زیست فناوری

نوشته: کسری اصفهانی

انتقال ژن به گیاه به واسطه آگروباکتریوم
نویسنده : کسری اصفهانی - ساعت ۸:٠۸ ‎ب.ظ روز ۱۳۸٥/۳/۳٠
 

قسمت اول

 

28 سال پیش استفاده از Agrobacterium tumefaciens به عنوان ناقلی برای خلق گیاهان تراریخته یک رویا بود. امروزه به راحتی با این باکتری انتقال ژن به بسیاری از گونه­های مهم زراعی و باغی انجام می­شود و تعداد گونه­هایی که مستعد انتقال ژن با آگروباکتریوم هستند، روز به روز افزایش می­یابد.

 

در تعدادی از کشورهای پیشرفته، سطح وسیعی از مزارع گیاهان مهم اقتصادی مثل ذرت، سویا، کلزا، پنبه، سیب­زمینی و گوجه فرنگی به گیاهان تراریخته اختصاص یافته است و روند رو به رشدی در تولید این گیاهان تراریخته با استفاده از آگروباکتریوم، در مقایسه با بمباران ذره­ای دیده می­شود. اما هنوز چالش­های متعدد مستقل از ژنوتیپ در انتقال ژن به بسیاری از گونه­های مهم زارعی و همچنین گونه­های جنگلی مورد استفاده در صنایع چوب و کاغذ وجود دارد. به علاوه، ابراز پایدار و قابل پیش­بینی ژن­های تراریخته کماکان غامض و پیچیده می­باشد. تاکنون در چندین مقاله مروری عالی، جنبه­های مختلف زیست­شناختی آگروباکتریوم، با جزییات شرح داده­ شده است.

در این مقاله، نویسنده توضیح می­دهد که چگونه دانشمندان با استفاده از دانش پایه زیست­شناسی آگروباکتریوم، این باکتری را به عنوان ابزاری در مهندسی ژنتیک گیاهی توسعه می­دهند. نویسنده همچنین در جستجوی این موضوع است که چگونه درک رو به گسترش ما از زیست­شناسی آگروباکتریوم به ما در توسعه کاربرد انتقال ژن به واسطه این باکتری کمک می­کند. وی عقیده دارد که بهبود فناوری انتقال ژن نیاز مبرمی به دست­ورزی این فرآیندهای بنیادی زیست­شناختی خواهد داشت.

 

طبقه‌بندی جنس آگروباکتريوم و طيف ميزبانی

 

جنس آگروباکتریوم به تعدادی گونه تقسیم می­شود. این تقسیم­بندی عمدتاً بر اساس علائم حاصل از بیماری و طیف میزبان می­باشد. بنابراین، A. radiobacter یک گونه غیر بیماری­زا است، A. tumefaciens عامل بیماری گال تاجی، A. rhizogenes عامل بیماری ریشه مویی و A. rubi عامل بیماری گال نیشکر می­باشد. به تازگی یک گونه جدید به نام A. vitis که عامل ایجاد گال در انگور و تعداد دیگری گیاه است، نیز پیشنهاد شده است. گرچه Bergey's Manual of Systematic Bacteriology هنوز این نام­گذاری را منعکس می­نماید ولی این طبقه­بندی پیچیده و گیج­کننده است. ما می­دانیم که در اکثر موارد، علائم بیماری یاد شده حاصل از نوع پلاسمید مولد تومور است که در درون سویه خاصی وجود دارد. از دست دادن پلاسمید مولد تومور یا جایگزینی آن با پلاسمید دیگر، می­تواند باعث تغییر علائم بیماری شود. به عنوان مثال، آلودگی گیاهان با A. tumefaciens C58 که دارای پلاسمید pTiC58 از دسته پلاسمیدهای نوپالین می­باشد، باعث ایجاد گال تاجی جنینی می­شود. اگر این پلاسمید حذف شود، این سویه باکتری غیر بیماری­زا می­شود. وارد کردن پلاسمید Ri به این سویه که پلاسمید خود را از دست داده است، باعث تبدیل باکتری به سویه A. rhizogenes می شود. به علاوه، با وارد کردن پلاسمید Ti (القا کننده تومور) از A. tumefaciens  به A. rhizogenes، سویه ایجاد شده تومورهایی با ظاهری تغییریافته در گیاه Kalanchoe ایجاد می­کند. بنابراین، چون A. tumefaciens  می­تواند به راحتی با جانشینی یک نوع پلاسمید سرطان­زا با پلاسمید دیگر، به A. rhizogenes تبدیل شود، واژه گونه معنی خود را از دست می­دهد. شاید یک سیستم طبقه­بندی با معنی­تر، جنس آگروباکتریوم را بر اساس خصوصیات متبولیکی و رشد به biovar هایی تقسیم نماید. با استفاده از این سیستم، اکثر سویه­های A. tumefaciens  و  A. rubiبه biovar اول تعلق داشته، سویه­های A. rhizogenes biovar دوم را تشکیل داده و biovar سوم نماینده سویه­های A. vitis می­باشد. سیستم دیگری نیز برای طبقه­بندی جنس آگروباکتریوم پیشنهاد شده است. تکمیل توالی­یابی DNA کل ژنوم A. tumefaciens C58 که مرکب از یک کروموزوم خطی، یک کروموزوم حلقوی، یک پلاسمید Ti و یک پلاسمید بزرگ دیگر می­باشد، ممکن است نقطه شروعی برای طبقه­بندی مجدد سویه­های Agrobacterium در گونه­های واقعی گردد. علی­رغم سرگردانی موجود در طبقه­بندی گونه­ها، شاید مهمترین موضوع در مهندسی ژنتیک گیاهان، طیف میزبانی سویه­های مختلف آگروباکتریوم ­باشد. به عنوان یک جنس، آگروباکتریوم می­تواند DNA را به تعداد قابل ملاحظه­ای از موجودات زنده شامل بسیاری از دولپه­ای­ها و تک­لپه­ای­ها در گونه­های نهان­دانه و بازدانگان منتقل نماید. به علاوه، آگروباکتریوم توانایی انتقال ژن به قارچ­هایی مثل مخمر، آسکومیست­ها و بازیدومیست­ها را دارد. در سال 2001 انتقال DNA به سلول انسانی توسط آگروباکتریوم گزارش شده است. اساس مولکولی و ژنتیکی طیف میزبان یک سویه آگروباکتریوم هنوز روشن نشده است. مطالعات اولیه حاکی از این است که پلاسمید Ti در مقایسه با ژن­های کرورموزومی، تعیین­کننده ژنتیکی اصلی طیف میزبانی می­باشد. نشان داده شده است که چندین مکان ژنی بیماری­زایی (vir) بر روی پلاسمید Ti ازجمله virC و virF، در تعیین گونه­های گیاهی که انتقال ژن به آنها می­تواند صورت گیرد تا تومورهای گال تاجی ایجاد شود، نقش دارند. مشخص شده که مکان ژنی virH که قبلاً pinF نامیده می­شد، در توانایی آگروباکتریوم در انتقال ژن به ذرت موثر می­باشند. سایر ژن­های vir مثل virG نیز در بیماری­زایی بیش از حد برخی سویه­های خاص مشارکت دارند.

به هرحال اکنون روشن شده است که طیف میزبانی فرآیند بسیار پیچیده­ای می­باشد که تحت کنترل ژنتیکی چندی عامل در باکتری و میزبان گیاهی می­باشد. نتیجه هر تلاش و تحقیقی برای انتقال ژن به گیاهان مختلف، خصوصاً گیاهان جدید، اطلاعاتی درباره طیف میزبانی آگروباکتریوم به ما می­دهد. به طور مثال، امروزه انتقال ژن به بسیاری از گونه­های گیاهان تک­لپه مثل ذرت، برنج، جو و گندم توسط بسیاری از سویه­های  آگروباکتریوم ممکن شده و و فنوتیپ مقاومت به علف­کش و آنتی­بیوتیک در آنها ایجاد شده است اما تومور گال تاجی در این گونه­های گیاهی رشد نمی­کند. شاید طیف میزبانی حاصل برهمکنش پلاسمید Ti خاصی با زمینه کروموزومی باکتریایی مشخصی باشد. به طور مثال، پلاسمید pTiBo542 در سویه طبیعی خود یعنی A. tumefaciens Bo542 قابلیت تومورزایی محدودی بر روی گونه­های متعدد بقولات دارد. این پلاسمید اگر در زمینه کروموزومی A. tumefaciens C58 قرار گیرد، باعث بیماری­زایی قوی در سویا و سایر بقولات می­شود. سرانجام، حساسیت به بیماری گال تاجی، یک اساس ژنتیکی در کدوییان، نخود، سویا، انگور و حتی اکوتیپ­های مختلف Arabidopsis thaliana دارد. نقش ژن­های بیماری­زایی باکتری و ژن­های میزبان در فرآیند انتقال ژن و راه­های دست­ورزی آنها برای مقاصد مهندسی ژنتیک، در ادامه شرح داده خواهد شد.

 

منبع:

 Stanton B. Gelvin (2003), Agrobacterium-Mediated Plant Transformation: the Biology behind the "Gene-Jockeying" Tool. Microbiology and Molecular Biology Reviews. 67:16-37.


 
comment نظرات ()
 
۰۶/۰۶/۰۶
نویسنده : کسری اصفهانی - ساعت ۱۱:٠٥ ‎ق.ظ روز ۱۳۸٥/۳/٢٠
 

خرافات...

۶۶۶

می‌دونيد که چه معنایی در عدد ۶۶۶  نهفته است؟

در کشورهای غربی اين عدد نماد شيطان است و در کشورهای شرقی نماد خوش‌يمنی!

در ايران نمی‌دانم...

اما مهم اين است که ۴ روز پيش ۰۶/۰۶/۰۶ ميلادی بود و برخی خانم‌های باردار ۹ ماه و ۹ روزه در کشورهای غربی يک روز زايمان خود را به تاخير انداختند تا فرزندشان در روز شيطان به دنيا نيايد...از آن طرف آمار ازدواج در کشورهای آسيای جنوب شرقی بالا رفت...

چه دنيای عجيبی...

۵۵۵

يادم می‌آد يه دوستی در زمان ليسانس داشتيم که متولد ۵/۵/۵۵ بود و کلی از اين موضوع خوشحال بود...البته حسنش اين بود که ما تاريخ تولدش را فراموش نمی‌کرديم... 

۷۷۷

و آنوقت‌ها که خيلی به سينما علاقه داشتم و در جشنواره فيلم فجر برای ديدن فيلم هفت با بازی برادپيت به سينما عصر جديد رفتيم...اين فيلم در روز هفتم جشنواره در ساعت ۷ اکران شد...

۱۳

اما من شخصاْ اعداد اول بالای ۱۰ رو مثل ۳۱، ۲۹، ۱۷ و ...خيلی دوست دارم و سالار اعداد سيزده است که عدد مورد علاقه منه و ساليان سال است که به آن احترام می‌گذارم...

خوب اينها يعنی چه؟ هيچ فقط خواستم بگم ۴ روز پيش ۰۶/۰۶/۰۶ بود و ما داريم هر روز پيرتر از ديروز می‌شويم!

۴

راستی يکی از خوانندگان اين وبلاگ يعنی حامد اژدری رتبه ۴ آزمون بيوتکنولوژی کارشناسی ارشد سراسری را آورده که جای تبريک مفصل دارد و اميدوارم داستان موفقيتشو برای بقيه شما بنويسه و ما در اين وبلاگ اونو داشته باشيم ...

فعلاْ تا بعد...


 
comment نظرات ()
 
پلاستيک هاي زيستي
نویسنده : کسری اصفهانی - ساعت ٥:٥٩ ‎ب.ظ روز ۱۳۸٥/۳/۸
 

اطرافمان انباشته از پلاستيک شده است. هر کاري که انجام مي دهيم و هر محصولي را که مصرف مي کنيم، از غذايي که مي خوريم تا لوازم برقي به نحوي با پلاستيک سرو کار داشته و حداقل در بسته بندي آن از اين مواد استفاده شده است.

در کشوري مثل استراليا سالانه حدود يک ميليون تن پلاستيک توليد مي شود که 40 درصد آن صرف مصارف داخلي مي گردد. در همين کشور هر ساله حدود 6 ميليون بسته يا کيسه پلاستيکي مصرف مي شود.

گرچه بسته بندي پلاستيکي با قيمتي نازل امکان حفاظت عالي از محصولات مختلف خصوصاً مواد غذايي را فراهم مي کند ولي متاسفانه معضل بزرگ زيست محيطي حاصل از آن گريبانگير بشريت شده است. اکثر پلاستيک هاي معمول در بازار از فرآورده هاي نفتي و ذغال سنگ توليد شده و غير قابل بازگشت به محيط هستند و تجزيه آنها و برگشت به محيط چند هزار سال طول مي کشد.

به منظور رفع اين مشکل، محققان علوم زيستي در پي توليد پلاستيک هاي زيست تخريب پذير از منابع تجديد شونده مثل ريزسازواره ها و گياهان مي باشند.

واژه زيست تخريب پذير يا Biodegradable به معني موادي است که بسادگي توسط فعاليت موجودات زنده به زير واحدهاي سازنده خود تجزيه شده و بنابراين در محيط باقي نمانند.

استانداردهاي متعددي براي تعيين زيست تخريب پذيري يک محصول وجود دارد که عمدتاً به تجزيه 60 تا 90 درصد از محصول در مدت دو تا شش ماه محدود مي گردد. اين استاندارد در کشورهاي مختلف متفاوت است.

اما دليل اصلي زيست تخريب پذير نبودن پلاستيک هاي معمول، طويل بودن طول مولکول پليمر و پيوند قوي بين مونومرهاي آن بوده که تجزيه آن را توسط موجودات تجزيه کننده با مشکل مواجه مي کند.

نمونه بسته بندی با پلاستيک زيست تخريب پذير

با اين حال توليد پلاستيک ها با استفاده از منابع طبيعي مختلف، باعث سهولت تجزيه آنها توسط تجزيه­کنندگان طبيعي مي گردد. براي اين منظور و با هدف داشتن صنعتي در خدمت توسعه پايدار و حفظ زيست­بوم هاي طبيعي، توليد نسل جديدي از مواد اوليه مورد نياز صنعت بر اساس فرآيندهاي طبيعي در دستور کار بسياري از کشورهاي پيشرفته قرار گرفته است.

به طور مثال دولت امريکا طي برنامه اي بنا دارد تا سال 2010، توليد مواد زيستي را با استفاده از کشاورزي و با بهره برداري از انرژي خورشيد با درآمد تقريبي 15 تا 20 ميليارد دلار انجام دهد.

در اين بين توليد پليمرهاي زيستي جايگاه خاصي دارند. توليد اينگونه پليمرها توسط طيف وسيعي از موجودات زنده مثل گياهان، جانوران و باکتري ها صورت مي گيرد. چون اين مواد اساس طبيعي دارند، بنابراين توسط ساير موجودات نيز مورد مصرف قرار مي گيرند و تجزيه کنندگان از جمله مهم ترين اين موجودات زنده در موضوع مورد بحث ما مي باشند.

براي بهره برداري از اين پليمرها در صنعت دو موضوع بايد مورد توجه قرار گيرد:

 

الف) ديد محيط زيستي: اين مواد بايد سريعاً در محيط مورد تجزيه قرار گيرند، بافت خاک را بر هم نزنند و به راحتي با برنامه هاي مديريت زباله و بازيافت مواد از محيط خارج شوند.

ب) ديد صنعتي: اين مواد بايد خصوصيات مورد انتظار صنعت را از جمله دوام و کارايي را داشته باشند و از همه مهمتر، پس از برابري يا بهبود کيفيت نسبت به مواد معمول، قيمت تمام شده مناسبي داشته باشند.

در هر دو بخش، مخصوصاً بخش دوم، استفاده از مهندسي توليد مواد براي دستيابي  به اهداف مورد انتظار ضروري است.

همانطور که ذکر شد، توليد پليمرهاي تجديد شونده با بهره برداري از کشاورزي، يکي از روش هاي توليد صنعتي پايدار مي باشد. براي اين منظور دو روش اصلي وجود دارد:

نخست استخراج مستقيم پليمرها از توده زيستي گياه مي باشد. پليمرهايي که از اين روش توليد مي شوند عمدتاً شامل سلولز، نشاسته، انواع پروتئين ها، فيبرها و چربي هاي گياهي مي باشند که به عنوان شالوده مواد پليمري و محصولات طبيعي کاربرد دارند.

دسته ديگر موادي هستند که پس از انجام فرآيندهايي مانند تخمير و هيدروليز مي توانند به عنوان مونومر پليمرهاي مورد نياز صنعت استفاده شوند.

مونومرهاي زيستي همچنين مي توانند توسط موجودات زنده نيز به پليمر تبديل شوند که مثال بارز آن پلي هيدروکسي آلکانوات ها مي باشند.

باکتري ها از جمله موجوداتي هستند که اين دسته از مواد را به صورت گرانول هايي در پيکره سلولي خود توليد مي کنند. اين باکتري به سهولت در محيط کشت رشد داده شده و محصول آن برداشت مي شود.

رهيافت ديگر جداسازي ژن هاي درگير در اين فرآيند و انتقال آن به گياهان مي باشد که پروژه هايي در اين زمينه از جمله انتقال ژن هاي باکتريايي توليد PHA به ذرت انجام شده است.

نکته اي که نبايد از نظر دور داشت اين است که علي رغم قيمت بالاتر توليد پلاستيک هاي زيست تخريب پذير، چه بسا قيمت واقعي آنها بسيار کمتر از پلاستيک هاي سنتي باشد؛ چرا که بهاي تخريب محيط زيست و هزينه بازيافت پس از توليد هيچ گاه مورد محاسبه قرار نمي گيرد.

در ادامه مبحث، توليد پلاستيک هاي زيست تخريب پذير PHA به طور اختصاصي مورد بررسي قرار مي گيرد.

تقريباً تمامي پلاستيك‌هاي معمول در بازار از محصولات پتروشيمي كه غير قابل برگشت به محيط مي‌باشند، به دست مي‌آيند. راه‌حل جايگزين براي اين منظور، بهره‌برداري از باكتري هاي خاكزي مانند Ralstonia eutrophus مي‌باشد كه تا ۸۰ درصد از توده زيستي خود قادر به انباشتن پليمرهاي غير سمي و تجزيه‌پذير پلي هيدروكسي آلكانوات (PHA) هستند.

PHA ها عموماً از زيرواحد بتاهيدروكسي آلكانوات و به واسطه مسيري ساده با ۳ آنزيم از استيل-كوآنزيم A ساخته شده و معروف‌ترين آنها پلي هيدروكسي بوتيرات (PHB) مي‌باشد.

در خلال دهه ۸۰ ميلادي شركت انگليسي ICI فرآيند تخميري را طراحي و اجرا كرد كه از آن طريق PHB و ساير PHA ها را با استفاده از كشت E.coli تراريخته كه ژن‌هاي توليد PHA را از باكتري‌هاي توليد كننده اين پليمرهاي دريافت كرده بود، توليد مي‌كرد.

متاسفانه هزينه توليد اين پلاستيك‌هاي زيست تخريب پذير، تقريباً ۱۰ برابر هزينه توليد پلاستيك‌هاي معمولي بود.

با وجود مزاياي بي‌شمار زيست محيطي اين پلاستيك‌ها مثل تجزيه كامل آنها در خاك طي چند ماه، هزينه بالاي توليد آنها، باعث اقتصادي نبودن توليد تجارتي در مقياس صنعتي بود.

با اين وجود بازار كوچك و پرسودي براي اين محصولات ايجاد شد و از پلاستيك‌هاي زيست تخريب پذير براي ساخت بافت هاي مصنوعي بهره‌برداري گرديد. با وارد كردن اين پلاستيك ها در بدن، آنها به تدريج تجزيه شده و بدن بافت طبيعي را در قالب پلاستيك وارد شده دوباره‌سازي مي‌كند. در اين كاربرد تخصصي پزشكي، قيمت اينگونه محصولات زيستي قابل مقايسه با كاربردهاي كم ارزش اقتصادي پلاستيك در صنايع اسباب بازي، توليد خودكار و كيف نمي‌باشد.

هزينه توليد PHA ها با توليد آنها در گياهان تراريخته و كشت وسيع در زمينهاي كشاورزي، به نحو قابل ملاحظه‌اي كاهش خواهد يافت. اين موضوع باعث شد كه شركت مونسانتو در اواسط دهه ۹۰ ميلادي امتياز توليد PHA را از شركت ICI كسب نمايد و به انتقال ژن هاي باكتري به گياه منداب بپردازد. مهيا كردن شرايط براي تجمع PHA ها در پلاستيد به جاي سيتوسل، امكان برداشت محصول پليمري را از برگ و دانه ايجاد كرد.

مهمترين مشكل لاينحل باقي مانده در بخش فني اين پروژه، نحوه استخراج اين پليمر از بافت هاي گياهي با روشي كم هزينه و كارآمد مي‌باشد.

مشكل ديگر در زمينه PHB مي‌باشد كه در حقيقت مهم‌ترين گروه از PHA ها بوده ولي متاسفانه شكننده بوده و در نتيجه براي بسياري از كاربردها مناسب نمي‌باشد. بهترين پلاستيك‌هاي زيست تخريب پذير، كوپليمرهاي پلي هيدروكسي بوتيرات با ساير PHA ها مثل پلي هيدروكسي والرات مي‌باشند. توليد اينگونه كوپليمرها در گياهان تراريخت بسيار سخت تر از توليد پليمرهاي تك مونومر مي‌باشد. در سال ۲۰۰۱ اين مشكلات به همراه مسايل مالي شركت مونسانتو باعث شد تا اين شركت، امتياز توليد PHA تراريخت را به شركت Metabolix واگذار كند.

شركت Metabolix در قالب يك پروژه مشاركتي با وزارت انرژي آمريكا به ارزش تقريبي 8/14 ميليون دلار، براي توليد PHA در گياهان تراريخته تا پايان دهه ۲۰۱۰ ميلادي تلاش مي‌كند.

گروه هاي ديگري نيز براي توليد PHA در گياهاني مثل نخل روغني تلاش مي‌كنند.

بايد منتظر بود تا سرانجام شاهد توليد اقتصادي اين محصولات دوستدار محيط زيست در آينده‌اي نزديك بود.

 

  1. Hand book of Plant Biotechnology (2004), Paul Christou and Haraly Klee, WILEY.
  2. PHA production, from bacteria to plants (1999), Valentine et al., Int J Biol Macromol 25: 303-6.
  3. Bacteria and other biological systems for polyester production (1998), Steinbuchel and Fuchtenbusch, Trends Biotechnol 16: 419-27.

 
comment نظرات ()
 
کنگره ژنتيک
نویسنده : کسری اصفهانی - ساعت ٤:٠٩ ‎ب.ظ روز ۱۳۸٥/۳/٧
 

کنگره ژنتيک برگزار شد و خبرهايش را می‌توانيد در سرويس خبری ژنتيک و بيوتکنولوژی ايران و سايت انجمن بخوانيد. در انتهای کنگره اين عکس برای من بهترين چيز بود که باقی ماند، خاطره ای از يک کار گروهی با همکارانی دوست داشتنی ... البته يکی از ثمرات تلاشمان ۳ شماره خبرنامه کنگره بود که بايد به دوستانم در اين عکس يک خسته نباشيد جانانه بگويم؛ بچه ها متشکرم.

از راست به چپ: زينب، ريحانه، تارا، من، محمد و هومن.

نکته: نه زينب قد کوتاه است نه هومن زيادی قد بلند، بلکه عکس کمی کج است...


 
comment نظرات ()