كيف بدأ الـ (Sequencing)

كيف بدأ الـ (Sequencing)

| مقدمه

يمثل تسلسل الحمض النووي او الـ (DNA) كتاب الاوامر والرسائل لجميع الكائنات الحيه فهو يحتوي علي مجموع الاوامر التي تمثل الحياه لأي خليه (تاريخها ..حاضرها ومستقبلها) , لذلك فإن معرفه تسلسله وفك شيفرته يعد ثورة في علوم الطب والاحياء علي وجه الخصوص , ولهذا دأب العديد من العلماء علي وضع تقنيات لفك شفرة تسلسله التي ستؤدي الي معرفه الاوامر المشفرة والمترجمه الصادرة منه ليس هذا فحسب ولكن فك لغز تاريخ الاحياء التطوري علي الارض , وقد تسابق العلماء علي مر الزمن لتطوير تقنيات معرفه التسلسل ونشهد هذا العصر علي تقدم لم يشهده ايا من العصور السالفه في مجالي الطب والتكنولوجيا ..

لكن كيف بدأ التسلسل Sequencing ؟

قبل ان نذهب الي بدايات عصر التسلسل الجيني genome sequencing لابد من ان نعرف ان التسلسل مر بثلاث مراحل اساسيه

  1. الجيل الاول first generation sequence

ويشمل التقنيات البدائيه في معرفه تسلسل الحمض النووي مرورا بتقنيه سانجر و shotgun sequencing وغيرها حتي بداية ظهور عصر التتابع الجديد وبزوغ نجم الجيل الثاني او التالي من السلسله

  1. الجيل الثاني (next generation sequence (NGS

وهو اشهر نظام معتمد حالي في تقنيات التتابع  الجيني

  1. الجيل الثالث third generation sequence

وهو مستقبل معرفة التتابع  الجيني  في العالم حيث بدأت كبري معامل العالم في استخدام وتطوير تقنياتها لتواكب تلك الطفرة الجديدة التي ستوفر العديد من الوقت والجهد بدلا من سابقتها حيث تكون متطورة اكثر ..دقيقه اكثر ..سريعه اكثر هذا هو عنوانها وفي هذا المقال نستعرض بنظرة خارجيه مفهوم ومراحل تطور الـ  NGS

| كيف بدأ الـ sequencing

لم يكن جديدا لعلماء الاحياء تطوير تقنيات لمعرفة تسلسل الجينوم فمنذ اكتشاف تركيب الحمض النووي علي يد واطسون وكريك عام 1953 بدأ سباق البحث والعمل لمعرفة تسلسل هذا المركب ولكن حتي عام 1965 كانت الجهود الاوليه تدور حول معرفة تركيب النيوكلوتيدات وليس ترتيبها او تتابعها وكانت اغلب التقنيات تدور اما حول انزيمات القطع والربط البكتيريه او الطرق البدائيه الخاصه بالكيمياء الحيويه حتي حصل د روبرت هولي مع زميليه علي جائزة نوبل في الطب لاكتشافهم (الريبي الناقل لبروتين الالانين alanine tRNA) واستطاعتهم اكتشاف تسلسل ال (tRNA)لهذا البروتين من خلال ابحاثهم علي نوع من الخميرة المنتجة له وقد استخدم ذات الاسترتيجيه التي استخدمها (فريدريك سانجر) الذي احدث ثورة بتقنيته الحديثة حينها في تقنيات التسلسل بما يعرف ب (تفاعل سانجر _ Sanger reaction) عام 1977 ولم يكن سانجر الوحيد الذي عمل علي تطوير تقنيه تسهل من آليات  معرفه تتابع الـ DNA  لكن سبقة العالم الصيني (ray wu) الذي ينسب اليه الفضل في تطوير تقنيه التتابع الجيني حتي يومنا هذا لعمله علي طريقه البادئ الممتد (primer-extension method) التي تعد اولي تقنيات الـ (sequencing) ومساهماته في مشروع تسلسل الحمض النووي البشري  human genome project

اضافه الي والتر فيرز(Walter Fiers) الذي يعتبر اول من قام بسلسله حمض نووي لبكتريوفاج (Bacteriophage MS2) ومن بعده بات واضحا اهميه تطوير تلك التقنيه فبدأ فريدريك سانجر العمل علي تطويرها منذ ذلك الحين , السؤال الان هو : ما هي تقنيه تفاعل سانجر ؟

| تقنيه تفاعل سانجر sanger reaction
  • كانت تعتمد تقنيه سانجر علي 4 خطوات اساسيه

1- تبدأ بتكسير الدنا الي اجزاء او قطع اساسيه ثم فك الشريطين بالحرارة واخذ الشريط المكمل كأداه للسلسله ثم اضافة بادئ الي اجزاء الـ DNA

2- يتم بتحضير 4 اوساط تحتوي علي مكونات (انزيم بلمرة dna polymerase) وجزيئات معلمة – كل وسط يحتوي علي نوع معين من القواعد المعلمه – من قواعد الدنا ونيوكلوتيدات dna حرة ) ثم يتم اضافة القطع الي الاوساط المختلفة وتركها فترة تسمح بتكرار الدنا من خلال انزيم البلمرة

3- اضافه المزيج الي هلام الاجاروز وامرار التيار الكهربي عليه لفصله بناء علي وزنه الجزيئي وبناء علي وزن القواعد الجزيئي حيث تهاجر اقل القواعد وزنا الي الاسفل بينما يصعب علي اثقلها الهجرة فتظل في الاعلي

4- اما المرحله الاخيرة فهي تحليل المعلومات ومعرفه سلسله الدنا المراد وتكون من خلال قراءة المعلومات علي الهلام بشكل صحيح فتتم القراءة من اقلها وزنا الي اكثرها وهكذا كما في الشكل ..

سمحت تقنيه سانجر للعديد من العلماء فك تشفير تتابعات الحمض النووي للفيروسات والبكتيريا والعديد من حقيقيات النواه كالانسان والنبات ولعل اعظم خطوة خطاها المجتمع البشري في هذا الصدد هي مشروع الجينوم البشري human genome project الذ تم انجازة قبيل موعده المحدد نتيجة لتقدم تقنيات معرفه التتابع في فترة وجيزة

وبالعودة الي سانجر فلم يكتف بهذا الانجاز الذي حاز به علي جائزة نوبل ولكنه كذلك قام بتطوير التقنيه مرات عديدة تبعه فيها العديد من العلماء وبتطور تقنيات الحاسوب صار حتميا تطور هذا الفرع من المعلوماتيه الحيويه ليصير اكثر دقة ويحل جيل جديد علي تلك التقنيه وهو NGS

الشكل العام لتفاعل سانجر

| فما هو وكيف اختلف عن سابقة ؟
يمتاز الجيل الجديد بانه اعلي كفائه ودقه من سابقه لانه يعتمد اعتمادا كليا علي الحاسوب كذلك فهو يمتاز بالانتاجيه العاليه حيث كان سابقة ينحصر سلسلته بين  800-1000 قاعده فقط ناهيك عن انه كان يعتمد علي الكفائه البشريه والمواد الكيميائيه اكثر منه علي الحاسوب مع ارتفاع نسبه الخطأ ومع ارتفاع الانتاجيه للجيل الجديد سمح للكثير من العلوم المتعلقة بالظهور الي السطح بعد ان كانت مستحيله فيما مضي , والان بعد ان استعرضنا الفروق بين الجيل الجديد والجيل الاول
| كيف يعمل الجيل الجديد NGS ؟

تمر اليه سلسله الدنا في الجيل الجديد علي ثلاث مراحل اساسيه

  • معالجة المدخلات sample preparation

وتشمل تحضير محتوي dna المراد معرفه تتابعه وتبدأ عن طريق عمل مكتبات ال (dna) dna library عن طريق قص ال dna  المراد سلسلته وربطة مع adapters

  • ثانيا emulsion – المضاعفه   

من خلال تلك المرحله نستخدم تقنيه bridge pcr  لمضاعفه عدد القطع المستخدمه في العمليه ثم نقوم بتحميل العينه الي الجهاز الخاص بالتعامل معها حسب التقنيه او الطريقة المستخدمه مثل جهاز illumena

  • ثالثا data output

واخيرا يتم معالجه النواتج التي تكون عباره عن مجموعه من المعلومات عن تتابع الدنا مخزنه علي علي clusters

| الطرق المختلفة في الجيل الجديد NGS methods

تختلف الطرق التي تتم بها عمليه معرفه التتابع  في الجيل الجديد وتحاول كل طريقة منهم تلافي نسبه اخطاء التي تسبقها حتي تصل الي اعلي مستويات الدقه في قراءة التتابعات

  • pyrosequencing

تعتمد فكره هذه الطريقة علي اطلاق وميض من الضوء عند التحام كل نيوكلوتيده مع التي تقابلها فمثلا تختلف نسبه وميض الضوء عند التحام الثيامين بالادنين عن الجوانين بالسيتوزين وهكذا تلتقط حساسات خاصه هذا الاشارة وتقوم بتحويلها الي قراءة علي الجهاز , فيقوم العلماء بوضع dna علي الجهاز ومعه تلك المركبات الخاصة باعطاء الاشارة (Luciferin protein ) مع نيوكلوتيدات وانزيم الربط ligase ومن ثم عند التحام النيوكلوتيدات يتم ارسال اشاره الي الجهاز , لكن مع ارتفاع نسبه الخطأ و زيادة تكلفة تلك الطريقة اضطر العلماء الي تطوير طريقة اخري في نفس الجيل

  • sequencing by synthesis

وتعتمد تلك الطريقة علي صبغه خاصه ترتبط بكل قاعده فتكون مميزة لها تعطي اشارة مضيئة مميزة عند الارتباط بالقاعده التي تليها ومع انها تلافت الخطأ التي ارتكبته الطريقة السابقه وزيادة تخصصيتها في قراءة تتابعات القواعد فانها اهملت نسبه الخطأ المتعلقة بالاله في قراءة الطول الموجي المناسب لذلك كان حملا علينا استخدام طرق اخري

  • semi conductor

وتعتمد تلك الطريقة علي استخدام موصل يحتوي علي الدنا متصل بمستقبلات وحساسات تستطيع قراءة التغير في محتوي البي اتش في الوسط وبذات الكيفيه عند ارتباط قاعده من القواعد المحمله علي الجهاز باخري محمله علي dna تنطلق ذرة هيدروجين الي الوسط مما يغير من البي اتش ..كانت تلك الطريقة اعلي كفائة وادق قراءة لكنها كانت مكلفة ومجهده في الوقت ذاته لذلك يستمر الباحثون في تطوير تقنيات الجيل الجديد

  • TGS – Third generation sequencing

مع التطور السريع الذي تشهده التكنولوجيا في عصرنا الحالي كان لزاما استحداث طريقة اكثر دقه لذلك لجأ العلماء الي third generation sequencing , ويشمل هذا جهاز smart او Single-Molecule Sequencing in Real Time , الذي يستطيع قراءة ما يقرب من 10-15 kilobases في زمن وجيز بدقة تصل الي 99% وبهذا يمكن الحصول علي التسلسل الكامل لاي كائن حي في مده اقصر وبدقة اسرع

| تطبيقات الـ NGS

تلك الثورة التي ستغير الكثير من اشكال حياتنا المعتاده بدايه من الطب الشخصي (personalized medicine) الذي سيقلل من فرص الاصابه بالعديد من الامراض ويحسن فرص بقائنا  اصحاء علي وجه الارض لمده اطول مرورا بالتشخيص الدقيق والفوري للجينوم الكامل  للعديد من مسببات الامراض مما يساعد علي تحسين فرص فهمها والقضاء عليها وكذلك فهم متعمق اكثر للخريطة الجينيه للانسان تلك التي تعد بحرا لا نحصي منه الا ما نري من الشاطئ .ولكن كل هذا يعد مستقبلا باهرا استحق العديد من مطوري تلك التقنيه جائزة نوبل للتمهيد له ..اما نحن الان بصدد تلك النقله التي غيرت الكثير من فهمنا لتكوين الانسان وتفاعلات محتواه الجينومي ..اعني بهذا ..مشروع الجينوم البشري HUAMN GENOME PROJECT

| مشروع الجينوم البشري – Human genome project

منذ بدايه الثمانينيات طمحت وزارة الطاقة الامريكيه الي معرفه كامل الخريطة الجينيه للبشر مما سيحقق الفهم للعديد من الامراض والظواهر ولضمان الامان الانساني لتجنب الاخطار المتعلقه بتحورات الجينوم وطفراته المميته لذلك في بدايه 1990 قام المعهد الوطني للصحه الامريكي باطلاق مشروع يطمح الي فك كامل الشفرة الوراثيه للانسان وقد خصصت ميزانيه ثلاثه بلايين دولار بتشارك العمل في مختبرات اكثر من 18 دوله لهذا المشروع الذي قدر له ان ينتهي بعد خمسة عشر عاما وكان هذا التقدير يعود الي بطئ التقنيه المستخدمه حينها (تفاعل سانجر ) وطول المحتوي الجيني للانسان , ولكن جائت المفاجئة بان ينتهي العمل في هذا المشروع قبل خمس سنوات من الوقت المحدد وهذا يعود الي تطور تقنيات سلسله الحمض النووي مما قام بتسريع المشروع الي ان ظهر في صورته النهائيه عام 2003
وصار الان مسموحا لك بمعرفه سلسله حمضك النووي خلال اسبوع علي الاكثر بتكلفه لا تتعدي ال 1000 دولار وهذا بفضل الجيل الجديد ودقته , الجدير بالذكر ان مشروع الجينوم تم بتقنية سانجر في 20 عام الان نستطيع ان نفعل ذلك في يوم واحد او اسبوع عن طريق الجيل الجديد من السلسله

| سلسله الميتاجينوم

في العاده يتم تعريف علم الميتاجينوم بانه مجموعه التقنيات التي تستهدف تحليل جينومات مستعمرة بكتيريه او تجمع بكتيري دون الحاجه الي اللجوء الي طرق تقليديه صعبه وهذا ما استطاع الجيل الجديد توفيرة حيث فتح الباب الي عدد لا حصر له من المعلومات عن تلك الجينومات بما في ذلك مدي تشابهها وصله قرابتها وخريطتها التطوريه والنظم الجينيه المتحكمه بها والملايين من المعلومات عن الجينات البكتيريه واستخداماتها , يمكنك الاطلاع اكثر عن هذه النقطه في مقال مفصل علي الموقع من هنا (الميتاجينومكس)

| سلسله الرنوات

وهنا يشمل محتوي المسح والسلسله ليس الرنوات الفعاله والقابله للترجمه فحسب ولكن كذلك الرنوات المشفرة والغير قابله للترجمه والتي تمثل اما عمليات تنظيميه او دفاعيه داخل الخليه او خارجها وتمثل تلك الرنوات المشفرة حلقة الوصل بين الخلايا تاره وحلقة الدفاع عن الخليه ضد الفيروسات تارة اخري او عمليات تنظيميه لايقاف عمل جينات تاره ثالثه
مما يضمن لنا ليس فهما فقط لابعاد الخليه التي لا تزال غامضه مهما تعمقنا بها ولكن ايضا استخدام تلك الرنوات بصورة مصنعه لاغراض طبيه وغيرها ..
وفي النهايه يمكننا القول بأن الجيل الجديد استطاع ان ينقل العالم الي عصر المعلومات المتاحة والدقيقه والسريعه بعد ان كان يلاقي صعوبات التكلفه والكفائة والوقت المهدر مما سمح لنا بفهم اوسع للجسم البشري والطبيعه المحيطة علي حد سواء , في المقال القادم سوف نتحدث اكثر عن الات الجيل الثاني من السلسله والفرق بينهم الخ ..

Share this post

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.


Justin Pugh Authentic Jersey