده کریستال را به این مولکولهای DNA متصل می کنند و سپس با کمک آنزیمهای مختلف این DNA را بصورت لاتیس های دو بعدی و سپس احجام فضایی در می آورند . با قرار دادن مولکول حاصل در شرایط کریستالیزاسیون ، کریستال بر دابست DNA به شکل دلخواه تشکیل میشود . پس می توان مولکولهای DNA را با آنزیم Dnase حذف کرد .
شکل 4: استفاده از آنزیمها
از احجام فضایی DNA نه تنها برای ساخت کریستالهای ، بلکه برای ساخت سازه های زیستی نیز می توان استفاده کرد در سال 1994 نی مایر (Neimeyer ,eatl 1994) از این احجام فضایی بعنوان داربستی برای ساخت پروتئینها به اشکال متفاوت استفاده کرد .این گروه در سدد هستند با استفاده از این تکنیک شکل اسکلت سلولی سلولها را تغییر دهند و سلولهایی با اشکال جدید برای مصارف صنعتی ایجاد کنند.
شکل5:داربستهایی بعنوان زیرساختارهای پروتئینی
ساخت مدارهای منطقی :
با ترکیب مشخصی از مولکولهای B- DNA و Z- DNA حلقوی می توان حلقه های درهم رفته ای از مولکولهای DNA را با اشکال مختلف بدست آورد به این حلقه های دهم رفته حلقه های Borromean گفته می شود. اگر یکی از این حلقه ها از هم باز شود بقیه حلقه های از یکدیگر جدا می شوند وبصورت حلقه های مجزایی در می آیند.
شکل6:حلقه های برومین
در الکترونیک از سوی حلقه های Borromean برای ساخت مدارهای منطقی استفاده می شود به این صورت که اگر اتصال در یکی از حلقه ها (مدارات ) ، برقرار نباشد ، اتصال در دیگر مدارات نیز قطع می شود . از این مدارات در ساخت کامپیوترهای ساده (ماشین حسابهاو….) استفاده می شود باساخت حلقه های Borromean از DNA در صورت منطقی نبودن یک حلقه (نادرست بودن محاسبه ) دیگر حلقه ها از هم جدا می شوند که با انجام ژل الکترونورز می توان منطقی نبودن معادله را مشاهده کرد .
منابع:
[1] Adleman, L.M. (1994), Molecular computation of solutions to combinatorial problems, Science 266, 1021-1024.
[2] Chen, J.H., Kallenbach, N.R. and Seeman N.C. (1989), A specific quadrilateral synthesized from DNA branched junctions, J. Am. Chem. Soc. 111, 6402-6407.
[3] Zhang, Y. and Seeman, N.C. (1992), A solid-support methodology for the construction of geometrical s from DNA, J. Am. Chem. Soc. 114, 2656-2663.
[4] Mao C., Sun W. and Seeman N.C. (1997), Assembly of Borromean rings from DNA, Nature (London) 386, 137-138.
[5] Li, X., Yang, X., Qi, J., Seeman, N.C. (1996), Antiparallel DNA double crossover molecules as components for nanoconstruction, J. Am. Chem. Soc. 118, 6131-6140.
[6] Winfree, E. (1996), On the computational power of DNA annealing and ligation. In: DNA Based Computing, ed. by Lipton, E.J. and Baum , E.B, Providence: Am. Math. Soc., pp. 199-219.
[7] Mirkin, C.A., Letsinger, R.L., Mucic, R.C. and Storhoff, J.J. (1996), A DNA-based method for rationally assembling nanoparticles into macroscopic materials. Nature 382, 607-09.
[8] Niemeyer, C.M., Sano, T., Smith, C.L., Cantor, C.R. (1994), Oligonucleotide-directed self-assembly of proteins. Nucl. Acids Res. 22, 5530-5539.
احتراماً به استحضار می رساند انجمن علمی زیست شناسی استان گلستان با همکاری هسته ی تخصصی زیست شناسی برای کیفیت بخشی به توان علمی معلمان زیست شناسی در نظر دارد روزهای دوشنبه هرهفته نشستی پیرامون مسائل علمی، آزمایشگاهی، کنکور و المپیادهای زیست شناسی با حضور همکاران محترم، دانشجویان و اساتید گرامی عضو انجمن برگزار نماید. لذا از کلیه ی اعضای محترم جهت حضور پربار در این نشست دعوت به عمل می آید. برنامه های این انجمن به شرح ذیل اعلام میگردد .
1- دوشنبه 3/12/88-تحلیل و بررسی زیست شناسی و آزمایشگاه(1) فصل 6 (ساختار، عمل و بیماری دستگاه گردش خون)
2-دوشنبه 10/12/88 - تحلیل و بررسی زیست شناسی و آزمایشگاه (1) فصل 6 (ساختار، عمل و بیماری خون در بدن)
3-دوشنبه 17 /12/88 - تحلیل و بررسی زیست شناسی و آزمایشگاه(1) فصل6 ( گردش مواد در گیاهان)
4- دوشنبه 24/12/88 - تحلیل و بررسی زیست شناسی و آزمایشگاه(1) فصل 7 (تنظیم محیط داخلی و دفع ادرار)
مکان جلسات:گرگان خیابان فلسطین جنب اداره آموزش وپرورش ساختمان گروه های آموزشی متوسطه
مدت زمان جلسات: از ساعت 18 الی 30/19 موضوع جلسات بعدی، متعاقباً به اطلاع اعضاء محترم خواهد رسید.
کانون آموزشی زیست شناسی در نظر دارد جزوات کمک آموزشی خود را که شامل تشریح مطالب کتب درسی پایه های مختلف دبیرستان به همراه پاسخ فعالیت ها و خودآزمایی ها می باشد را از طریق دریافت شفارش به فروش برساند، با ما تماس بگیرید.
