معلومة

عنوان زوج قاعدة الحمض النووي

عنوان زوج قاعدة الحمض النووي



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

هل يحدث أي فرق في أي خيط من رؤوس زوج قاعدة الحلزون المزدوج للحمض النووي؟ أعني ، هل يمكن أن يحدث زوج القاعدة AT وزوج القاعدة TA أي فرق عند تفسيره بواسطة الآليات البيوكيميائية التي تستخدم الحمض النووي؟

الحلزون المزدوج له خصلتان ، أليس كذلك؟ فهل يُحدث زوج الأدينين في الأول والثايمين في الخيط الثاني أي فرق مع الأدينين في الثاني والثيمين في الأول؟

أنا مبتدئ في الكيمياء الحيوية ، لذا يرجى المعذرة على جهلي إذا كان السؤال سخيفًا.


نعم بالتأكيد ، الإجابة المختصرة.

يتم ترميز جميع الجينات بطريقة 5-prime $ rightarrow $ 3-Prime على كل من خيطي DNA للحلزون المزدوج.

فيما يلي مثال على امتداد الجينوم من بكتيريا أعمل عليها في رسالة الدكتوراه الخاصة بي:

كل صندوق من المربعات الزرقاء عبارة عن جين منفصل. يمكنك أن ترى أنه يمكن تشفيرها على كلا الجدولين ، وتشغيلها في اتجاهين متعاكسين.

وبالتالي ، ما إذا كان الزوج الأساسي هو AT أو TA يغير التسلسل الكلي ، وسيؤثر على أي جين يحدث لتمتد من هذا الزوج الأساسي.


عند قراءة الحمض النووي أثناء النسخ ، يُطلق على الخيط الذي يقيم عليه الجين اسم الشريط النموذجي (أحيانًا "الإحساس").

يتم فصل الخيط بواسطة إنزيمات بوليميراز RNA ، ثم يستخدم الخيط المعاكس للحمض النووي ، المعروف باسم الخيط "المضاد للحس" ، لإنشاء نسخة من تسلسل الجينات ، ولكن في RNA بدلاً من DNA (وقواعد Thmidine هي استبدال اليوراسيل ، كما في الرسم التخطيطي).

وهكذا ، فإن البوليميراز يخلق صورة معكوسة لصورة معكوسة ، ويعيد تسلسل الخيط الأصلي ، ولكن في تمثيله RNA.

سيؤدي قلب القواعد المستديرة في اللولب إلى تغيير التسلسل في جزيء الحمض النووي ، وسيتم نشر هذا بواسطة الإنزيمات وما إلى ذلك التي تعتمد عليها في النسخ والتكرار.


ما هو الحمض النووي؟

الحمض النووي ، أو الحمض النووي الريبي منقوص الأكسجين ، هو المادة الوراثية في البشر وجميع الكائنات الحية الأخرى تقريبًا. تقريبا كل خلية في جسم الشخص لها نفس الحمض النووي. يقع معظم الحمض النووي في نواة الخلية (حيث يطلق عليه DNA النووي) ، ولكن يمكن أيضًا العثور على كمية صغيرة من الحمض النووي في الميتوكوندريا (حيث يطلق عليه DNA الميتوكوندريا أو mtDNA). الميتوكوندريا هي هياكل داخل الخلايا تقوم بتحويل الطاقة من الغذاء إلى شكل يمكن للخلايا أن تستخدمه.

يتم تخزين المعلومات الموجودة في الحمض النووي كرمز مكون من أربع قواعد كيميائية: الأدينين (A) ، والجوانين (G) ، والسيتوزين (C) ، والثايمين (T). يتكون الحمض النووي البشري من حوالي 3 مليارات قاعدة ، وأكثر من 99 في المائة من هذه القواعد هي نفسها في جميع الناس. يحدد ترتيب أو تسلسل هذه القواعد المعلومات المتاحة لبناء كائن حي والحفاظ عليه ، على غرار الطريقة التي تظهر بها حروف الأبجدية بترتيب معين لتكوين الكلمات والجمل.

تتزاوج قواعد الحمض النووي مع بعضها البعض ، A مع T و C مع G ، لتشكيل وحدات تسمى أزواج القاعدة. ترتبط كل قاعدة أيضًا بجزيء السكر وجزيء الفوسفات. معا ، القاعدة والسكر والفوسفات تسمى نوكليوتيد. يتم ترتيب النيوكليوتيدات في خيطين طويلين يشكلان حلزونيًا يسمى الحلزون المزدوج. يشبه هيكل اللولب المزدوج سلمًا إلى حد ما ، حيث تشكل أزواج القاعدة درجات السلم وتشكل جزيئات السكر والفوسفات الأجزاء الجانبية الرأسية للسلم.

من الخصائص المهمة للحمض النووي أنه يمكن أن يتكاثر أو يصنع نسخًا منه. يمكن أن يعمل كل خيط من الحمض النووي في الحلزون المزدوج كنمط لتكرار تسلسل القواعد. هذا أمر بالغ الأهمية عندما تنقسم الخلايا لأن كل خلية جديدة تحتاج إلى نسخة دقيقة من الحمض النووي الموجود في الخلية القديمة.

الحمض النووي هو حلزون مزدوج يتكون من أزواج قاعدية متصلة بالعمود الفقري للسكر والفوسفات.


قواعد الاقتران الأساسي (أو الاقتران بالنيوكليوتيدات) هي:

  • أ مع تي: البيورين الأدينين (أ) يتزاوج دائمًا مع البيريميدين الثايمين (ت)
  • ج مع جي: بيريميدين السيتوزين (ج) دائمًا يتزاوج مع البيورين جوانين (ز)

يتوافق هذا مع عدم وجود مساحة كافية (20 & Aring) لتناسب اثنين من البيورينات داخل اللولب ومساحة كبيرة جدًا لاقتراب اثنين من البيريميدين من بعضهما البعض بشكل كافٍ لتكوين روابط هيدروجينية بينهما. لكن لماذا لا يكون A مع C و G مع T؟ الإجابة: فقط مع A & amp T ومع C & amp G توجد فرص للتأسيس روابط هيدروجينية (يظهر هنا كخطوط منقطة) بينهما (اثنان بين A & amp T ثلاثة بين C & amp G). غالبًا ما تسمى هذه العلاقات قواعد واتسون كريك الاقتران الأساسي ، الذي سمي على اسم العالمين اللذين اكتشفا أساسهما الهيكلي.

الجدول 5.4.1: النسب النسبية (٪) للقواعد في الحمض النووي
الكائن الحي أ تي جي ج
بشر 30.9 29.4 19.9 19.8
فرخة 28.8 29.2 20.5 21.5
الجراد 29.3 29.3 20.5 20.7
بحر يورتشين 32.8 32.1 17.7 17.3
قمح 27.3 27.1 22.7 22.8
خميرة 31.3 32.9 18.7 17.1
بكتريا قولونية 24.7 23.6 26.0 25.7

تخبرنا قواعد الاقتران الأساسي أنه إذا تمكنا من & اقتباس & اقتباس تسلسل النيوكليوتيدات على خيط واحد من الحمض النووي ، فيمكننا على الفور استنتاج التسلسل التكميلي على الشريط الآخر. تشرح قواعد الاقتران الأساسي ظاهرة أنه مهما كانت كمية الأدينين (A) في الحمض النووي للكائن الحي ، فإن كمية الثايمين (T) هي نفسها (تسمى حكم Chargaff ل). وبالمثل ، مهما كانت كمية الجوانين (G) ، فإن كمية السيتوزين (C) هي نفسها. تختلف نسبة C + G: A + T من كائن حي إلى كائن حي ، خاصة بين البكتيريا ، ولكن ضمن حدود الخطأ التجريبي ، A = T و C = G.


محتويات

تم تطوير تقنيات الترميز الشريطي للحمض النووي من العمل المبكر لتسلسل الحمض النووي على المجتمعات الميكروبية باستخدام جين 5S rRNA. [9] في عام 2003 ، تم اقتراح طرق محددة ومصطلحات خاصة بالتشفير الشريطي للحمض النووي الحديث كطريقة معيارية لتحديد الأنواع ، بالإضافة إلى إمكانية تخصيص تسلسلات غير معروفة لأصناف أعلى مثل الرتب والشعب ، في ورقة بقلم Paul D.N. Hebert et al. من جامعة جيلف ، أونتاريو ، كندا. [10] أظهر هيبرت وزملاؤه فائدة السيتوكروم ج أوكسيديز I (COI) ، الذي استخدمه Folmer et al. في عام 1994 ، باستخدام بادئات الحمض النووي المنشورة كأداة لتحليلات النشوء والتطور على مستويات الأنواع [10] كأداة تمييز مناسبة بين اللافقاريات الميتازوان. [11] تُستخدم "منطقة فولمر" لجين COI بشكل شائع للتمييز بين الأصناف بناءً على أنماط التباين على مستوى الحمض النووي. السهولة النسبية لاسترداد التسلسل ، والتنوع الممزوج بالحفظ بين الأنواع ، هي بعض فوائد COI. دعا هيبرت وآخرون ملفات التعريف "الباركود". توخى تطوير قاعدة بيانات COI يمكن أن تكون بمثابة الأساس لـ "نظام عالمي لتحديد الهوية".

أخذ العينات والحفظ تحرير

يمكن عمل الترميز الشريطي من نسيج من عينة مستهدفة ، أو من خليط من الكائنات الحية (عينة مجمعة) ، أو من الحمض النووي الموجود في العينات البيئية (مثل الماء أو التربة). تختلف طرق أخذ العينات أو الحفظ أو التحليل بين تلك الأنواع المختلفة من العينات.

للحصول على رمز شريطي لعينة نسيج من العينة المستهدفة ، من المحتمل أن تكون قطعة صغيرة من الجلد أو مقياس أو ساق أو هوائي كافٍ (اعتمادًا على حجم العينة). لتجنب التلوث ، من الضروري تعقيم الأدوات المستخدمة بين العينات. يوصى بجمع عينتين من عينة واحدة ، واحدة للأرشفة والأخرى لعملية التشفير الشريطي. يعد الحفاظ على العينة أمرًا بالغ الأهمية للتغلب على مشكلة تدهور الحمض النووي.

العينة السائبة هي نوع من العينة البيئية تحتوي على العديد من الكائنات الحية من المجموعة التصنيفية قيد الدراسة. الفرق بين العينات السائبة (بالمعنى المستخدم هنا) والعينات البيئية الأخرى هو أن العينة السائبة توفر عادةً كمية كبيرة من الحمض النووي عالي الجودة. [12] تشمل الأمثلة على العينات السائبة عينات اللافقاريات المائية التي تم جمعها بواسطة شبكة الركل ، أو عينات الحشرات التي تم جمعها باستخدام مصيدة Malaise. عينات المياه المفلترة أو المجزأة الحجم التي تحتوي على كائنات حية كاملة مثل حقيقيات النوى أحادية الخلية تُعرَّف أحيانًا على أنها عينات سائبة. يمكن جمع هذه العينات باستخدام نفس التقنيات المستخدمة للحصول على عينات تقليدية لتحديد يعتمد على التشكل.

طريقة الحمض النووي البيئي (eDNA) هي طريقة غير غازية لاكتشاف وتحديد الأنواع من الحطام الخلوي أو الحمض النووي خارج الخلية الموجود في العينات البيئية (مثل الماء أو التربة) من خلال الترميز الشريطي أو الترميز الأيضي. يعتمد النهج على حقيقة أن كل كائن حي يترك الحمض النووي في البيئة ، ويمكن اكتشاف هذا الحمض النووي البيئي حتى بالنسبة للكائنات الحية ذات الوفرة المنخفضة جدًا. وبالتالي ، بالنسبة لأخذ العينات الميدانية ، فإن الجزء الأكثر أهمية هو استخدام مواد وأدوات خالية من الحمض النووي في كل موقع أو عينة لأخذ العينات لتجنب التلوث ، إذا كان من المحتمل أن يكون الحمض النووي للكائن (الكائنات) المستهدف موجودًا بكميات منخفضة. من ناحية أخرى ، تشتمل عينة eDNA دائمًا على الحمض النووي للكائنات الحية الدقيقة ذات الخلية الكاملة ، والتي غالبًا ما توجد بكميات كبيرة. لذلك ، تسمى عينات الكائنات الحية الدقيقة المأخوذة في البيئة الطبيعية أيضًا عينات eDNA ، ولكن التلوث أقل إشكالية في هذا السياق بسبب الكمية الكبيرة من الكائنات الحية المستهدفة. يتم تطبيق طريقة eDNA على معظم أنواع العينات ، مثل الماء أو الرواسب أو التربة أو براز الحيوانات أو محتوى المعدة أو الدم من على سبيل المثال. العلق. [13]

تحرير استخراج الحمض النووي والتضخيم والتسلسل

يتطلب تشفير الحمض النووي الشريطي أن يتم استخراج الحمض النووي في العينة. توجد عدة طرق مختلفة لاستخراج الحمض النووي ، وتؤثر عوامل مثل التكلفة والوقت ونوع العينة والمحصول على اختيار الطريقة المثلى.

عندما يتم تضخيم الحمض النووي من عينات الكائن الحي أو eDNA باستخدام تفاعل البلمرة المتسلسل (PCR) ، يمكن أن يتأثر التفاعل سلبًا بجزيئات المثبط الموجودة في العينة. [14] إزالة هذه المثبطات أمر بالغ الأهمية لضمان توفر الحمض النووي عالي الجودة للتحليل اللاحق.

يعد تضخيم الحمض النووي المستخرج خطوة مطلوبة في تشفير الحمض النووي الشريطي. بشكل نموذجي ، يتم تسلسل جزء صغير فقط من إجمالي مادة الحمض النووي (عادةً ما بين 400-800 زوج قاعدي) [15] للحصول على الرمز الشريطي للحمض النووي. عادة ما يركز تضخيم مادة eDNA على أحجام أجزاء أصغر (& lt200 أزواج قاعدية) ، حيث من المرجح أن تكون eDNA مجزأة أكثر من مادة DNA من مصادر أخرى. ومع ذلك ، تجادل بعض الدراسات بأنه لا توجد علاقة بين حجم amplicon ومعدل اكتشاف eDNA. [16] [17]

عندما يتم تضخيم منطقة علامة الباركود DNA ، فإن الخطوة التالية هي ترتيب منطقة العلامة باستخدام طرق تسلسل الحمض النووي. [18] العديد من منصات التسلسل المختلفة متاحة ، والتطوير التقني يتقدم بسرعة.

تحرير اختيار العلامة

العلامات المستخدمة في ترميز الحمض النووي الشريطي تسمى الرموز الشريطية. من أجل توصيف الأنواع بنجاح بناءً على أكواد DNA الشريطية ، يعد اختيار مناطق DNA المفيدة أمرًا بالغ الأهمية. يجب أن يحتوي الكود الشريطي للحمض النووي الجيد على تباين منخفض داخلي وعالي بين النوعية [10] ويمتلك مواقع محاطة محفوظة لتطوير بادئات PCR عالمية للتطبيق التصنيفي الواسع. الهدف هو تصميم بادئات تكتشف وتميز معظم أو كل الأنواع في مجموعة الكائنات المدروسة (دقة تصنيفية عالية). يجب أن يكون طول تسلسل الرمز الشريطي قصيرًا بما يكفي لاستخدامه مع مصدر أخذ العينات الحالي واستخراج الحمض النووي وطرق التضخيم والتسلسل. [19]

من الناحية المثالية ، يمكن استخدام تسلسل جيني واحد لجميع المجموعات التصنيفية ، من الفيروسات إلى النباتات والحيوانات. ومع ذلك ، لم يتم العثور على مثل هذه المنطقة الجينية حتى الآن ، لذلك يتم استخدام رموز شريطية مختلفة لمجموعات مختلفة من الكائنات الحية ، [20] أو اعتمادًا على سؤال الدراسة.

ل الحيوانات، الباركود الأكثر استخدامًا هو سيتوكروم سي أوكسيديز I (COI) المكان. [21] تُستخدم أيضًا جينات الميتوكوندريا الأخرى ، مثل Cytb أو 12S أو 18S. تُفضل جينات الميتوكوندريا على الجينات النووية بسبب افتقارها إلى الإنترونات ، وطريقة وراثتها الفردية وإعادة تركيبها المحدود. [21] [22] علاوة على ذلك ، تحتوي كل خلية على ميتوكوندريا مختلفة (تصل إلى عدة آلاف) وتحتوي كل منها على عدة جزيئات DNA دائرية. لذلك يمكن أن توفر الميتوكوندريا مصدرًا وفيرًا للحمض النووي حتى عندما تكون عينة الأنسجة محدودة. [20]

في النباتاتومع ذلك ، فإن جينات الميتوكوندريا ليست مناسبة لتشفير الحمض النووي الشريطي لأنها تظهر معدلات طفرة منخفضة. [23] تم العثور على عدد قليل من الجينات المرشحة في جينوم البلاستيدات الخضراء ، وأكثرها واعدًا هو جين maturase K (ماتك) بمفرده أو بالاشتراك مع جينات أخرى. علامات متعددة المواضع مثل الفواصل المكتوبة الداخلية الريبوسومية (ITS DNA) جنبًا إلى جنب ماتك, rbcL, trnH أو جينات أخرى تم استخدامها أيضًا لتحديد الأنواع. [20] تم تحقيق أفضل تمييز بين الأنواع النباتية عند استخدام اثنين أو أكثر من الرموز الشريطية للبلاستيدات الخضراء. [24]

ل بكتيريا، يمكن استخدام الوحدة الفرعية الصغيرة لجين RNA الريبوسومي (16S) لأنواع مختلفة ، حيث يتم حفظها بشكل كبير. [25] تقترح بعض الدراسات COI، [26] مرافقة من النوع الثاني (سي بي إن 60) [27] أو β الوحدة الفرعية لبوليميراز الحمض النووي الريبي (rpoB) [28] يمكن أيضًا أن تكون بمثابة رموز شريطية للحمض النووي البكتيري.

الباركود الفطريات أكثر صعوبة ، وقد تكون هناك حاجة إلى أكثر من تركيبة برايمر. [29] إن COI تؤدي العلامة أداءً جيدًا في مجموعات معينة من الفطريات ، [30] ولكن ليس جيدًا في مجموعات أخرى. [31] لذلك ، يتم استخدام علامات إضافية ، مثل ITS rDNA والوحدة الفرعية الكبيرة من RNA الريبوسوم النووي (LSU). [32]

ضمن مجموعة الخلية، تم اقتراح العديد من الرموز الشريطية ، مثل مناطق D1 – D2 أو D2 – D3 من 28S rDNA و V4 دون الإقليمية لجين الرنا الريباسي 18S و ITS rDNA و COI. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام بعض الرموز الشريطية المحددة لطلائع التمثيل الضوئي ، على سبيل المثال الوحدة الفرعية الكبيرة لجين ribulose-1،5-bisphosphate carboxylase-Oxygenase (rbcL) وجين الحمض الريبي النووي الريبي البلاستيكي 23S. [20]

العلامات التي تم استخدامها في تشفير الحمض النووي الشريطي في مجموعات مختلفة من الكائنات الحية ، تم تعديلها من Purty و Chatterjee. [20]
مجموعة الكائنات الحية الجين المحدد / موضع
الحيوانات COI، [33] Cytb ، [34] 12S ، [35] 16S [36]
النباتات ماتك, [37] rbcL, [38] psbA-trnH, [39] إنه [40]
بكتيريا COI, [26] rpoB، [28] 16S ، [41] سي بي إن 60, [27] tuf, [42] ريف, [43] gnd [44]
الفطريات إنه, [2] [45] TEF1α, [46] [47] RPB1 (LSU) ، RPB2 (LSU) ، 18 ثانية (SSU) [32]
الخلية إنه, [48] COI, [49] rbcL, [50] 18 ثانية, [51] 28 ثانية [50]

تُستخدم المكتبات المرجعية في التحديد التصنيفي ، والذي يُطلق عليه أيضًا التعليق التوضيحي ، للتسلسلات التي تم الحصول عليها من الترميز الشريطي أو الترميز الأيضي. تحتوي قواعد البيانات هذه على أكواد DNA الشريطية المخصصة لأصناف محددة مسبقًا. لا تغطي معظم مكتبات المراجع جميع الأنواع داخل مجموعة الكائن الحي ، ويتم إنشاء إدخالات جديدة باستمرار. في حالة الكائنات الحية الدقيقة والكثير من الكائنات الحية الدقيقة (مثل الطحالب) ، تتطلب هذه المكتبات المرجعية توثيقًا تفصيليًا (مكان أخذ العينات وتاريخها ، والشخص الذي جمعها ، والصورة ، وما إلى ذلك) وتحديد تصنيفي موثوق لعينة القسيمة ، وكذلك التقديم من التسلسلات بتنسيق معين. ومع ذلك ، يتم استيفاء هذه المعايير لعدد قليل فقط من الأنواع. تتطلب العملية أيضًا تخزين عينات القسائم في مجموعات المتحف والمعشبات والمؤسسات المتعاونة الأخرى. كل من التغطية الشاملة من الناحية التصنيفية وجودة المحتوى مهمان لدقة التعريف. [52] في عالم الميكروبات ، لا توجد معلومات عن الحمض النووي لمعظم أسماء الأنواع ، ولا يمكن تخصيص العديد من تسلسلات الحمض النووي لأي من ذات الحدين في Linnaean. [53] توجد العديد من قواعد البيانات المرجعية اعتمادًا على مجموعة الكائن الحي والواسم الجيني المستخدم. توجد قواعد بيانات وطنية أصغر (مثل FinBOL) ، واتحادات كبيرة مثل مشروع الباركود الدولي للحياة (iBOL). [54]

تم إطلاق Barcode of Life Data System (BOLD) [55] في عام 2007 ، وهو واحد من أكبر قواعد البيانات ، حيث يحتوي على أكثر من 450.000 BIN (أرقام فهرس الباركود) في عام 2019. وهو مستودع يمكن الوصول إليه مجانًا للعينات وسجلات التسلسل الخاصة بـ دراسات الباركود ، وهي أيضًا منضدة عمل تساعد في الإدارة وضمان الجودة وتحليل بيانات الباركود. تحتوي قاعدة البيانات بشكل أساسي على سجلات BIN للحيوانات بناءً على العلامة الجينية COI.

تم إطلاق قاعدة بيانات UNITE [56] في عام 2003 وهي قاعدة بيانات مرجعية للتعريف الجزيئي للأنواع الفطرية مع منطقة الواسمات الوراثية للفاصل الداخلي (ITS). تستند قاعدة البيانات هذه إلى مفهوم فرضيات الأنواع: يمكنك اختيار النسبة المئوية التي تريد العمل بها ، ويتم فرز التسلسلات مقارنة بالتسلسلات التي تم الحصول عليها من عينات القسائم التي حددها الخبراء.

تم نشر قاعدة بيانات Diat.barcode [57] لأول مرة تحت اسم R-syst :: diatom [58] في عام 2016 بدءًا من البيانات من مصدرين: مجموعة ثقافة Thonon (TCC) في المحطة المائية التابعة للمعهد الوطني الفرنسي للبحوث الزراعية (INRA) ، ومن قاعدة بيانات النوكليوتيدات NCBI (المركز الوطني لمعلومات التكنولوجيا الحيوية). يوفر Diat.barcode بيانات لاثنين من العلامات الجينية ، rbcL (Ribulose-1،5-bisphosphate carboxylase / Oxygenase) و 18 S (18S ribosomal RNA). تتضمن قاعدة البيانات أيضًا معلومات إضافية عن السمات للأنواع ، مثل الخصائص المورفولوجية (الحجم الحيوي ، وأبعاد الحجم ، وما إلى ذلك) ، وأشكال الحياة (التنقل ، ونوع المستعمرة ، وما إلى ذلك) أو السمات البيئية (حساسية التلوث ، وما إلى ذلك).

تحليل المعلومات الحيوية تحرير

من أجل الحصول على بيانات منظمة بشكل جيد ونظيفة وقابلة للتفسير ، يجب معالجة بيانات التسلسل الخام باستخدام تحليل المعلومات الحيوية. يحتوي ملف FASTQ مع بيانات التسلسل على نوعين من المعلومات: التسلسلات المكتشفة في العينة (ملف FASTA) وملف الجودة مع درجات الجودة (درجات PHRED) المرتبطة بكل نوكليوتيد لكل تسلسل DNA. تشير درجات PHRED إلى الاحتمالية التي تم بها تسجيل النيوكليوتيدات المصاحبة بشكل صحيح.

نقاط جودة PHRED ومستوى اليقين المرتبط بها
10 90%
20 99%
30 99.9%
40 99.99%
50 99.999%

بشكل عام ، تنخفض درجة PHRED في نهاية كل تسلسل DNA. وبالتالي فإن بعض خطوط أنابيب المعلوماتية الحيوية تقطع ببساطة نهاية التسلسلات عند عتبة محددة.

تستخدم بعض تقنيات التسلسل ، مثل MiSeq ، تسلسلًا مزدوجًا يتم خلاله إجراء التسلسل من كلا الاتجاهين لإنتاج جودة أفضل. ثم يتم محاذاة التسلسلات المتداخلة في contigs ودمجها. عادة ، يتم تجميع عدة عينات في جولة واحدة ، وتتميز كل عينة بجزء قصير من الحمض النووي ، العلامة. في خطوة إزالة تعدد الإرسال ، يتم فرز التسلسلات باستخدام هذه العلامات لإعادة تجميع العينات المنفصلة. قبل إجراء مزيد من التحليل ، تتم إزالة العلامات والمحولات الأخرى من جزء DNA تسلسل الترميز الشريطي. أثناء التشذيب ، تتم إزالة التسلسلات ذات الجودة الرديئة (درجات PHRED المنخفضة) ، أو التسلسلات التي تكون أقصر أو أطول بكثير من الرمز الشريطي للحمض النووي المستهدف. خطوة إزالة النسخ التالية هي العملية التي يتم فيها طي جميع التسلسلات التي تمت تصفيتها بجودة عالية في مجموعة من القراءات الفريدة (وحدات التسلسل الفردية وحدات ISU) مع معلومات وفرتها في العينات. بعد ذلك ، يتم الكشف عن الكيميرا (أي التسلسلات المركبة المكونة من قطع مختلطة المنشأ) وإزالتها. أخيرًا ، يتم تجميع التسلسلات في OTUs (وحدات التصنيف التشغيلية) ، باستخدام واحدة من العديد من استراتيجيات التجميع. أكثر برامج المعلومات الحيوية استخدامًا تشمل Mothur ، [59] Uparse ، [60] Qiime ، [61] Galaxy ، [62] Obitools ، [63] JAMP ، [64] Barque ، [65] و DADA2. [66]

مقارنة كثرة القراءات ، أيالتسلسل بين العينات المختلفة لا يزال يمثل تحديًا لأن كل من العدد الإجمالي للقراءات في العينة وكذلك المقدار النسبي للقراءات للأنواع يمكن أن يختلف بين العينات أو الطرق أو المتغيرات الأخرى. للمقارنة ، يمكن للمرء بعد ذلك تقليل عدد قراءات كل عينة إلى الحد الأدنى من عدد قراءات العينات المراد مقارنتها - وهي عملية تسمى الخلخلة. طريقة أخرى هي استخدام الوفرة النسبية للقراءات. [67]

تحديد الأنواع والتخصيص التصنيفي تحرير

يتم تحقيق التخصيص التصنيفي لـ OTUs للأنواع من خلال مطابقة التسلسلات بالمكتبات المرجعية. تُستخدم أداة البحث عن المحاذاة المحلية الأساسية (BLAST) بشكل شائع لتحديد مناطق التشابه بين التسلسلات من خلال مقارنة قراءات التسلسل من العينة بالتسلسلات في قواعد البيانات المرجعية. [68] إذا كانت قاعدة البيانات المرجعية تحتوي على متواليات من الأنواع ذات الصلة ، فيمكن عندئذ تحديد تسلسل العينات على مستوى الأنواع. إذا تعذر مطابقة تسلسل لإدخال مكتبة مرجعية موجود ، فيمكن استخدام الترميز الشريطي للحمض النووي لإنشاء إدخال جديد.

في بعض الحالات ، بسبب عدم اكتمال قواعد البيانات المرجعية ، لا يمكن تحديد الهوية إلا على مستويات تصنيفية أعلى ، مثل التخصيص لعائلة أو فئة. في بعض مجموعات الكائنات الحية مثل البكتيريا ، غالبًا ما يكون التخصيص التصنيفي لمستوى الأنواع غير ممكن. في مثل هذه الحالات ، يمكن تخصيص عينة لوحدة تصنيف تشغيلية معينة (OTU).

تشمل تطبيقات الترميز الشريطي للحمض النووي تحديد الأنواع الجديدة ، وتقييم سلامة الغذاء ، وتحديد الأنواع الخفية وتقييمها ، واكتشاف الأنواع الغريبة ، وتحديد الأنواع المهددة بالانقراض والمهددة بالانقراض ، [69] وربط مراحل البيض واليرقات بالأنواع البالغة ، وتأمين حقوق الملكية الفكرية بالنسبة للمصادر الحيوية ، ووضع خطط إدارة عالمية لاستراتيجيات الحفظ وتوضيح منافذ التغذية. [70] يمكن تطبيق علامات الباركود DNA لمعالجة الأسئلة الأساسية في علم اللاهوت النظامي ، وعلم البيئة ، وعلم الأحياء التطوري والحفظ ، بما في ذلك التجمع المجتمعي ، وشبكات التفاعل بين الأنواع ، والاكتشاف التصنيفي ، وتقييم المجالات ذات الأولوية لحماية البيئة.

تحديد الأنواع تحرير

يمكن أن توفر متواليات أو علامات DNA قصيرة محددة من منطقة معيارية من الجينوم رمزًا شريطيًا للحمض النووي لتحديد الأنواع. [71] تكون الطرق الجزيئية مفيدة بشكل خاص عندما لا تكون الطرق التقليدية قابلة للتطبيق. يتميز ترميز الحمض النووي الشريطي بإمكانية تطبيق كبيرة في تحديد اليرقات التي يتوفر لها عدد قليل من الخصائص التشخيصية بشكل عام ، وفي ارتباط بمراحل الحياة المختلفة (مثل اليرقات والبالغات) في العديد من الحيوانات. [72] تحديد الأنواع المدرجة في ملاحق اتفاقية التجارة الدولية للأنواع المهددة بالانقراض (CITES) باستخدام تقنيات التشفير الشريطي يستخدم في رصد التجارة غير المشروعة. [73]

الكشف عن الأنواع الغازية تحرير

يمكن اكتشاف الأنواع الغريبة عن طريق الترميز الشريطي. [74] [75] يمكن أن يكون الترميز الشريطي مناسبًا لاكتشاف الأنواع على سبيل المثال مراقبة الحدود ، حيث يكون التحديد المورفولوجي السريع والدقيق غير ممكن في كثير من الأحيان بسبب أوجه التشابه بين الأنواع المختلفة ، ونقص الخصائص التشخيصية الكافية [74] و / أو نقص الخبرة التصنيفية. يمكن أيضًا استخدام الترميز الشريطي والتشفير الأيضي لفحص النظم البيئية بحثًا عن الأنواع الغازية ، والتمييز بين الأنواع الغازية والأنواع المحلية المتشابهة شكليًا. [76]

تحديد الأنواع المشفرة تحرير

يتيح ترميز الحمض النووي الشريطي تحديد الأنواع المشفرة والتعرف عليها. [77] تعتمد نتائج تحليلات الترميز الشريطي للحمض النووي على اختيار الأساليب التحليلية ، وبالتالي فإن عملية تحديد الأنواع المشفرة باستخدام أكواد الحمض النووي الشريطية يمكن أن تكون ذاتية مثل أي شكل آخر من أشكال التصنيف. هيبرت وآخرون. (2004) خلص إلى أن الفراشة Astraptes fulgerator في شمال غرب كوستاريكا تتكون في الواقع من 10 أنواع مختلفة. [78] ومع ذلك ، تم تحدي هذه النتائج لاحقًا من قبل Brower (2006) ، الذي أشار إلى العديد من العيوب الخطيرة في التحليل ، وخلص إلى أن البيانات الأصلية لا يمكن أن تدعم أكثر من إمكانية وجود ثلاثة إلى سبعة تصنيفات مشفرة بدلاً من عشرة تصنيفات مشفرة محيط. [79] سميث وآخرون. (2007) السيتوكروم المستخدم ج أكواد أوكسيديز I DNA الشريطية لتحديد الأنواع من 20 مورفوسبيس من بيلفوسيا الذباب الطفيلي (Diptera: Tachinidae) تربى من اليرقات (Lepidoptera) في Area de Conservación Guanacaste (ACG) ، شمال غرب كوستاريكا. اكتشف هؤلاء المؤلفون أن الترميز الشريطي يرفع عدد الأنواع إلى 32 ، من خلال الكشف عن أن كل نوع من أنواع الطفيليات الثلاثة ، التي كانت تُعتبر سابقًا كطفيليات ، هي في الواقع مصفوفات لأنواع خفية خاصة بالمضيف. [80] بالنسبة لـ 15 نوعًا من الكائنات الحية متعددة الأشواك داخل أعماق القارة القطبية الجنوبية التي تمت دراستها من خلال تشفير DNA الشريطي ، تم العثور على تنوع خفي في 50٪ من الحالات. علاوة على ذلك ، تم الكشف عن 10 أنواع من الأنواع التي تم التغاضي عنها سابقًا ، مما أدى إلى زيادة ثراء الأنواع الكلية في العينة بنسبة 233٪. [81]

تحليل النظام الغذائي وتطبيق ويب الغذاء تحرير

يمكن أن يكون ترميز الحمض النووي الشريطي والتشفير الأيضي مفيدًا في دراسات تحليل النظام الغذائي ، [82] ويتم استخدامه عادةً إذا كان لا يمكن التعرف على عينات الفرائس بناءً على الصفات المورفولوجية. [83] [84] هناك مجموعة من طرق أخذ العينات في تحليل النظام الغذائي: يمكن إجراء عملية التمثيل الغذائي للحمض النووي على محتويات المعدة ، [85] البراز ، [84] [86] اللعاب [87] أو تحليل الجسم بالكامل. [69] [88] في عينات البراز أو محتويات المعدة شديدة الهضم ، غالبًا ما يكون من غير الممكن التمييز بين الأنسجة من نوع واحد ، وبالتالي يمكن تطبيق عملية التمثيل الغذائي بدلاً من ذلك. [84] [89] يمثل البراز أو اللعاب طرقًا غير جراحية لأخذ العينات ، بينما يعني تحليل الجسم بالكامل غالبًا أن الفرد يحتاج إلى القتل أولاً. بالنسبة للكائنات الحية الأصغر ، غالبًا ما يتم إجراء التسلسل لمحتوى المعدة عن طريق ترتيب الحيوان بأكمله.

تحرير الترميز الشريطي لسلامة الغذاء

يمثل الترميز الشريطي للحمض النووي أداة أساسية لتقييم جودة المنتجات الغذائية. والغرض من ذلك هو ضمان إمكانية تتبع الأغذية ، وتقليل قرصنة الأغذية ، وتقييم إنتاج الأغذية الزراعية المحلية والنموذجية. والغرض الآخر هو حماية الصحة العامة على سبيل المثال ، يوفر الترميز الأيضي إمكانية تحديد الهامور الذي يسبب تسممًا لأسماك سيغاتيرا من بقايا الوجبات ، [90] أو لفصل الفطر السام عن الفطر الصالح للأكل (المرجع).

الرصد البيولوجي والتقييم البيئي تحرير

يمكن استخدام الترميز الشريطي للحمض النووي لتقييم وجود الأنواع المهددة بالانقراض لجهود الحفظ (المرجع) ، أو وجود أنواع مؤشرات تعكس ظروف بيئية معينة (المرجع) ، على سبيل المثال المغذيات الزائدة أو مستويات الأكسجين المنخفضة.

تحرير الإمكانات

طرق التقييم البيولوجي التقليدية راسخة دوليًا ، وتخدم المراقبة الحيوية بشكل جيد ، على سبيل المثال للتقييم الحيوي المائي ضمن توجيهات الاتحاد الأوروبي WFD و MSFD. ومع ذلك ، يمكن أن يؤدي الترميز الشريطي للحمض النووي إلى تحسين الأساليب التقليدية للأسباب التالية التي يمكن أن يؤدي ترميز الحمض النووي الشريطي (1) إلى زيادة الدقة التصنيفية وتنسيق تحديد الأصناف التي يصعب تحديدها أو تفتقر إلى الخبراء ، (2) يمكن ربط العوامل البيئية بشكل أكثر دقة / بدقة بأصناف معينة (3) يمكن أن يزيد من إمكانية المقارنة بين المناطق ، (4) يسمح بإدراج مراحل الحياة المبكرة والعينات المجزأة ، (5) يسمح بتحديد الأنواع المشفرة / النادرة (6) يسمح بوضع مؤشرات جديدة على سبيل المثال الأنواع النادرة / الخفية التي قد تكون حساسة / متحملة للضغوط ، (7) تزيد من عدد العينات التي يمكن معالجتها وتقلل من وقت المعالجة مما يؤدي إلى زيادة المعرفة ببيئة الأنواع ، (8) هي طريقة غير غازية للرصد عند الاستخدام طرق eDNA. [91]

تعديل الوقت والتكلفة

يعد تشفير الحمض النووي الشريطي أسرع من الطرق المورفولوجية التقليدية على طول الطريق من التدريب إلى التعيين التصنيفي. يستغرق اكتساب الخبرة في أساليب الحمض النووي وقتًا أقل من أن تصبح خبيرًا في التصنيف. بالإضافة إلى ذلك ، فإن سير عمل تشفير الحمض النووي الشريطي (أي من عينة إلى نتيجة) يكون بشكل عام أسرع من سير العمل المورفولوجي التقليدي ويسمح بمعالجة المزيد من العينات.

تعديل القرار التصنيفي

يسمح الترميز الشريطي للحمض النووي بتحليل الأصناف من المستويات الأعلى (مثل الأسرة) إلى المستويات التصنيفية الأدنى (مثل الأنواع) ، والتي يصعب تحديدها باستخدام الطرق المورفولوجية التقليدية ، على سبيل المثال تحديد عن طريق الفحص المجهري. على سبيل المثال ، يتم توزيع Chironomidae (الذبابة غير القارضة) على نطاق واسع في كل من النظم البيئية الأرضية والمياه العذبة. إن ثرائها ووفرتها تجعلها مهمة للعمليات والشبكات البيئية ، وهي واحدة من العديد من مجموعات اللافقاريات المستخدمة في الرصد الحيوي. يمكن أن تحتوي عينات اللافقاريات على ما يصل إلى 100 نوع من chironomids والتي غالبًا ما تشكل ما يصل إلى 50 ٪ من العينة. على الرغم من ذلك ، لا يتم تحديدهم عادة تحت مستوى الأسرة بسبب الخبرة التصنيفية والوقت المطلوب. [92] قد ينتج عن هذا أنواع مختلفة من chironomid مع تفضيلات بيئية مختلفة مجمعة معًا ، مما يؤدي إلى تقييم غير دقيق لنوعية المياه.

يوفر الترميز الشريطي للحمض النووي الفرصة لحل الأصناف ، وربط تأثيرات الضغط بشكل مباشر بأنواع معينة مثل الأنواع chironomid الفردية. على سبيل المثال ، Beermann et al. (2018) Chironomidae المشفرة بالحمض النووي للتحقيق في استجابتها لضغوط متعددة ، خفض التدفق ، وزيادة الرواسب الدقيقة ، وزيادة الملوحة. [93] بعد الترميز ، وجد أن عينة chironomid تتكون من 183 وحدة تصنيف تشغيلية (OTUs) ، أي رموز شريطية (تسلسلات) غالبًا ما تكون مكافئة للأنواع المورفولوجية. عرضت 183 OTUs 15 نوعًا من الاستجابة بدلاً من النوعين المذكورين سابقًا [94] اللذين تم تسجيلهما عندما تم تجميع كل chironomids معًا في نفس دراسة الضغوط المتعددة. تم اكتشاف اتجاه مماثل في دراسة أجراها Macher et al. (2016) الذي اكتشف التنوع الخفي داخل أنواع ذبابة مايو النيوزيلندية Deleatidium sp. وجدت هذه الدراسة أنماط استجابة مختلفة لـ 12 وحدة OTU مميزة جزيئيًا للضغوط التي قد تغير الإجماع على أن هذا الذبابة حساسة للتلوث. [95]

تحرير العيوب

على الرغم من المزايا التي يوفرها الترميز الشريطي للحمض النووي ، فقد اقترح أيضًا أن أفضل استخدام للتشفير الشريطي للحمض النووي هو مكمل للطرق المورفولوجية التقليدية. [91] تستند هذه التوصية إلى العديد من التحديات المتصورة.

تحرير المعلمات الفيزيائية

ليس من السهل تمامًا توصيل أكواد DNA الشريطية بالتفضيلات البيئية للأصناف ذات الرموز الشريطية المعنية ، كما هو مطلوب إذا كان من المقرر استخدام التشفير الشريطي للمراقبة الحيوية. على سبيل المثال ، يعتمد اكتشاف الحمض النووي المستهدف في الأنظمة المائية على تركيز جزيئات الحمض النووي في الموقع ، والتي بدورها يمكن أن تتأثر بالعديد من العوامل. يعتمد وجود جزيئات الحمض النووي أيضًا على التشتت في الموقع ، على سبيل المثال اتجاه أو قوة التيارات. من غير المعروف حقًا كيف يتحرك الحمض النووي في الجداول والبحيرات ، مما يجعل أخذ العينات أمرًا صعبًا. قد يكون هناك عامل آخر هو سلوك الأنواع المستهدفة ، على سبيل المثال يمكن أن يكون للأسماك تغيرات موسمية في الحركات ، وسوف يطلق جراد البحر أو بلح البحر الحمض النووي بكميات أكبر فقط في أوقات معينة من حياتهم (الانسلاخ ، التبويض). بالنسبة للحمض النووي في التربة ، لا يُعرف الكثير عن التوزيع أو الكمية أو الجودة. يتمثل القيد الرئيسي لطريقة الترميز الشريطي في أنها تعتمد على مكتبات مراجع الباركود من أجل التحديد التصنيفي للتسلسلات. يكون التعريف التصنيفي دقيقًا فقط في حالة توفر مرجع موثوق. ومع ذلك ، لا تزال معظم قواعد البيانات غير مكتملة ، خاصة بالنسبة للكائنات الأصغر مثل بالإضافة إلى ذلك ، تحتوي قواعد البيانات الحالية على تعريفات خاطئة وأخطاء إملائية وأخطاء أخرى. هناك جهد كبير في العناية والإكمال حول قواعد البيانات لجميع الكائنات الحية الضرورية ، بما في ذلك مشاريع الترميز الكبيرة (على سبيل المثال مشروع iBOL لقاعدة البيانات المرجعية لـ Barcode of Life Data Systems (BOLD)). [96] [97] ومع ذلك ، فإن الإكمال والتنظيم صعبان ويستغرقان وقتًا طويلاً. بدون عينات الإيصالات ، لا يمكن أن يكون هناك يقين بشأن ما إذا كان التسلسل المستخدم كمرجع صحيحًا. تحتوي قواعد بيانات تسلسل الحمض النووي مثل GenBank على العديد من التسلسلات غير المرتبطة بالعينات المزودة بإيصالات (على سبيل المثال ، عينات الأعشاب أو خطوط الخلايا المستنبتة أو أحيانًا الصور). هذا يمثل مشكلة في مواجهة القضايا التصنيفية مثل ما إذا كان ينبغي تقسيم عدة أنواع أو دمجها ، أو ما إذا كانت التعريفات السابقة سليمة. قد تدعم إعادة استخدام التسلسلات ، غير المرتبطة بالعينات الممنوحة للكائن الذي تم التعرف عليه بشكل خاطئ في البداية ، استنتاجات غير صحيحة ويجب تجنبها. [98] لذلك ، فإن أفضل ممارسة لتشفير الحمض النووي الشريطي هي تسلسل العينات المأذون بها. [99] [100] بالنسبة للعديد من الأصناف ، قد يكون من الصعب الحصول على عينات مرجعية ، على سبيل المثال مع العينات التي يصعب اصطيادها ، أو العينات المتوفرة التي لا يتم حفظها بشكل جيد ، أو نقص الخبرة التصنيفية الكافية. [98] الأهم من ذلك ، يمكن أيضًا استخدام أكواد DNA الشريطية لإنشاء تصنيف مؤقت ، وفي هذه الحالة يمكن استخدام OTUs كبدائل لللاتينية ذات الحدين التقليديين - وبالتالي تقليل الاعتماد بشكل كبير على قواعد البيانات المرجعية المأهولة بالكامل. [101]

تعديل التحيز التكنولوجي

يحمل تشفير الحمض النووي الشريطي أيضًا تحيزًا منهجيًا ، من أخذ العينات إلى تحليل بيانات المعلوماتية الحيوية. إلى جانب خطر تلوث عينة الحمض النووي بمثبطات تفاعل البوليميراز المتسلسل ، يعد التحيز التمهيدي أحد المصادر الرئيسية للأخطاء في تشفير الحمض النووي الشريطي. [102] [103] يعد عزل محدد الحمض النووي الفعال وتصميم البادئات عملية معقدة وقد تم بذل جهد كبير لتطوير بادئات لتشفير الحمض النووي الشريطي في مجموعات تصنيفية مختلفة. [104] ومع ذلك ، غالبًا ما ترتبط البادئات بشكل تفضيلي ببعض التسلسلات ، مما يؤدي إلى كفاءة وخصوصية التمهيدي التفاضلي وتقييم المجتمعات غير التمثيلية وتضخم الثراء. [105] وهكذا ، فإن تكوين تسلسل مجتمعات العينة يتم تغييره بشكل أساسي في خطوة تفاعل البوليميراز المتسلسل. إلى جانب ذلك ، غالبًا ما يكون تكرار تفاعل البوليميراز المتسلسل مطلوبًا ، ولكنه يؤدي إلى زيادة هائلة في خطر التلوث. سلطت العديد من الدراسات الضوء على إمكانية استخدام عينات غنية بالميتوكوندريا [106] [107] أو مناهج خالية من تفاعل البوليميراز المتسلسل لتجنب هذه التحيزات ، ولكن حتى اليوم ، لا تزال تقنية التمثيل الغذائي للحمض النووي تعتمد على تسلسل الأمبليكونات. [104] يدخل تحيز آخر في الصورة أثناء التسلسل وأثناء معالجة المعلومات الحيوية للتسلسلات ، مثل إنشاء الكيميرا.

تعديل عدم التقييس

حتى مع استخدام تشفير DNA الشريطي وتطبيقه على نطاق واسع ، لا يوجد اتفاق بشأن طرق حفظ الحمض النووي أو استخراجه ، أو اختيار مجموعة علامات الحمض النووي والبادئات ، أو بروتوكولات PCR. معلمات خطوط أنابيب المعلوماتية الحيوية (على سبيل المثال مجموعات OTU أو خوارزميات التخصيص التصنيفي أو العتبات وما إلى ذلك) هي أصل الكثير من الجدل بين مستخدمي الترميز الشريطي للحمض النووي. [104] تتطور تقنيات التسلسل أيضًا بسرعة ، جنبًا إلى جنب مع أدوات تحليل الكميات الهائلة من بيانات الحمض النووي التي تم إنشاؤها ، وهناك حاجة ماسة إلى توحيد الأساليب لتمكين التعاون ومشاركة البيانات على نطاق مكاني وزمني أكبر. يعد هذا التوحيد القياسي لطرق التشفير الشريطي على المستوى الأوروبي جزءًا من أهداف إجراء COST الأوروبي DNAqua-net [108] ويتم تناوله أيضًا بواسطة CEN (اللجنة الأوروبية للتوحيد القياسي). [109]

انتقاد آخر لتشفير الحمض النووي الشريطي هو كفاءته المحدودة للتمييز الدقيق دون مستوى الأنواع (على سبيل المثال ، للتمييز بين الأصناف) ، للكشف الهجين ، وأنه يمكن أن يتأثر بالمعدلات التطورية (المرجع مطلوب).

عدم التطابق بين التحديد التقليدي (المورفولوجي) والتعريف المستند إلى الباركود تحرير

من المهم معرفة أن قوائم الأصناف المشتقة من التعريف التقليدي (المورفولوجي) ليست ، وربما لن تكون أبدًا ، قابلة للمقارنة بشكل مباشر مع قوائم الأصناف المشتقة من التعريف المستند إلى الرمز الشريطي لأسباب عديدة. ربما يكون السبب الأكثر أهمية هو عدم اكتمال وعدم دقة قواعد البيانات المرجعية الجزيئية التي تمنع التخصيص التصنيفي الصحيح لتسلسلات eDNA. لن يتم العثور على الأصناف غير الموجودة في قواعد البيانات المرجعية بواسطة eDNA ، وستؤدي التسلسلات المرتبطة باسم خاطئ إلى تحديد غير صحيح. [91] الأسباب الأخرى المعروفة هي اختلاف مقياس أخذ العينات والحجم بين العينة التقليدية والعينة الجزيئية ، والتحليل المحتمل للكائنات الميتة ، والذي يمكن أن يحدث بطرق مختلفة لكلتا الطريقتين اعتمادًا على مجموعة الكائن الحي ، والاختيار المحدد للتعريف في أي منهما الطريقة ، أي الخبرة التصنيفية المتغيرة أو إمكانية تحديد مجموعات معينة من الكائنات الحية ، على التوالي ، التحيز التمهيدي الذي يؤدي أيضًا إلى التحليل المتحيز المحتمل للتصنيف. [91]

تقديرات الثراء / التنوع تحرير

يمكن أن يؤدي ترميز الحمض النووي الشريطي إلى المبالغة في تقدير ثراء الأنواع وتنوعها أو التقليل من شأنها. تشير بعض الدراسات إلى أن المصنوعات اليدوية (تحديد الأنواع غير الموجودة في المجتمع) هي سبب رئيسي للتنوع البيولوجي المتضخم. [110] [111] المشكلة الأكثر إشكالية هي التصنيف الذي يمثله عدد قليل من قراءات التسلسل. تتم إزالة هذه القراءات عادةً أثناء عملية تصفية البيانات ، نظرًا لأن الدراسات المختلفة تشير إلى أن معظم هذه القراءات منخفضة التردد قد تكون مصطنعة. [112] ومع ذلك ، قد توجد أصناف نادرة حقيقية بين هذه القراءات منخفضة الوفرة. [١١٣] يمكن أن تعكس التسلسلات النادرة السلالات الفريدة في المجتمعات التي تجعلها تسلسلات مفيدة وقيمة. وبالتالي ، هناك حاجة ماسة إلى خوارزميات المعلومات الحيوية الأكثر قوة التي تسمح بالتمييز بين القراءات التثقيفية والتحف. ستسمح المكتبات المرجعية الكاملة أيضًا باختبار أفضل لخوارزميات المعلوماتية الحيوية ، من خلال السماح بترشيح أفضل للقطع الأثرية (أي إزالة التسلسلات التي تفتقر إلى نظير بين الأنواع الموجودة) وبالتالي ، سيكون من الممكن الحصول على تخصيص أكثر دقة للأنواع. [114] يمكن أن يؤدي التنوع الخفي أيضًا إلى تضخم التنوع البيولوجي حيث قد ينقسم أحد الأنواع المورفولوجية في الواقع إلى العديد من المتواليات الجزيئية المتميزة. [91]

يتم تعريف Metabarcoding على أنه تشفير DNA أو eDNA (DNA البيئي) الذي يسمح بالتعرف المتزامن للعديد من الأصناف داخل نفس العينة (البيئية) ، ولكن غالبًا داخل نفس مجموعة الكائن الحي. يتمثل الاختلاف الرئيسي بين الأساليب في أن عملية التمثيل الغذائي ، على عكس الترميز الشريطي ، لا تركز على كائن حي معين ، ولكنها تهدف بدلاً من ذلك إلى تحديد تكوين الأنواع داخل العينة.

منهجية تحرير

يغطي إجراء التمثيل الغذائي ، مثل الترميز العام ، خطوات استخراج الحمض النووي وتضخيم تفاعل البوليميراز المتسلسل والتسلسل وتحليل البيانات. يتكون الباركود من منطقة جينية متغيرة قصيرة (على سبيل المثال ، انظر علامات مختلفة / رموز شريطية) والتي تكون مفيدة للتخصيص التصنيفي المحاط بمناطق الجينات المحفوظة للغاية والتي يمكن استخدامها لتصميم التمهيدي. [12] تُستخدم جينات مختلفة اعتمادًا على ما إذا كان الهدف هو وضع رمز شريطي لنوع واحد أو تكويد عدة أنواع. في الحالة الأخيرة ، يتم استخدام جين أكثر شمولية. لا يستخدم Metabarcoding نوعًا واحدًا من DNA / RNA كنقطة انطلاق ، ولكن DNA / RNA من عدة كائنات مختلفة مشتقة من عينة بيئية واحدة أو عينة مجمعة.

تحرير التطبيقات

يمكن للتكويد الأيضي أن يكمل تدابير التنوع البيولوجي ، بل ويحل محلها في بعض الحالات ، خاصة وأن التقدم التكنولوجي والإجراءات تصبح تدريجياً أرخص وأكثر تعقيداً وانتشاراً. [115] [116]


محتويات

كان كريك هو الابن الأول لهاري كريك (1887-1948) وآني إليزابيث كريك (ني ويلكينز 1879-1955). ولد في 8 يونيو 1916 [2] ونشأ في ويستون فافيل ، ثم قرية صغيرة بالقرب من بلدة نورثهامبتون الإنجليزية ، حيث كان والد كريك وعمه يديران مصنع الأحذية والأحذية الخاص بالعائلة. كتب جده ، والتر دروبريدج كريك (1857–1903) ، وهو عالم طبيعة هاوٍ ، دراسة استقصائية عن فورامينيفيرا المحلية (الطلائعيات أحادية الخلية ذات القذائف) ، وتوافق مع تشارلز داروين ، [9] وكان له بطنيان (حلزون أو رخويات) سميت على اسمهما. له.

في سن مبكرة ، انجذب فرانسيس إلى العلم وما يمكن أن يتعلمه عنها من الكتب. عندما كان طفلاً ، اصطحبه والديه إلى الكنيسة. لكن بحلول سن الثانية عشرة تقريبًا ، قال إنه لا يريد الذهاب أكثر من ذلك ، لأنه فضل البحث العلمي عن إجابات على المعتقد الديني. [10]

عاش والتر كريك ، عمه ، في منزل صغير على الجانب الجنوبي من شارع أبينجتون ، وكان لديه سقيفة في قاع حديقته الصغيرة حيث علم كريك نفخ الزجاج وإجراء التجارب الكيميائية وعمل مطبوعات فوتوغرافية. عندما كان في الثامنة أو التاسعة من عمره ، انتقل إلى أصغر مدرسة ثانوية في نورثهامبتون ، على طريق بيلينج رود. كان هذا على بعد حوالي 1.25 ميل (2 كم) من منزله حتى يتمكن من المشي هناك والعودة ، عبر Park Avenue South و Abington Park Crescent ، لكنه غالبًا ما ذهب بالحافلة أو بالدراجة لاحقًا. كان التدريس في الأشكال العليا مرضيًا ، لكنه لم يكن محفزًا. بعد سن الرابعة عشرة ، تلقى تعليمه في مدرسة ميل هيل في لندن (بمنحة دراسية) ، حيث درس الرياضيات والفيزياء والكيمياء مع أفضل أصدقائه جون شيلستون. شارك في جائزة والتر نوكس للكيمياء في يوم التأسيس لمدرسة ميل هيل ، الجمعة 7 يوليو 1933. وأعلن أن نجاحه كان مستوحى من جودة التدريس التي تلقاها عندما كان تلميذًا في ميل هيل.

درس كريك في يونيفرسيتي كوليدج لندن [11] وحصل على بكالوريوس العلوم من جامعة لندن في عام 1937. فشل كريك في الحصول على مكان في إحدى جامعات كامبريدج ، ربما بسبب إخفاقه في متطلبات اللغة اللاتينية. بدأ كريك درجة الدكتوراه في UCL ، وهي كلية مكونة لجامعة لندن ولكن توقفت بسبب الحرب العالمية الثانية. أصبح لاحقًا طالب دكتوراه [12] وزميلًا فخريًا لكلية جونفيل وكايوس بكامبريدج وعمل بشكل أساسي في مختبر كافنديش ومختبر مجلس البحوث الطبية للبيولوجيا الجزيئية في كامبريدج. كما كان زميلًا فخريًا لكلية تشرشل ، كامبريدج وكلية الجامعة بلندن.

بدأ كريك مشروع بحث دكتوراه حول قياس لزوجة الماء في درجات حرارة عالية (والتي وصفها لاحقًا بأنها "أكثر مشكلة مملة يمكن تخيلها" [13]) في مختبر الفيزيائي إدوارد نيفيل دا كوستا أندرادي في جامعة كوليدج لندن ، ولكن مع تفشي المرض في الحرب العالمية الثانية (على وجه الخصوص ، حادثة وقعت خلال معركة بريطانيا عندما سقطت قنبلة على سطح المختبر ودمرت أجهزته التجريبية) ، [5] انحرف كريك عن مهنة محتملة في الفيزياء. خلال سنته الثانية كطالب دكتوراه ، حصل على جائزة Carey Foster Research Prize ، وهي شرف كبير. [14] قام بعمل ما بعد الدكتوراه في معهد البوليتكنيك في بروكلين. [15]

خلال الحرب العالمية الثانية ، عمل في مختبر أبحاث الأميرالية ، والذي انبثق من خلاله مجموعة من العديد من العلماء البارزين ، بما في ذلك ديفيد بيتس وروبرت بويد وجورج ديكون وجون جن وهاري ماسي ونيفيل موت. المناجم الصوتية ، وكان لها دور فعال في تصميم منجم جديد كان فعالاً ضد كاسحات الألغام الألمانية. [16]

في عام 1947 ، عندما كان يبلغ من العمر 31 عامًا ، بدأ كريك في دراسة علم الأحياء وأصبح جزءًا من هجرة مهمة لعلماء الفيزياء إلى أبحاث علم الأحياء. أصبحت هذه الهجرة ممكنة بفضل التأثير المكتسب حديثًا لعلماء الفيزياء مثل السير جون راندال ، الذي ساعد في كسب الحرب باختراعات مثل الرادار. كان على كريك أن يتكيف من "الأناقة والبساطة العميقة" للفيزياء إلى "الآليات الكيميائية المعقدة التي تطورها الانتقاء الطبيعي على مدى بلايين السنين". ووصف هذا التحول بأنه "كما لو كان على المرء أن يولد من جديد". وفقًا لكريك ، فإن تجربة تعلم الفيزياء قد علمته شيئًا مهمًا - الغطرسة - والاقتناع بأنه نظرًا لأن الفيزياء كانت ناجحة بالفعل ، يجب أن يكون التقدم الكبير ممكنًا أيضًا في العلوم الأخرى مثل علم الأحياء. شعر كريك أن هذا الموقف شجعه على أن يكون أكثر جرأة من علماء الأحياء العاديين الذين كانوا يميلون إلى الاهتمام بالمشكلات الرهيبة في علم الأحياء وليس النجاحات السابقة للفيزياء [ بحاجة لمصدر ] .

في الجزء الأكبر من عامين ، عمل كريك على الخصائص الفيزيائية للسيتوبلازم في مختبر أبحاث Strangeways في كامبريدج ، برئاسة Honor Bridget Fell ، بمنحة دراسية من مجلس البحوث الطبية ، حتى انضم إلى Max Perutz و John Kendrew في مختبر كافنديش. كان مختبر كافنديش في كامبريدج تحت الإدارة العامة للسير لورانس براغ ، الذي فاز بجائزة نوبل في عام 1915 عن عمر يناهز 25 عامًا. كان براج مؤثرًا في الجهود المبذولة للتغلب على الكيميائي الأمريكي الرائد ، لينوس بولينج ، لاكتشاف الحمض النووي البنية (بعد نجاح بولينج في تحديد البنية الحلزونية ألفا للبروتينات). في الوقت نفسه ، كان مختبر Bragg's Cavendish يتنافس بشكل فعال مع King's College London ، التي كان قسم الفيزياء الحيوية التابع لها تحت إشراف Randall. (رفض راندال طلب كريك للعمل في كينجز كوليدج). كان فرانسيس كريك وموريس ويلكنز من كينجز كوليدج صديقين شخصيين ، مما أثر على الأحداث العلمية اللاحقة بقدر ما أثر على الصداقة الوثيقة بين كريك وجيمس واتسون. التقى كريك وويلكنز لأول مرة في كينجز كوليدج [ بحاجة لمصدر ] وليس ، كما سجله مؤلفان خطأ ، في الأميرالية أثناء الحرب العالمية الثانية.

تزوج كريك مرتين ، وأنجب ثلاثة أطفال ، وكان جد ستة أحفاد ، وتوفي شقيقه أنتوني (مواليد 1918) قبله عام 1966. [17]

  • Ruth Doreen Crick ، ​​née Dodd (من مواليد 1913 ، م. 18 فبراير 1940 - 8 مايو 1947. د. 2011) ، أصبحت السيدة جيمس ستيوارت بوتر ، ني سبيد (من مواليد 11 أغسطس 1920 ، 14 أغسطس 1949 - 28 يوليو 2004 ، د. 5 يوليو 2007)
  • مايكل فرانسيس كومبتون (من مواليد 25 نوفمبر 1940) بقلم دورين كريك
  • غابرييل آن (مواليد 15 يوليو 1951) [بقلم أوديل كريك]
  • جاكلين ماري تيريز [لاحقًا نيكولز] (من مواليد 12 مارس 1954 ، ت 28 فبراير 2011) [بقلم أوديل كريك]
  • الكسندر (ب. مارس 1974)
  • كندرا (مواليد مايو 1976)
  • كامبرلي (ب. يونيو 1978)
  • فرانسيس هنري رايلي (مواليد فبراير 1981) ، أطفال مايكل وأمبير باربرا كريك الأربعة
  • مارك وأمبير نيكولاس ، أطفال جاكلين الراحل وكريستوفر نيكولاس. [18]

توفي كريك بسرطان القولون في صباح يوم 28 يوليو 2004 [2] في مستشفى ثورنتون بجامعة كاليفورنيا في سان دييغو (UCSD) في لا جولا ، وتم حرق جثته وتناثر رماده في المحيط الهادئ. أقيم نصب تذكاري عام في 27 سبتمبر 2004 في معهد سالك ، لا جولا ، بالقرب من سان دييغو ، كاليفورنيا ، ومن بين المتحدثين الضيوف جيمس واتسون ، وسيدني برينر ، وأليكس ريتش ، وسيمور بينزر ، وآرون كلوغ ، وكريستوف كوخ ، وبات تشيرشلاند ، وفيلايانور راماشاندران ، وتوماسو بوجيو وليزلي أورجيل وتيري سيجنوفسكي وابنه مايكل كريك وابنته الصغرى جاكلين نيكولز. [19] أقيم نصب تذكاري خاص للعائلة والزملاء في 3 أغسطس 2004.

كان كريك مهتمًا بمسألتين أساسيتين لم يتم حلهما في علم الأحياء: كيف تنتقل الجزيئات من غير الحي إلى الأحياء ، وكيف يصنع الدماغ عقلًا واعيًا. [20] أدرك أن خلفيته جعلته أكثر تأهيلًا للبحث في الموضوع الأول ومجال الفيزياء الحيوية. في هذا الوقت الذي انتقل فيه كريك من الفيزياء إلى علم الأحياء ، تأثر بكل من لينوس بولينج وإروين شرودنغر. [21] كان من الواضح من الناحية النظرية أن الروابط التساهمية في الجزيئات البيولوجية يمكن أن توفر الاستقرار الهيكلي اللازم للاحتفاظ بالمعلومات الجينية في الخلايا. بقي فقط كممارسة لعلم الأحياء التجريبي لاكتشاف الجزيء بالضبط الذي كان الجزيء الجيني. [22] [23] من وجهة نظر كريك ، فإن نظرية التطور عن طريق الانتقاء الطبيعي لتشارلز داروين ، وعلم الوراثة جريجور مندل ومعرفة الأساس الجزيئي لعلم الوراثة ، عند الجمع بينهما ، كشفت سر الحياة. [24] كان لدى كريك نظرة متفائلة جدًا بأن الحياة ستنشأ قريبًا في أنبوب اختبار. ومع ذلك ، اعتقد بعض الناس (مثل زميلة الباحث والزميلة Esther Lederberg) أن كريك كان متفائلًا بشكل غير ملائم [25]

كان من الواضح أن بعض الجزيئات الكبيرة مثل البروتين من المحتمل أن تكون الجزيء الجيني. [26] ومع ذلك ، فقد كان معروفًا أن البروتينات عبارة عن جزيئات ضخمة هيكلية ووظيفية ، وبعضها ينفذ تفاعلات إنزيمية للخلايا. [26] في الأربعينيات من القرن الماضي ، تم العثور على بعض الأدلة التي تشير إلى جزيء كبير آخر ، الحمض النووي ، المكون الرئيسي الآخر للكروموسومات ، كجزيء جيني مرشح. في تجربة Avery-MacLeod-McCarty عام 1944 ، أظهر أوزوالد أفيري ومعاونوه أن اختلافًا ظاهريًا وراثيًا يمكن أن يحدث في البكتيريا من خلال تزويدهم بجزيء DNA معين. [23]

ومع ذلك ، تم تفسير أدلة أخرى على أنها تشير إلى أن الحمض النووي كان غير مهم من الناحية الهيكلية وربما مجرد سقالة جزيئية لجزيئات البروتين الأكثر إثارة للاهتمام على ما يبدو. [27] كان كريك في المكان المناسب ، في الإطار الذهني الصحيح ، في الوقت المناسب (1949) ، للانضمام إلى مشروع ماكس بيروتز في جامعة كامبريدج ، وبدأ العمل على علم البلورات بالأشعة السينية للبروتينات. [28] عرض البلورات بالأشعة السينية نظريًا الفرصة للكشف عن التركيب الجزيئي للجزيئات الكبيرة مثل البروتينات والحمض النووي ، ولكن كانت هناك مشكلات تقنية خطيرة تمنع بعد ذلك علم البلورات بالأشعة السينية من أن تكون قابلة للتطبيق على مثل هذه الجزيئات الكبيرة. [28]

1949–1950 تعديل

علم كريك نفسه النظرية الرياضية لعلم البلورات بالأشعة السينية. [29] خلال فترة دراسة كريك لحيود الأشعة السينية ، كان الباحثون في مختبر كامبريدج يحاولون تحديد التشكل الحلزوني الأكثر استقرارًا لسلاسل الأحماض الأمينية في البروتينات (حلزون ألفا). كان لينوس بولينج أول من حدد [30] الأحماض الأمينية 3.6 لكل نسبة دوران لولبية من حلزون ألفا. كان كريك شاهداً على أنواع الأخطاء التي ارتكبها زملاؤه في محاولاتهم الفاشلة لعمل نموذج جزيئي صحيح للحلزون ألفا ، وتبين أنها دروس مهمة يمكن تطبيقها ، في المستقبل ، على البنية الحلزونية للحمض النووي. . على سبيل المثال ، تعلم [31] أهمية الصلابة الهيكلية التي تضفيها الروابط المزدوجة على الهياكل الجزيئية ذات الصلة بكل من روابط الببتيد في البروتينات وبنية النيوكليوتيدات في الحمض النووي.

1951-1953: تعديل بنية الحمض النووي

في عامي 1951 و 1952 ، ساعد كريك مع ويليام كوكران وفلاديمير فاند في تطوير نظرية رياضية لحيود الأشعة السينية بواسطة جزيء حلزوني. [32] هذه النتيجة النظرية تتطابق بشكل جيد مع بيانات الأشعة السينية للبروتينات التي تحتوي على متواليات من الأحماض الأمينية في شكل حلزون ألفا. [33] تبين أن نظرية الحيود الحلزوني مفيدة أيضًا لفهم بنية الحمض النووي.

في أواخر عام 1951 ، بدأ كريك العمل مع جيمس واتسون في مختبر كافنديش بجامعة كامبريدج بإنجلترا. باستخدام "Photo 51" (نتائج حيود الأشعة السينية لروزاليند فرانكلين وطالبها المتخرج ريموند جوسلينج من كينجز كوليدج لندن ، التي قدمها لهما جوسلينج وزميل فرانكلين ويلكينز) ، طور واتسون وكريك معًا نموذجًا لبنية حلزونية للحمض النووي ، والتي نشروها في عام 1953. [34] لهذا العمل وما تلاه من أعمال حصلوا على جائزة نوبل في علم وظائف الأعضاء أو الطب في عام 1962 مع ويلكينز. [35] [36]

عندما جاء واتسون إلى كامبريدج ، كان كريك طالب دراسات عليا يبلغ من العمر 35 عامًا (بسبب عمله خلال الحرب العالمية الثانية) وكان واتسون يبلغ من العمر 23 عامًا فقط ، ولكنه حصل بالفعل على درجة الدكتوراه. لقد شاركوا في الاهتمام بالمشكلة الأساسية المتمثلة في تعلم كيفية تخزين المعلومات الجينية في شكل جزيئي. [37] [38] تحدث واتسون وكريك إلى ما لا نهاية عن الحمض النووي وفكرة أنه قد يكون من الممكن تخمين نموذج جزيئي جيد لهيكله. [22] تم الحصول على جزء أساسي من المعلومات المشتقة تجريبياً من صور حيود الأشعة السينية التي حصل عليها ويلكنز وفرانكلين وجوسلينج. في نوفمبر 1951 ، جاء ويلكنز إلى كامبريدج وتبادل بياناته مع واتسون وكريك. توصل ألكسندر ستوكس (خبير آخر في نظرية الحيود الحلزوني) وويلكنز (كلاهما في كلية كينجز) إلى استنتاج مفاده أن بيانات حيود الأشعة السينية للحمض النووي تشير إلى أن الجزيء له بنية حلزونية - لكن فرانكلين عارض بشدة هذا الاستنتاج. تم تحفيزهم من خلال مناقشاتهم مع ويلكينز وما تعلمته واتسون من خلال حضور محاضرة ألقتها فرانكلين حول عملها على الحمض النووي ، أنتج كريك وواتسون وأظهروا نموذجًا أوليًا خاطئًا للحمض النووي. كان الدافع وراء تسرعهم في إنتاج نموذج لبنية الحمض النووي هو معرفة أنهم كانوا يتنافسون ضد لينوس بولينج. بالنظر إلى نجاح بولينج الأخير في اكتشاف حلزون ألفا ، فقد خافوا من أن يكون بولينج أيضًا أول من يحدد بنية الحمض النووي. [39]

تكهن الكثيرون بشأن ما كان يمكن أن يحدث لو تمكن بولينج من السفر إلى بريطانيا كما هو مخطط في مايو 1952. [40] كما كان الحال ، تسببت أنشطته السياسية في تقييد سفره من قبل حكومة الولايات المتحدة ولم يقم بزيارة المملكة المتحدة حتى وقت لاحق ، وعند هذه النقطة لم يقابل أيًا من باحثي الحمض النووي في إنجلترا. على أي حال كان منشغلاً بالبروتينات في ذلك الوقت ، وليس الحمض النووي. [40] [41] لم يكن واتسون وكريك يعملان رسميًا على الحمض النووي. كان كريك يكتب أطروحة الدكتوراه الخاصة به ، كما أن واتسون كان لديه عمل آخر مثل محاولة الحصول على بلورات الميوغلوبين لتجارب حيود الأشعة السينية. في عام 1952 ، أجرى واطسون حيود الأشعة السينية على فيروس فسيفساء التبغ ووجد نتائج تشير إلى أن له بنية حلزونية. بعد أن فشلوا مرة واحدة ، كان واطسون وكريك الآن مترددين إلى حد ما في المحاولة مرة أخرى ، ولفترة من الوقت ، مُنعوا من بذل المزيد من الجهود للعثور على نموذج جزيئي للحمض النووي.

كان فهم روزاليند فرانكلين للكيمياء الأساسية ذا أهمية كبيرة لجهود بناء النموذج لواتسون وكريك ، والذي أشار إلى أن العمود الفقري المحتوي على الفوسفات المحبة للماء لسلاسل النوكليوتيدات في الحمض النووي يجب أن يتم وضعه بحيث يتفاعل مع جزيئات الماء على السطح الخارجي للـ DNA. جزيء بينما يجب تعبئة القواعد الكارهة للماء في اللب. شاركت فرانكلين هذه المعرفة الكيميائية مع واتسون وكريك عندما أوضحت لهم أن نموذجهم الأول (من عام 1951 ، مع الفوسفات بداخله) كان خاطئًا بشكل واضح.

وصف كريك ما رآه على أنه فشل ويلكنز وفرانكلين في التعاون والعمل من أجل إيجاد نموذج جزيئي للحمض النووي كسبب رئيسي وراء قيامه هو وواتسون في النهاية بمحاولة ثانية للقيام بذلك. لقد طلبوا وحصلوا على إذن للقيام بذلك من كل من ويليام لورانس براغ وويلكينز. لبناء نموذجهم الخاص بالحمض النووي ، استخدم واطسون وكريك المعلومات المأخوذة من صور حيود الأشعة السينية غير المنشورة الخاصة بفرانكلين (التي عُرضت في الاجتماعات وشاركها ويلكينز بحرية) ، بما في ذلك الحسابات الأولية لنتائج فرانكلين / صور صور الأشعة السينية التي كانت موجودة. مدرج في تقرير تقدم مكتوب لمختبر كينجز كوليدج للسير جون راندال من أواخر عام 1952.

إنها مسألة نقاش حول ما إذا كان يجب أن يكون لدى Watson و Crick إمكانية الوصول إلى نتائج Franklin دون علمها أو إذنها ، وقبل أن تتاح لها الفرصة لنشر نتائج تحليلها المفصل لبيانات حيود الأشعة السينية الخاصة بها والتي تم تضمينها في تقرير التطور. ومع ذلك ، وجدت Watson و Crick خطأ في تأكيدها الثابت بأنه ، وفقًا لبياناتها ، لم يكن الهيكل الحلزوني الشكل الوحيد الممكن للحمض النووي - لذا كان لديهم معضلة. في محاولة لتوضيح هذه المسألة ، نشر ماكس فرديناند بيروتز لاحقًا ما كان موجودًا في التقرير المرحلي ، [42] واقترح أنه لا يوجد شيء في التقرير لم تقل فرانكلين بنفسها في حديثها (الذي حضره واتسون) في أواخر عام 1951. علاوة على ذلك ، أوضح بيروتز أن التقرير كان موجهًا إلى لجنة مجلس البحوث الطبية (MRC) التي تم إنشاؤها "لإقامة اتصال بين مختلف مجموعات الأشخاص العاملين في المجلس". تم تمويل كل من مختبرات راندال وبيروتز من قبل مركز موارد المهاجرين.

كما أنه ليس من الواضح مدى أهمية نتائج فرانكلين غير المنشورة من التقرير المرحلي بالفعل لبناء النموذج الذي قام به واطسون وكريك. بعد أن تم جمع أول صور حيود الأشعة السينية الخام للحمض النووي في الثلاثينيات من القرن الماضي ، تحدث ويليام أستبري عن أكوام من النيوكليوتيدات متباعدة عند 3.4 أنجستروم (0.34 نانومتر) في الحمض النووي. كان الاقتباس من أعمال حيود الأشعة السينية السابقة لأستبري واحدًا من ثمانية مراجع فقط في أول ورقة بحثية لفرانكلين عن الحمض النووي. [43] كشف تحليل نتائج الحمض النووي المنشورة لأستبري وصور حيود الأشعة السينية الأفضل التي جمعها ويلكينز وفرانكلين عن الطبيعة الحلزونية للحمض النووي. كان من الممكن التنبؤ بعدد القواعد المكدسة في دورة واحدة من لولب الحمض النووي (10 لكل دورة كاملة للحلزون هي 27 أنجستروم [2.7 نانومتر] في الشكل A المضغوط ، 34 أنجستروم [3.4 نانومتر] في الرطب نموذج ب). شارك ويلكنز هذه المعلومات حول الشكل ب من الحمض النووي مع كريك وواتسون. لم ير كريك صور الأشعة السينية من فرانكلين B (الصورة 51) إلا بعد نشر نموذج الحلزون المزدوج للحمض النووي. [44]

كانت إحدى المراجع القليلة التي استشهد بها واتسون وكريك عندما نشروا نموذجهم الخاص بالحمض النووي هي مقالة منشورة تضمنت نموذج الحمض النووي لسفين فوربيرج الذي كان يحتوي على قواعد من الداخل. وبالتالي ، لم يكن نموذج Watson and Crick هو أول نموذج "قواعد في" يتم اقتراحه. قدمت نتائج فوربيرج أيضًا التوجيه الصحيح لسكريات الحمض النووي فيما يتعلق بالقواعد. أثناء بناء نموذجهم ، تعلم كريك وواتسون أن الاتجاه الموازي للعمود الفقري لسلسلة النيوكليوتيدات يعمل بشكل أفضل لتوجيه أزواج القاعدة في مركز اللولب المزدوج. كان وصول كريك إلى تقرير فرانكلين المرحلي في أواخر عام 1952 هو ما جعل كريك واثقًا من أن الحمض النووي كان عبارة عن حلزون مزدوج بسلاسل غير متوازية ، ولكن كانت هناك سلاسل أخرى من التفكير ومصادر المعلومات التي أدت أيضًا إلى هذه الاستنتاجات. [45]

نتيجة لتركها كلية كينجز لكلية بيركبيك ، طلب جون راندال من فرانكلين التخلي عن عملها على الحمض النووي. عندما أصبح واضحًا لويلكينز ومشرفي Watson and Crick أن فرانكلين كان ذاهبًا إلى الوظيفة الجديدة ، وأن Linus Pauling كان يعمل على بنية الحمض النووي ، كانوا على استعداد لمشاركة بيانات فرانكلين مع Watson and Crick ، ​​على أمل أن تمكنوا من العثور على نموذج جيد للحمض النووي قبل أن يتمكن بولينج. كانت بيانات حيود الأشعة السينية لفرانكلين الخاصة بالحمض النووي وتحليلها المنهجي للسمات الهيكلية للحمض النووي مفيدة لواتسون وكريك في توجيههما نحو نموذج جزيئي صحيح.كانت المشكلة الرئيسية لواتسون وكريك ، والتي لا يمكن حلها من خلال البيانات من King's College ، هي تخمين كيف تتراكم قواعد النيوكليوتيدات في قلب الحلزون المزدوج للحمض النووي.

مفتاح آخر لإيجاد البنية الصحيحة للحمض النووي هو ما يسمى بنسب Chargaff ، النسب المحددة تجريبياً للوحدات الفرعية للنيوكليوتيدات في الحمض النووي: كمية الجوانين تساوي السيتوزين وكمية الأدينين تساوي الثايمين. عززت زيارة قام بها إروين تشارجاف إلى إنجلترا في عام 1952 ، من أهمية هذه الحقيقة المهمة لواتسون وكريك. [ بحاجة لمصدر ] لم يتم التعرف على أهمية هذه النسب لبنية الحمض النووي حتى أدرك واطسون ، الذي استمر في بناء النماذج الهيكلية ، أن أزواج A: T و C: G متشابهة بنيوياً. على وجه الخصوص ، طول كل زوج أساسي هو نفسه. أشار Chargaff أيضًا إلى Watson أنه في البيئة المائية والمالحة للخلية ، ستكون المواد الخام السائدة لقواعد بيريميدين (C و T) هي تكوينات الأمين والكيتو للسيتوزين والثايمين ، بدلاً من شكلي الإيمينو والإينول الذي افترضه كريك وواتسون. استشاروا جيري دونوهيو الذي أكد الهياكل الأكثر احتمالا لقواعد النوكليوتيدات. [46] يتم تثبيت أزواج القاعدة معًا بواسطة روابط هيدروجينية ، وهو نفس التفاعل غير التساهمي الذي يعمل على استقرار البروتين α-helix. كانت الهياكل الصحيحة ضرورية لتحديد مواقع الروابط الهيدروجينية. قادت هذه الأفكار واتسون إلى استنتاج العلاقات البيولوجية الحقيقية لأزواج A: T و C: G. بعد اكتشاف الروابط الهيدروجينية A: T و C: G أزواج ، سرعان ما امتلك Watson و Crick نموذجهما الحلزوني المزدوج المتوازي للحمض النووي ، حيث توفر الروابط الهيدروجينية في قلب اللولب وسيلة لـ "فك ضغط" خيطين متكاملين لسهولة النسخ: الشرط الأساسي الأخير لنموذج محتمل للجزيء الجيني. على الرغم من أهمية مساهمات كريك في اكتشاف نموذج الحمض النووي الحلزوني المزدوج ، فقد ذكر أنه بدون فرصة التعاون مع واتسون ، لم يكن ليعثر على الهيكل بنفسه. [47]

حاول كريك مبدئيًا إجراء بعض التجارب على اقتران قاعدة النوكليوتيدات ، لكنه كان أكثر من عالم أحياء نظري من عالم أحياء تجريبي. كان هناك اكتشاف شبه آخر لقواعد الاقتران الأساسية في أوائل عام 1952. بدأ كريك يفكر في التفاعلات بين القواعد. طلب من جون جريفيث محاولة حساب التفاعلات الجذابة بين قواعد الحمض النووي من المبادئ الكيميائية وميكانيكا الكم. كان أفضل تخمين لدى جريفيث أن أ: ت وج: ج كانا أزواج جذابة. في ذلك الوقت ، لم يكن كريك على علم بقواعد Chargaff ولم يقم بحسابات Griffith إلا قليلاً ، على الرغم من أنها بدأت في التفكير في التكرار التكميلي. تم تحديد قواعد الاقتران الصحيحة (A-T ، G-C) عن طريق "اللعب" باستخدام نماذج من الورق المقوى لقواعد النوكليوتيدات ، بالطريقة التي اكتشف بها Linus Pauling بروتين alpha helix قبل بضع سنوات. أصبح اكتشاف Watson and Crick لهيكل الحلزون المزدوج للحمض النووي ممكنًا من خلال استعدادهما للجمع بين النظرية والنمذجة والنتائج التجريبية (وإن كان ذلك في الغالب من قبل الآخرين) لتحقيق هدفهم.

استند هيكل اللولب المزدوج للحمض النووي الذي اقترحه واتسون وكريك على روابط "واتسون-كريك" بين القواعد الأربعة الأكثر شيوعًا في الحمض النووي (A ، C ، T ، G) والحمض النووي الريبي (A ، C ، U ، G). ومع ذلك ، أظهرت الأبحاث اللاحقة أن الهياكل الجزيئية ثلاثية الشرائط والرباعية وغيرها من الهياكل الجزيئية الأكثر تعقيدًا للحمض النووي تتطلب اقترانًا أساسيًا من Hoogsteen. بدأ مجال البيولوجيا التركيبية بأكمله بالعمل الذي قام به باحثون مثل Erik T. Kool ، حيث يتم استخدام قواعد أخرى غير A و C و T و G في الحمض النووي الاصطناعي. بالإضافة إلى الحمض النووي الاصطناعي ، هناك أيضًا محاولات لبناء أكواد تركيبية ، نوكليازات داخلية اصطناعية ، بروتينات اصطناعية وأصابع زنك اصطناعية. باستخدام الحمض النووي الاصطناعي ، بدلاً من وجود 4 3 كودونات ، إذا كان هناك ن قواعد جديدة ، يمكن أن يكون هناك ما يصل إلى n 3 كودونات. يتم إجراء البحث حاليًا لمعرفة ما إذا كان يمكن توسيع الكودونات إلى أكثر من 3 قواعد. يمكن لهذه الكودونات الجديدة ترميز الأحماض الأمينية الجديدة. يمكن استخدام هذه الجزيئات الاصطناعية ليس فقط في الطب ، ولكن في إنشاء مواد جديدة. [48]

تم الاكتشاف في 28 فبراير 1953 ظهرت أول ورقة Watson / Crick فيها طبيعة سجية في 25 أبريل 1953. ألقى السير لورانس براغ ، مدير مختبر كافنديش ، حيث عمل واتسون وكريك ، محاضرة في مدرسة غاي للطب في لندن يوم الخميس 14 مايو 1953 نتج عنها مقال بقلم ريتشي كالدر في وقائع الأخبار لندن ، يوم الجمعة 15 مايو 1953 ، بعنوان "لماذا أنت. أقرب سر الحياة". وصلت الأخبار إلى قراء اوقات نيويورك في اليوم التالي ، وجد فيكتور ك. تم فحص "وحدة الحياة" في الخلية ". نُشر المقال في إصدار مبكر ثم تم سحبه لإفساح المجال للأخبار التي تعتبر أكثر أهمية. (اوقات نيويورك نشر لاحقًا مقالًا أطول في 12 يونيو 1953). صحيفة الجامعة اسكواش نشر أيضًا مقالًا قصيرًا خاصًا به حول الاكتشاف يوم السبت 30 مايو 1953. ولم تنشر الصحافة البريطانية إعلان براج الأصلي عن الاكتشاف في مؤتمر سولفاي حول البروتينات في بلجيكا في 8 أبريل 1953.

في رسالة مكتوبة بخط اليد من سبع صفحات [49] إلى ابنه في مدرسة داخلية بريطانية في 19 مارس 1953 ، أوضح كريك اكتشافه ، بداية الرسالة "عزيزي مايكل ، ربما توصلت أنا وجيم واتسون إلى اكتشاف مهم للغاية.". [50] عُرضت الرسالة للبيع بالمزاد العلني في دار كريستيز نيويورك في 10 أبريل 2013 مع تقدير يتراوح بين مليون دولار ومليوني دولار ، وبيعت في النهاية بمبلغ 6059750 دولارًا ، وهو أكبر مبلغ تم دفعه على الإطلاق مقابل خطاب في مزاد علني. [51]

كان سيدني برينر ، وجاك دونيتز ، ودوروثي هودجكين ، وليزلي أورجيل ، وبيريل إم. قسم الكيمياء بالجامعة. أعجب الجميع بنموذج الحمض النووي الجديد ، وخاصة برينر الذي عمل لاحقًا مع كريك في كامبريدج في مختبر كافنديش والمختبر الجديد للبيولوجيا الجزيئية. وفقًا للراحل الدكتور بيريل أوغتون ، لاحقًا ريمر ، سافروا جميعًا معًا في سيارتين بمجرد أن أعلنت دوروثي هودجكين لهم أنهم ذاهبون إلى كامبريدج لرؤية نموذج بنية الحمض النووي. [52] كما عمل Orgel لاحقًا مع Crick في معهد Salk للدراسات البيولوجية.

بعد فترة وجيزة من وفاة كريك ، كانت هناك مزاعم حول استخدامه لعقار LSD عندما توصل إلى فكرة الهيكل الحلزوني للحمض النووي. [53] [54] في حين أنه من شبه المؤكد أنه استخدم عقار إل إس دي ، فمن غير المرجح أنه كان يفعل ذلك في وقت مبكر من عام 1953. [55]

تحرير البيولوجيا الجزيئية

في عام 1954 ، عن عمر يناهز 37 عامًا ، أكمل كريك أطروحة الدكتوراه: "حيود الأشعة السينية: عديد الببتيدات والبروتينات"وحصل على شهادته. ثم عمل كريك في مختبر ديفيد هاركر في معهد بروكلين للفنون التطبيقية ، حيث واصل تطوير مهاراته في تحليل بيانات حيود الأشعة السينية للبروتينات ، وعمل بشكل أساسي على نوكلياز الريبون وآليات تخليق البروتين. وصف ديفيد هاركر ، عالم البلورات الأمريكي بالأشعة السينية ، بأنه "جون واين في علم البلورات" من قبل فيتوريو لوزاتي ، عالم البلورات في مركز علم الوراثة الجزيئية في جيف سور إيفيت بالقرب من باريس ، والذي عمل مع روزاليند فرانكلين. بحاجة لمصدر ]

بعد اكتشاف نموذج الحلزون المزدوج للحمض النووي ، تحولت اهتمامات كريك بسرعة إلى الآثار البيولوجية للهيكل. في عام 1953 ، نشر واتسون وكريك مقالًا آخر في طبيعة سجية التي ذكرت: "لذلك يبدو من المحتمل أن التسلسل الدقيق للقواعد هو الكود الذي يحمل المعلومات الجينية". [56]

في عام 1956 ، تكهن كريك وواتسون حول بنية الفيروسات الصغيرة. واقترحوا أن الفيروسات الكروية مثل فيروس شجيرة الطماطم لها تناظر عشري الوجوه وتم تصنيعها من 60 وحدة فرعية متطابقة. [57]

بعد فترة قصيرة قضاها في نيويورك ، عاد كريك إلى كامبريدج حيث عمل حتى عام 1976 ، وفي ذلك الوقت انتقل إلى كاليفورنيا. شارك كريك في العديد من عمليات التعاون في حيود الأشعة السينية مثل التعاون مع ألكسندر ريتش بشأن بنية الكولاجين. [58] ومع ذلك ، كان كريك يبتعد بسرعة عن العمل المستمر المتعلق بخبرته في تفسير أنماط حيود الأشعة السينية للبروتينات.

أنشأ جورج جامو مجموعة من العلماء المهتمين بدور الحمض النووي الريبي كوسيط بين الحمض النووي باعتباره جزيء التخزين الجيني في نواة الخلايا وتخليق البروتينات في السيتوبلازم (نادي ربط الحمض النووي الريبي). كان من الواضح لكريك أنه يجب أن يكون هناك رمز يمكن من خلاله أن تحدد سلسلة قصيرة من النيوكليوتيدات حمضًا أمينيًا معينًا في بروتين تم تصنيعه حديثًا. في عام 1956 ، كتب كريك ورقة غير رسمية حول مشكلة الترميز الجيني لمجموعة صغيرة من العلماء في مجموعة الحمض النووي الريبي لجامو. [59] في هذه المقالة ، راجع كريك الأدلة الداعمة لفكرة وجود مجموعة مشتركة من حوالي 20 من الأحماض الأمينية المستخدمة في تصنيع البروتينات. اقترح كريك أن هناك مجموعة مقابلة من "جزيئات المحول" الصغيرة التي من شأنها أن ترتبط بالهيدروجين بتسلسلات قصيرة من الحمض النووي ، وترتبط أيضًا بأحد الأحماض الأمينية. استكشف أيضًا الاحتمالات النظرية العديدة التي يمكن من خلالها لتسلسل الحمض النووي القصير أن يرمز إلى الأحماض الأمينية العشرين.

خلال منتصف الخمسينيات من القرن الماضي إلى أواخرها ، كان كريك منخرطًا إلى حد كبير من الناحية الفكرية في حل لغز كيفية تصنيع البروتينات. بحلول عام 1958 ، نضج تفكير كريك وأصبح بإمكانه سرد جميع السمات الرئيسية لعملية تخليق البروتين بطريقة منظمة: [7]

  • المعلومات الجينية المخزنة في تسلسل جزيئات الحمض النووي
  • جزيء RNA "messenger" ليحمل التعليمات الخاصة بصنع بروتين واحد إلى السيتوبلازم
  • جزيئات المحول ("قد تحتوي على نيوكليوتيدات") لمطابقة التسلسلات القصيرة من النيوكليوتيدات في جزيئات مرسال الحمض النووي الريبي مع أحماض أمينية محددة
  • مجمعات البروتين النووي التي تحفز تجميع الأحماض الأمينية في البروتينات وفقًا لـ RNA المرسال

تبين في النهاية أن جزيئات المحول هي tRNAs وأصبحت "مجمعات البروتين النووي الريبي" المحفزة تعرف باسم الريبوسومات. تمثلت إحدى الخطوات المهمة فيما بعد في الإدراك (في عام 1960) أن الرنا المرسال لم يكن مثل الرنا الريبوزومي. ومع ذلك ، لم يُجب أي من هذا على السؤال النظري الأساسي المتعلق بالطبيعة الدقيقة للشفرة الجينية. في مقالته عام 1958 ، تكهن كريك ، كما فعل آخرون ، أن ثلاثة توائم من النيوكليوتيدات يمكن أن ترمز إلى حمض أميني. قد يكون هذا الرمز "متدهورًا" ، مع 4 × 4 × 4 = 64 ثلاثيًا محتملاً من الوحدات الفرعية للنيوكليوتيدات الأربعة بينما كان هناك 20 حمضًا أمينيًا فقط. قد تحتوي بعض الأحماض الأمينية على عدة أكواد ثلاثية. استكشف كريك أيضًا رموزًا أخرى تم فيها ، لأسباب مختلفة ، استخدام بعض التوائم الثلاثة فقط ، "بطريقة سحرية" لإنتاج 20 مجموعة مطلوبة فقط. [60] كانت هناك حاجة إلى النتائج التجريبية ، ولم تستطع النظرية وحدها تحديد طبيعة الكود. استخدم كريك أيضًا مصطلح "العقيدة المركزية" لتلخيص فكرة تشير إلى أن تدفق المعلومات الجينية بين الجزيئات الكبيرة سيكون في الأساس في اتجاه واحد:

يعتقد بعض النقاد أنه باستخدام كلمة "عقيدة" ، كان كريك يشير إلى أن هذه قاعدة لا يمكن التشكيك فيها ، ولكن كل ما كان يقصده حقًا هو أنها كانت فكرة مقنعة بدون أدلة قوية تدعمها. في تفكيره حول العمليات البيولوجية التي تربط جينات الحمض النووي بالبروتينات ، أوضح كريك التمييز بين المواد المعنية ، والطاقة المطلوبة ، وتدفق المعلومات. ركز كريك على هذا المكون الثالث (المعلومات) وأصبح المبدأ التنظيمي لما أصبح يعرف بالبيولوجيا الجزيئية. بحلول هذا الوقت ، أصبح كريك عالِمًا بيولوجيًا جزيئيًا ذا تأثير كبير.

الدليل على أن الشفرة الجينية عبارة عن رمز ثلاثي منحط جاء أخيرًا من تجارب علم الوراثة ، والتي قام كريك بتنفيذ بعضها. [61] جاءت تفاصيل الشفرة في الغالب من عمل مارشال نيرنبرغ وآخرون ممن صنعوا جزيئات الحمض النووي الريبي الاصطناعية واستخدموها كقوالب لـ في المختبر تخليق البروتين. [62] أعلن نيرنبرغ عن نتائجه لأول مرة لجمهور صغير في موسكو في مؤتمر عام 1961. كان رد فعل كريك هو دعوة Nirenberg لتقديم حديثه إلى جمهور أكبر. [63]

استخدام بيانات الباحثين الآخرين تحرير

نشأ جدل دائم بسبب استخدام واتسون وكريك لبيانات حيود الأشعة السينية للحمض النووي التي جمعها فرانكلين وويلكنز. نشأ الجدل من حقيقة أن بعض بيانات فرانكلين غير المنشورة قد استخدمت دون علمها أو موافقتها من قبل واتسون وكريك في بناء نموذج الحلزون المزدوج للحمض النووي. [36] [64] من بين الباحثين الأربعة في الحمض النووي ، كان فرانكلين فقط حاصل على شهادة في الكيمياء [36] ولكينز وكريك خلفيات في الفيزياء ، وواتسون في علم الأحياء.

قبل نشر هيكل اللولب المزدوج ، كان لدى واتسون وكريك القليل من التفاعل المباشر مع فرانكلين نفسها. لكنهم كانوا ، مع ذلك ، على دراية بعملها ، وأكثر وعيًا مما كانت تدرك هي نفسها. كان واتسون حاضرًا في محاضرة ألقيت في نوفمبر 1951 ، حيث قدم فرانكلين شكلي الجزيء ، النوع A والنوع B ، وناقش موضع وحدات الفوسفات على الجزء الخارجي من الجزيء. كما حددت كمية الماء التي يمكن العثور عليها في الجزيء وفقًا لأجزاء أخرى منه ، وهي بيانات لها أهمية كبيرة من حيث استقرار الجزيء. كانت أول من اكتشف وصياغة هذه الحقائق ، والتي شكلت في الواقع الأساس لجميع المحاولات اللاحقة لبناء نموذج للجزيء. قبل ذلك ، قام كل من Linus Pauling و Watson و Crick بإنشاء نماذج خاطئة مع وجود السلاسل في الداخل والقواعد التي تشير إلى الخارج. [65] كشف تعريفها للمجموعة الفضائية لبلورات الحمض النووي لكريك أن شريطي الحمض النووي كانا متعارضين.

في يناير 1953 ، عُرض على واتسون صورة بالأشعة السينية لـ B-DNA (تسمى الصورة رقم 51) ، [66] بواسطة ويلكينز. [67] [68] تلقى ويلكنز صورة 51 بواسطة ريموند جوسلينج ، طالب الدكتوراه في روزاليند فرانكلين. [67] [69] عمل ويلكينز وجوسلينج معًا في وحدة الفيزياء الحيوية التابعة لمجلس البحوث الطبية (MRC) قبل أن يعين المدير جون راندال فرانكلين لتولي عمل حيود الحمض النووي وتوجيه أطروحة جوسلينج. يبدو أن راندال لم يتواصل معهم بشكل فعال بشأن تعيين فرانكلين ، مما ساهم في الارتباك والاحتكاك بين ويلكنز وفرانكلين. [70]

في منتصف فبراير 1953 ، قدم مستشار أطروحة كريك ، ماكس بيروتز ، لكريك نسخة من تقرير مكتوب لزيارة لجنة الفيزياء الحيوية التابعة لمجلس البحوث الطبية إلى كينج في ديسمبر 1952 ، والتي تحتوي على بيانات من مجموعة الملك ، بما في ذلك بعض حسابات فرانكلين البلورية. [71] [72] [73] [74]

لم يكن فرانكلين على علم بأن الصورة 51 ومعلومات أخرى قد تمت مشاركتها مع كريك وواتسون. كتبت سلسلة من ثلاث مسودات مخطوطات ، اثنتان منها تضمنت العمود الفقري للحمض النووي الحلزوني المزدوج. وصلت مخطوطاتها النموذجية A إلى Acta Crystallographica في كوبنهاغن في 6 مارس 1953 ، [75] قبل يوم واحد من إكمال كريك وواتسون لنموذجهم. [76]

قدمت صور حيود الأشعة السينية التي جمعها جوسلينج وفرانكلين أفضل دليل على الطبيعة الحلزونية للحمض النووي. وهكذا أثبت عمل فرانكلين التجريبي أهمية حاسمة في اكتشاف واتسون وكريك. قدمت نتائجها التجريبية تقديرات لمحتوى الماء في بلورات الحمض النووي ، وكانت هذه النتائج أكثر اتساقًا مع العمود الفقري للسكر والفوسفات الموجود على السطح الخارجي للجزيء. [77] أظهرت صورة الأشعة السينية لفرانكلين أن العمود الفقري يجب أن يكون في الخارج. على الرغم من إصرارها في البداية بشدة على أن بياناتها لم تجبر المرء على استنتاج أن الحمض النووي له بنية حلزونية ، فقد دافعت في المسودات التي قدمتها في عام 1953 عن العمود الفقري للحمض النووي الحلزوني المزدوج. كشف تحديدها للمجموعة الفضائية لبلورات الحمض النووي لكريك أن خيوط الحمض النووي كانت مضادة للتوازي ، مما ساعد واتسون وكريك على اتخاذ قرار بالبحث عن نماذج الحمض النووي مع خيطين من عديد النوكليوتيدات المتوازيتين.

باختصار ، كان لدى واتسون وكريك ثلاثة مصادر لبيانات فرانكلين غير المنشورة: 1) ندوة عام 1951 التي حضرها واتسون ، [78] 2) مناقشات مع ويلكينز ، [79] الذي عمل في نفس المختبر مع فرانكلين ، 3) تقدم البحث تقرير يهدف إلى تعزيز التنسيق بين المختبرات التي يدعمها مجلس البحوث الطبية. [80] عمل كل من واتسون وكريك وويلكنز وفرانكلين في مختبرات مركز البحوث الطبية.

شعر كريك وواتسون أنهما استفادا من التعاون مع ويلكينز. لقد عرضوا عليه تأليفًا مشتركًا للمقال الذي وصف لأول مرة بنية الحلزون المزدوج للحمض النووي. رفض ويلكينز العرض ، وهي حقيقة ربما أدت إلى الطابع المقتضب للاعتراف بالعمل التجريبي المنجز في King's College في الورقة المنشورة في النهاية. بدلاً من جعل أي من باحثي الحمض النووي في King's College المؤلفين المشاركين في مقالة Watson و Crick double helix ، كان الحل الذي تم التوصل إليه هو نشر ورقتين إضافيتين من King's College جنبًا إلى جنب مع ورقة الحلزون. تقترح بريندا مادوكس أنه نظرًا لأهمية نتائجها التجريبية في بناء نموذج واتسون وكريك والتحليل النظري ، كان ينبغي أن يكون اسم فرانكلين على ورقة Watson and Crick الأصلية في طبيعة سجية. [81] قدم فرانكلين وجوسلينج ورقتهما "الثانية" المشتركة إلى طبيعة سجية في نفس الوقت الذي قدم فيه ويلكينز وستوكس وويلسون أوراقهم (أي الورقة "الثالثة" عن الحمض النووي).

تصوير واتسون لفرانكلين في اللولب المزدوج كانت سلبية وأظهرت أنها كانت مساعدة ويلكنز وغير قادرة على تفسير بيانات الحمض النووي الخاصة بها. [82]

قدمت صور حيود الأشعة السينية التي جمعها فرانكلين أفضل دليل على الطبيعة الحلزونية للحمض النووي. بينما أثبت عمل فرانكلين التجريبي أهميته لتطوير كريك وواتسون لنموذج صحيح ، لم تستطع هي نفسها إدراك ذلك في ذلك الوقت. عندما غادرت كينجز كوليدج ، أصر المدير السير جون راندال على أن جميع أعمال الحمض النووي تخص كينج حصريًا وأمر فرانكلين بعدم التفكير في الأمر. [83] قام فرانكلين بعد ذلك بعمل رائع في مختبر J.D. Bernal في كلية بيركبيك مع فيروس فسيفساء التبغ الذي يوسع الأفكار حول البناء الحلزوني. [36]

غالبًا ما كان كريك يوصف بأنه ثرثارة للغاية ، مع واتسون إن اللولب المزدوج - قلة الحياء. [84] أتاحت شخصيته جنبًا إلى جنب مع إنجازاته العلمية العديد من الفرص لكريك لتحفيز ردود أفعال الآخرين ، سواء داخل العالم العلمي أو خارجه ، والذي كان مركز حياته الفكرية والمهنية. [85] تحدث كريك بسرعة ، وبصوت عالٍ ، وكان له ضحكة معدية وذات صدى ، وروح دعابة حية. وصفه أحد زملائه في معهد سالك بأنه "قوة فكرية عصف ذهني بابتسامة مؤذية. لم يكن فرانسيس مطلقًا روحانيًا ، بل قاطعًا فقط. لقد اكتشف عيوبًا مجهرية في المنطق.في غرفة مليئة بالعلماء الأذكياء ، استعاد فرانسيس باستمرار مركزه كبطل للوزن الثقيل ".

تحسين النسل تحرير

عبّر كريك أحيانًا عن آرائه حول تحسين النسل ، عادةً في رسائل خاصة. على سبيل المثال ، دعا كريك إلى شكل من أشكال تحسين النسل الإيجابي يتم فيه تشجيع الآباء الأثرياء على إنجاب المزيد من الأطفال. [87] قال ذات مرة: "على المدى الطويل ، لا مفر من أن يبدأ المجتمع في القلق بشأن شخصية الجيل القادم. إنه ليس موضوعًا في الوقت الحالي يمكننا معالجته بسهولة لأن الناس لديهم الكثير من المعتقدات الدينية وحتى يكون لدينا نظرة أكثر اتساقًا لأنفسنا ، أعتقد أنه سيكون من المجازفة محاولة القيام بأي شيء في طريق تحسين النسل. وسأكون مندهشًا إذا ، في المائة أو 200 عام القادمة ، لم يقر المجتمع بالرأي القائل سيتعين عليهم محاولة تحسين الجيل القادم إلى حد ما أو بطريقة أو بأخرى ".

تحرير التحرش الجنسي

تقول عالمة الأحياء نانسي هوبكنز ، عندما كانت طالبة جامعية في الستينيات من القرن الماضي ، وضع كريك يديه على ثدييها أثناء زيارة معمل. [88] وصفت الحادثة: "قبل أن أتمكن من النهوض والمصافحة ، قام بتكبير الغرفة ووقف خلفي ووضع يديه على ثديي وقال: ما الذي تعمل عليه؟" [89]

أشار كريك إلى نفسه على أنه إنساني ، والذي عرَّفه على أنه الاعتقاد "بأن المشاكل الإنسانية يمكن ويجب مواجهتها من حيث الموارد الأخلاقية والفكرية البشرية دون التذرع بسلطة خارقة للطبيعة". دعا علنًا إلى أن تحل النزعة الإنسانية محل الدين كقوة توجيهية للإنسانية ، حيث كتب:

المعضلة الإنسانية ليست جديدة. نجد أنفسنا بدون رغبة خاصة بنا على هذا الكوكب الذي يدور ببطء في زاوية غامضة من كون واسع. لن يسمح لنا ذكاء الاستجواب بالعيش في محتوى يشبه البقر مع الكثير. لدينا حاجة ماسة لمعرفة سبب وجودنا هنا. من ماذا صنع العالم؟ الأهم من ذلك ، مما صنعنا؟ في الماضي أجاب الدين على هذه الأسئلة بتفصيل كبير في كثير من الأحيان. نحن نعلم الآن أن جميع هذه الإجابات تقريبًا من المرجح جدًا أن تكون هراء ، فقد نشأت من جهل الإنسان وقدرته الهائلة على خداع الذات. أصبحت الخرافات البسيطة لأديان العالم تبدو وكأنها حكايات تُروى للأطفال. حتى لو فهمت بشكل رمزي فهي غالبًا ما تكون منحرفة ، إن لم تكن غير سارة إلى حد ما. إذن ، يعيش أنصار الإنسانية في عالم غامض ومثير ومتوسع فكريا ، والذي ، بمجرد أن نلمح ، يجعل عوالم الأديان القديمة تبدو زائفة ودافئة وعتيقة. [90]

كان كريك ينتقد المسيحية بشكل خاص:

أنا لا أحترم المعتقدات المسيحية. أعتقد أنهم سخيفة. إذا تمكنا من التخلص منهم ، يمكننا بسهولة الوصول إلى المشكلة الخطيرة المتمثلة في محاولة معرفة ما يدور حوله العالم. [91]

قال كريك مازحًا ذات مرة: "قد تكون المسيحية مقبولة بين البالغين على انفراد ولكن لا ينبغي تعليمها للأطفال الصغار". [92]

في كتابه من الجزيئات والرجال، أعرب كريك عن آرائه حول العلاقة بين العلم والدين. [93] بعد أن اقترح أنه سيكون من الممكن برمجة جهاز كمبيوتر ليكون له روح ، تساءل: في أي مرحلة خلال التطور البيولوجي كان الكائن الحي الأول لديه روح؟ في أي لحظة يحصل الطفل على روح؟ ذكر كريك وجهة نظره بأن فكرة الروح غير المادية التي يمكن أن تدخل الجسد ثم تستمر بعد الموت هي مجرد فكرة متخيلة. بالنسبة لكريك ، فإن العقل هو نتاج نشاط جسدي للدماغ وقد تطور الدماغ بالوسائل الطبيعية على مدى ملايين السنين. لقد شعر أنه من المهم أن يتم تدريس التطور عن طريق الانتقاء الطبيعي في المدارس وأنه من المؤسف أن المدارس الإنجليزية لديها تعليم ديني إلزامي. كما اعتبر أنه تم إنشاء رؤية علمية جديدة للعالم بسرعة ، وتوقع أنه بمجرد الكشف عن الأعمال التفصيلية للدماغ في النهاية ، فإن المفاهيم المسيحية الخاطئة حول طبيعة البشر والعالم لن تكون مفاهيم تقليدية عن "الروح". "سيحل محله فهم جديد للأساس المادي للعقل. كان متشككًا في الدين المنظم ، مشيرًا إلى نفسه على أنه متشكك ولا أدري مع "ميل قوي نحو الإلحاد". [94]

في عام 1960 ، قبل كريك زمالة فخرية في كلية تشرشل ، كامبريدج ، أحد العوامل هو أن الكلية الجديدة لم يكن بها كنيسة صغيرة. بعد مرور بعض الوقت ، تم تقديم تبرع كبير لإنشاء كنيسة صغيرة وقرر مجلس الكلية قبولها. استقال كريك من الزمالة احتجاجًا. [95] [96]

في أكتوبر 1969 ، شارك كريك في الاحتفال بمرور 100 عام على المجلة طبيعة سجية حيث حاول إجراء بعض التنبؤات حول ما يمكن أن تحمله السنوات الثلاثين القادمة للبيولوجيا الجزيئية. تم نشر تكهناته لاحقًا في طبيعة سجية. [97] قرب نهاية المقال ، ذكر كريك بإيجاز البحث عن الحياة على الكواكب الأخرى ، لكنه لم يكن يأمل في العثور على حياة خارج كوكب الأرض بحلول عام 2000. كما ناقش أيضًا ما وصفه بأنه اتجاه جديد محتمل للبحث ، ما أسماه "علم اللاهوت البيوكيميائي". كتب كريك "يصلي الكثير من الناس حتى يجد المرء صعوبة في تصديق أنهم لا يشعرون بالرضا عن ذلك". [97]

اقترح كريك أنه قد يكون من الممكن العثور على تغييرات كيميائية في الدماغ والتي كانت مرتبطة جزيئيًا بفعل الصلاة. وتكهن بأنه قد يكون هناك تغيير يمكن اكتشافه في مستوى بعض الناقلات العصبية أو الهرمونات العصبية عندما يصلي الناس. ربما كان يتخيل مواد مثل الدوبامين التي يطلقها الدماغ في ظل ظروف معينة وتنتج أحاسيس مجزية. يبدو أن اقتراح كريك بأنه قد يكون هناك في يوم من الأيام علم جديد لـ "علم اللاهوت البيوكيميائي" قد تحقق تحت اسم بديل: يوجد الآن مجال جديد لعلم اللاهوت العصبي. [98] استمرت رؤية كريك للعلاقة بين العلم والدين في لعب دور في عمله حيث قام بالانتقال من أبحاث البيولوجيا الجزيئية إلى علم الأعصاب النظري.

سأل كريك في عام 1998 "وإذا كان بعض الكتاب المقدس خاطئًا بشكل واضح ، فلماذا يتم قبول أي جزء آخر منه تلقائيًا؟ وما هو أكثر أهمية من العثور على مكاننا الحقيقي في الكون عن طريق إزالة واحد تلو الآخر هؤلاء المؤسف بقايا المعتقدات السابقة؟ [99]

في عام 2003 كان أحد الحائزين على جائزة نوبل 22 الذين وقعوا بيان إنساني. [100]

تحرير الخلق

كان كريك من أشد المنتقدين لنظرية خلق يونغ إيرث. في قضية المحكمة العليا للولايات المتحدة عام 1987 إدواردز ضد أغويلارد، انضم كريك إلى مجموعة أخرى من الحائزين على جائزة نوبل الذين نصحوا ، "لا مكان لعلم الإبداع في فصل العلوم بالمدارس العامة." [101] كان كريك أيضًا من المدافعين عن جعل يوم داروين عطلة وطنية بريطانية. [102]

خلال الستينيات ، أصبح كريك مهتمًا بأصول الشفرة الجينية. في عام 1966 ، أخذ كريك مكان ليزلي أورجيل في اجتماع حيث كان من المقرر أن يتحدث Orgel عن أصل الحياة. تكهن كريك بالمراحل المحتملة التي قد يتطور بها رمز بسيط مبدئي يحتوي على عدد قليل من أنواع الأحماض الأمينية إلى كود أكثر تعقيدًا تستخدمه الكائنات الحية الموجودة. [103] في ذلك الوقت ، اعتقد الجميع أن البروتينات هي النوع الوحيد من الإنزيمات ، ولم يتم العثور على الريبوزيمات بعد. كان العديد من علماء الأحياء الجزيئية في حيرة من أمرهم من مشكلة أصل نظام تكرار البروتين الذي هو معقد مثل ذلك الموجود في الكائنات الحية التي تعيش حاليًا على الأرض. في أوائل السبعينيات من القرن الماضي ، تكهن كريك وأورجيل أيضًا بشأن احتمال أن يكون إنتاج الأنظمة الحية من الجزيئات حدثًا نادرًا جدًا في الكون ، ولكن بمجرد أن يتم تطويره يمكن أن ينتشر عن طريق أشكال الحياة الذكية باستخدام تكنولوجيا السفر في الفضاء ، وهي عملية أطلقوا عليها اسم "البانسبيرميا الموجه". [104] في مقال بأثر رجعي ، [105] أشار كريك وأورجيل إلى أنهما كانا متشائمين للغاية بشأن فرص التولد الذاتي على الأرض عندما افترضوا أن نوعًا من نظام البروتين الذاتي التكاثر هو الأصل الجزيئي للحياة.

في عام 1976 ، تناول كريك أصل تخليق البروتين في ورقة بحثية مع سيدني برينر وآرون كلوج وجورج بيكزينيك. [106] في هذه الورقة ، توقعوا أن قيود الكود على تسلسل النيوكليوتيدات تسمح بتخليق البروتين دون الحاجة إلى الريبوسوم. ومع ذلك ، فإنه يتطلب ارتباطًا خماسيًا أساسيًا بين mRNA و tRNA مع قلب الشفرة المضادة لإنشاء تشفير ثلاثي ، على الرغم من أنه تفاعل مادي خماسي القواعد. أشار Thomas H. Jukes إلى أن قيود الشفرة على تسلسل mRNA المطلوب لآلية الترجمة هذه لا تزال محفوظة. [107]

كانت فترة كريك في كامبريدج ذروة مسيرته العلمية الطويلة ، لكنه ترك كامبريدج في عام 1977 بعد 30 عامًا ، بعد أن عُرض عليه (ورفض) ماجستير غونفيل وكايوس. ادعى جيمس واتسون في مؤتمر كامبريدج بمناسبة الذكرى الخمسين لاكتشاف بنية الحمض النووي في عام 2003:

ربما يكون من الأسرار الخفية أن أحد أكثر الأعمال غير الملهمة لجامعة كامبريدج خلال القرن الماضي كان رفض فرانسيس كريك عندما تقدم لشغل منصب أستاذ علم الوراثة ، في عام 1958. الآن ربما كانت هناك سلسلة من الحجج التي دفعتهم إلى رفض فرانسيس. كان يقول حقًا ، لا تدفعونا إلى الحدود. [ بحاجة لمصدر ]

وقد تم بالفعل تسجيل "السر الخفي" على ما يبدو في ثريا دي تشاداريفيان تصاميم من أجل الحياة: علم الأحياء الجزيئي بعد الحرب العالمية الثانية، الذي نشرته مطبعة جامعة كامبريدج في عام 2002. مساهمته الرئيسية في البيولوجيا الجزيئية في كامبريدج موثقة جيدًا في تاريخ جامعة كامبريدج: المجلد 4 (1870 إلى 1990)التي نشرتها CUP في عام 1992.

وفقًا للموقع الرسمي لقسم علم الوراثة بجامعة كامبريدج ، لم يتمكن ناخبو الأستاذية من التوصل إلى توافق في الآراء ، مما دفع إلى تدخل نائب رئيس الجامعة آنذاك اللورد أدريان. عرض اللورد أدريان في البداية الأستاذية لمرشح حل وسط ، غيدو بونتيكورفو ، الذي رفض ، وقيل إنه عرضه بعد ذلك على كريك ، الذي رفض أيضًا.

في عام 1976 ، حصل كريك على عام إجازة في معهد سالك للدراسات البيولوجية في لا جولا ، كاليفورنيا. كان كريك زميلًا غير مقيم في المعهد منذ عام 1960. وكتب كريك ، "شعرت أنني في بيتي في جنوب كاليفورنيا". [108] بعد التفرغ ، غادر كريك كامبريدج لمواصلة العمل في معهد سالك. كان أيضًا أستاذًا مساعدًا في جامعة كاليفورنيا ، سان دييغو. [109] [110] [111] علم نفسه علم التشريح العصبي ودرس العديد من المجالات الأخرى لبحوث علم الأعصاب. استغرق الأمر عدة سنوات للانفصال عن البيولوجيا الجزيئية بسبب استمرار الاكتشافات المثيرة ، بما في ذلك اكتشاف التضفير البديل واكتشاف إنزيمات التقييد ، والتي ساعدت في جعل الهندسة الوراثية ممكنة. في النهاية ، في الثمانينيات ، تمكن كريك من تكريس اهتمامه الكامل لمصلحته الأخرى ، وعيه. كتاب سيرته الذاتية ، ما السعي المجنون: نظرة شخصية للاكتشاف العلمي، يتضمن وصفًا لسبب تركه البيولوجيا الجزيئية وتحول إلى علم الأعصاب.

عند توليه العمل في علم الأعصاب النظري ، صُدم كريك بعدة أشياء:

  • كان هناك العديد من التخصصات الفرعية المعزولة داخل علم الأعصاب مع القليل من الاتصال بينها
  • كثير من الأشخاص المهتمين بالسلوك تعاملوا مع الدماغ على أنه صندوق أسود
  • كان ينظر إلى الوعي على أنه موضوع محظور من قبل العديد من علماء الأحياء العصبية

كان كريك يأمل في أن يساعد في التقدم في علم الأعصاب من خلال تعزيز التفاعلات البناءة بين المتخصصين من العديد من التخصصات الفرعية المختلفة المعنية بالوعي. حتى أنه تعاون مع الفلاسفة العصبيين مثل باتريشيا تشيرشلاند. في عام 1983 ، كنتيجة لدراساتهم لنماذج الكمبيوتر للشبكات العصبية ، اقترح كريك وميتشيسون أن وظيفة نوم حركة العين السريعة هي إزالة أنماط معينة من التفاعلات في شبكات الخلايا في القشرة الدماغية للثدييات ، وأطلقوا على هذه العملية الافتراضية `` التعلم العكسي ''. "أو" unlearning ". في المرحلة الأخيرة من حياته المهنية ، أسس كريك تعاونًا مع كريستوف كوخ أدى إلى نشر سلسلة من المقالات حول الوعي خلال الفترة الممتدة من عام 1990 [112] إلى 2005. اتخذ كريك قرارًا استراتيجيًا بتركيز بحثه النظري عن الوعي حول كيفية توليد الدماغ للوعي البصري في غضون بضع مئات من الألف من الثانية من مشاهدة مشهد. اقترح كريك وكوخ أن الوعي يبدو غامضًا للغاية لأنه يتضمن عمليات ذاكرة قصيرة المدى للغاية لم يتم فهمها بعد. نشر كريك أيضًا كتابًا يصف كيف وصل علم الأعصاب إلى مرحلة النضج بدرجة كافية بحيث يمكن أن يكون الوعي موضوع جهد موحد لدراسته على المستويات الجزيئية والخلوية والسلوكية. كتاب كريك الفرضية المذهلة قدم حجة مفادها أن علم الأعصاب لديه الآن الأدوات اللازمة لبدء دراسة علمية لكيفية إنتاج العقول لتجارب واعية. كان كريك متشككًا في قيمة النماذج الحسابية للوظيفة العقلية التي لا تستند إلى تفاصيل حول بنية الدماغ ووظيفته.

بالإضافة إلى حصته الثالثة من جائزة نوبل لعام 1962 في علم وظائف الأعضاء أو الطب ، فقد حصل على العديد من الجوائز والأوسمة ، بما في ذلك الميداليات الملكية وكوبلي من الجمعية الملكية (1972 و 1975) ، وكذلك وسام الاستحقاق (في 27 نوفمبر 1991) ) رفض عرضًا من البنك المركزي المصري في عام 1963 ، [113] ولكن غالبًا ما تمت الإشارة إليه عن طريق الخطأ باسم "السير فرانسيس كريك" وحتى في المناسبات باسم "اللورد كريك". انتخب عضوا EMBO في عام 1964. [3]

سخرت جائزة نوبل لجون كيندرو وماكس بيروتز وكريك وواتسون وويلكنز في رسم قصير في برنامج تلفزيون بي بي سي. كان هذا الأسبوع الذي كان يشار إلى جوائز نوبل باسم "مجمعات ألفريد نوبل للسلام".

وسام فرانسيس كريك وتحرير محاضرة

أُنشئت ميدالية ومحاضرة فرانسيس كريك [114] في عام 2003 بعد منحة من زميله السابق سيدني برينر ، الحائز على جائزة نوبل عام 2002 في علم وظائف الأعضاء والطب. [115] تُلقى المحاضرة سنويًا في أي مجال من مجالات العلوم البيولوجية ، مع إعطاء الأفضلية للمجالات التي عمل فيها فرانسيس كريك بنفسه. الأهم من ذلك ، أن المنحة الدراسية تستهدف العلماء الأصغر سنًا ، من الناحية المثالية الذين تقل أعمارهم عن 40 عامًا ، أو الذين يتوافق تقدمهم الوظيفي مع هذا العمر. اعتبارًا من عام 2019 [تحديث] ، تم تقديم محاضرات كريك بواسطة جولي أرينجر ، وداريو أليسي ، وإيوان بيرني ، وسيمون بولتون ، وجيسون تشين ، وسيمون فيشر ، وماثيو هيرليس ، وجيليان ماكفين ، ودنكان أودوم ، وجيريانت ريس ، وسارة تيشمان ، ومادان بابو ودانييل وولبرت.

تحرير معهد فرانسيس كريك

معهد فرانسيس كريك هو مركز أبحاث طبي حيوي بقيمة 660 مليون جنيه إسترليني يقع في شمال لندن ، المملكة المتحدة. [116] معهد فرانسيس كريك هو شراكة بين معهد أبحاث السرطان في المملكة المتحدة ، إمبريال كوليدج لندن ، كينجز كوليدج لندن ، مجلس البحوث الطبية ، كلية لندن الجامعية (UCL) و ويلكوم ترست. [١١٧] تم الانتهاء منه في عام 2016 ، وهو أكبر مركز للأبحاث الطبية الحيوية والابتكار في أوروبا. [116]

تحرير محاضرات فرانسيس كريك للخريجين

تستضيف كلية الدراسات العليا للعلوم البيولوجية والطبية والبيطرية بجامعة كامبريدج محاضرات فرانسيس كريك للخريجين. أول محاضرتين كانا من قبل جون جوردون وتيم هانت. [118] [119]


استرجاع البيانات

للعمل كنظام لتخزين المعلومات ، يجب أن يتبع الحمض النووي قواعد يمكن التنبؤ بها ، لذلك أظهر الفريق أولاً أنه ، بطريقة مشابهة للقواعد العادية ، تشكل القواعد التركيبية أزواجًا موثوقة. قاموا بإنشاء مئات الجزيئات من الحمض النووي الاصطناعي ووجدوا أن الأحرف مرتبطة بشركائهم بشكل متوقع.

ثم أظهروا أن بنية الحلزونات المزدوجة ظلت مستقرة بغض النظر عن الترتيب الذي كانت فيه القواعد التركيبية. وهذا مهم لأنه لكي تتطور الحياة ، يجب أن تكون تسلسلات الحمض النووي قادرة على التغيير دون أن ينهار الهيكل بأكمله. باستخدام حيود الأشعة السينية ، أظهر الفريق أن ثلاثة تسلسلات مختلفة من الحمض النووي الاصطناعي احتفظت بنفس البنية عند التبلور.

يقول فيليب هوليجر ، عالم الأحياء التركيبية في مختبر MRC للبيولوجيا الجزيئية في كامبريدج بالمملكة المتحدة ، إن هذا تقدم كبير ، لأن الطرق الأخرى لتوسيع الأبجدية الجينية ليست سليمة من الناحية الهيكلية. بدلاً من المواد الكيميائية التي تستخدم روابط الهيدروجين في الاقتران ، تستخدم هذه الأساليب الأخرى جزيئات مقاومة الماء كقواعد لها. يمكن وضعها على فترات بين الأحرف الطبيعية ، لكن بنية الحمض النووي تتعطل إذا تم وضعها في صف.

أخيرًا ، أظهر الفريق أنه يمكن نسخ الحمض النووي الاصطناعي بأمانة إلى الحمض النووي الريبي. يقول بينر: "إن القدرة على تخزين المعلومات ليست مهمة جدًا للتطور". "يجب أن تكون قادرًا على نقل هذه المعلومات إلى جزيء يقوم بشيء ما."

يعد تحويل الحمض النووي إلى الحمض النووي الريبي خطوة أساسية لترجمة المعلومات الجينية إلى بروتينات ، وهي عناصر الحياة. لكن بعض تسلسلات الحمض النووي الريبي ، المعروفة باسم الأبتاميرات ، يمكن أن ترتبط بجزيئات معينة.

أنشأ فريق بينر DNA اصطناعيًا يرمز إلى aptamer معين ثم أكد أن النسخ قد حدث وأن تسلسل الحمض النووي الريبي يعمل بشكل صحيح.

يقول هوليغر إن العمل يمثل نقطة انطلاق مثيرة ، ولكن لا يزال هناك مسافة كبيرة يجب قطعها قبل الوصول إلى نظام جيني اصطناعي حقيقي مكون من ثمانية أحرف. سيكون أحد الأسئلة الرئيسية ، على سبيل المثال ، هو ما إذا كان يمكن تكرار الحمض النووي الاصطناعي بواسطة البوليميرات ، وهي الإنزيمات المسؤولة عن تخليق الحمض النووي داخل الكائنات الحية أثناء انقسام الخلية. وقد تم إثبات ذلك في طرق أخرى مثل طريقة Romesberg التي تستخدم قواعد مقاومة الماء.


أساسيات استنساخ الحمض النووي

الشكل 4. النماذج الثلاثة المقترحة لتكرار الحمض النووي. يشير اللون الرمادي إلى خيوط الحمض النووي الأصلية ، ويشير اللون الأزرق إلى الحمض النووي المركب حديثًا.

قدم توضيح بنية اللولب المزدوج تلميحًا حول كيفية تقسيم الحمض النووي وعمل نسخ منه. يشير هذا النموذج إلى أن خيطي اللولب المزدوج ينفصلان أثناء النسخ المتماثل ، ويعمل كل خيط كقالب يتم نسخ الخيط التكميلي الجديد منه. ما لم يكن واضحًا هو كيفية حدوث النسخ المتماثل. كانت هناك ثلاثة نماذج مقترحة: محافظة ، وشبه محافظة ، ومشتتة (انظر الشكل 4).

في التكرار المحافظ ، يبقى الحمض النووي الأبوي معًا ، وتكون خيوط الابنة المشكلة حديثًا معًا. تقترح الطريقة شبه المحافظة أن كل من خيطي DNA الأبوين يعملان كقالب للحمض النووي الجديد ليتم تصنيعه بعد النسخ المتماثل ، كل DNA مزدوج الشريطة يشتمل على خيط أبوي واحد أو خيط "قديم" وحبل واحد "جديد". في النموذج المشتت ، تحتوي كلتا نسختين من الحمض النووي على أجزاء مزدوجة تقطعت بها السبل من الحمض النووي الأبوي والحمض النووي المركب حديثًا.

كان Meselson و Stahl مهتمين بفهم كيفية تكرار الحمض النووي. لقد نموا بكتريا قولونية لعدة أجيال في وسط يحتوي على نظير "ثقيل" من النيتروجين (15 نيوتن) يتم دمجه في القواعد النيتروجينية ، وفي النهاية في الحمض النووي (الشكل 5).

الشكل 5. أجرى ميسلسون وستال تجارب على الإشريكية القولونية التي نمت أولاً في النيتروجين الثقيل (15 نيوتن) ثم في 14 نيوتن.الحمض النووي المزروع في 15 نيوتن (الشريط الأحمر) أثقل من الحمض النووي المزروع في 14 نيوتن (النطاق البرتقالي) ، والرواسب إلى مستوى أقل في محلول كلوريد السيزيوم في جهاز طرد مركزي فائق. عندما يتم تحويل الحمض النووي الذي ينمو في 15 نيوتن إلى وسط يحتوي على 14 نيوتن ، بعد جولة واحدة من الانقسام الخلوي ، فإن رواسب الحمض النووي في منتصف الطريق بين مستويات 15 نيوتن و 14 نيوتن ، مما يشير إلى أنه يحتوي الآن على خمسين بالمائة 14 ن. تحتوي كمية الحمض النووي على 14 نيوتن فقط. تدعم هذه البيانات نموذج النسخ شبه المحافظ. (الائتمان: تعديل العمل لماريانا رويز فيلاريال)

ال بكتريا قولونية تم بعد ذلك تحويل الثقافة إلى وسط يحتوي على 14 نيوتن وتركها تنمو لجيل واحد. تم حصاد الخلايا وعزل الحمض النووي. تم طرد الحمض النووي بسرعات عالية في جهاز طرد مركزي فائق. تم السماح لبعض الخلايا بالنمو لدورة حياة أخرى في 14 نيوتن ونسجها مرة أخرى. أثناء الطرد المركزي المتدرج الكثافة ، يتم تحميل الحمض النووي في التدرج (عادة ملح مثل كلوريد السيزيوم أو السكروز) ويتم نسجها بسرعات عالية من 50000 إلى 60.000 دورة في الدقيقة. في ظل هذه الظروف ، سيشكل الحمض النووي نطاقًا وفقًا لكثافته في التدرج اللوني. سوف يتحد الحمض النووي المزروع في 15 نيوتن في موضع كثافة أعلى من ذلك الذي نما في 14 ن. بين الحمض النووي للخلايا التي نمت حصريًا في 15 نيوتن و 14 نيوتن. وهذا يشير إلى وضع تكاثر شبه متحفظ أو مشتت. شكل الحمض النووي المأخوذ من الخلايا التي نمت على مدى جيلين في 14 نيوتن شريطين: شريط واحد للحمض النووي كان في الموضع المتوسط ​​بين 15 نيوتن و 14 نيوتن ، والآخر يتوافق مع نطاق 14 نيوتن. لا يمكن تفسير هذه النتائج إلا إذا تكرر الحمض النووي بطريقة شبه محافظة. لذلك ، تم استبعاد الوضعين الآخرين.

أثناء تكرار الحمض النووي ، يعمل كل من الخيطين اللذين يشكلان الحلزون المزدوج كقالب تُنسخ منه خيوط جديدة. سيكون الخيط الجديد مكملًا للضفيرة الأبوية أو "القديمة". عندما يتم تكوين نسختين من الحمض النووي للابنتين ، يكون لهما نفس التسلسل وينقسمان بالتساوي إلى خليتين ابنتيتين.


ما هو حمض الديوكسي ريبونوكلييك؟

حمض ديوكسي ريبونوكلييك هو واحد من اثنين من الأحماض النووية التي تخزن وتحمل وتفك شفرة المعلومات الجينية. تم العثور على الحمض النووي داخل نواة الخلية للكائنات متعددة الخلايا ، في الميتوكوندريا ، وكبلازميدات في السيتوبلازم لبعض البكتيريا.

يُعرف حمض الديوكسي ريبونوكلييك أيضًا باسم الحمض النووي. يمكن تخيل هذا الجزيء الكبير ككتاب وصفات يحتوي على الإرشادات التي توضح كيفية بناء كائن حي من نقطة الصفر. تم ترتيب هذا الكتاب (الجينوم) في فصول (كروموسومات) وصفحات (جينات) وجمل (أليلات) وكلمات (نيوكليوتيدات مفردة). يعطي تعليمات حول أوقات الطهي والأطباق الموسمية. في بعض الأحيان توجد أخطاء في الطباعة أحيانًا يتلف جزء من الصفحة. المهم أن نفهم أنه لا يوجد طباخ يمكنه قراءة كتاب الوصفات هذا. إنه ليس مغلقًا فقط ، إنه مكتوب بلغة غريبة.

الحمض النووي الآخر هو الحمض النووي الريبي (RNA) الذي يلعب دور الناسخ والمترجم. سيفتح كتاب وصفات الحمض النووي جزءًا فقط من الصفحة عندما يحين الوقت المناسب لطهي طبق محدد يُعتقد أن الحمض النووي غير المشفر يخبر الكتاب بموعد ومكان فتحه. يمكن أن يُظهر الجزء المفتوح شيئًا بسيطًا مثل بيضة مسلوقة أو يعطي تعليمات لوجبة من خمسة أطباق. أينما يفتح ، يقوم الحمض النووي الريبي بعمل نسخة وإحضارها إلى الطباخ - الريبوسوم. معًا ، يترجمون لغة الحمض النووي الغريبة ويخلطون المكونات الصحيحة.

حمض الديوكسي ريبونوكلييك هو سلسلة طويلة من النوكليوتيدات المنضمة (المزيد عن هذه النيكليوتيدات لاحقًا). تلتف سلسلتان مترابطتان حول بعضهما البعض لتشكيل حلزون مزدوج. تم العثور على الحمض النووي بشكل شائع ككروموسوم معبأ بإحكام. كل مجموعة كروموسوم تحمل التاريخ الكامل لتطور الكائن الحي - الماضي والحاضر. أصبحت التخصصات العلمية الجديدة مثل الأنثروبولوجيا الجزيئية ممكنة من خلال الاختراقات الجينية الحديثة.


النسخ

تسمى العملية التي تصنع فيها الخلايا البروتينات تخليق البروتين. يتكون في الواقع من عمليتين: النسخ و ترجمة. النسخ يحدث في النواة. يستخدم الحمض النووي كقالب لصنع جزيء RNA. ثم يترك الحمض النووي الريبي النواة ويذهب إلى الريبوسوم في السيتوبلازم ، حيث تحدث الترجمة. تقرأ الترجمة الشفرة الجينية في mRNA وتصنع بروتينًا.

النسخ هو الجزء الأول من العقيدة المركزية للبيولوجيا الجزيئية: DNA و rarr RNA. إنه نقل التعليمات الجينية في DNA إلى messenger RNA (mRNA). أثناء النسخ ، يتم صنع خيط من الرنا المرسال مكمل لشريط من الحمض النووي. شكل يوضح أدناه كيف يحدث هذا. يمكنك مشاهدة الرسوم المتحركة للعملية على هذا الرابط: www.biostudio.com/d_٪20Transcription.htm.

نظرة عامة على النسخ. يستخدم النسخ تسلسل القواعد في خيط من الحمض النووي لعمل خيط تكميلي من الرنا المرسال. الثلاثية هي مجموعات من ثلاث قواعد نيوكليوتيد متتالية في الحمض النووي. الكودونات هي مجموعات تكميلية من القواعد في الرنا المرسال.

خطوات النسخ

يتم النسخ في ثلاث خطوات: البدء والاستطالة والإنهاء. الخطوات موضحة في شكل أدناه.

  1. المبادرة هي بداية النسخ. يحدث عندما يكون الانزيم RNAبوليميراز يرتبط بمنطقة من الجين تسمى المروجين. هذا يشير إلى الحمض النووي للاسترخاء حتى يتمكن الإنزيم & lsquo & lsquoread & rsquo & rsquo من القواعد في أحد خيوط الحمض النووي. أصبح الإنزيم الآن جاهزًا لصنع خيط من الرنا المرسال مع سلسلة تكميلية من القواعد.
  2. استطالة هي إضافة النيوكليوتيدات إلى خيط الرنا المرسال. يقرأ بوليميراز الحمض النووي الريبي خيط الحمض النووي غير الملفوف ويبني جزيء الرنا المرسال باستخدام أزواج القواعد التكميلية. هناك وقت قصير خلال هذه العملية عندما يكون الحمض النووي الريبي المتشكل حديثًا مرتبطًا بالحمض النووي غير الملتحم. خلال هذه العملية ، يرتبط الأدينين (A) في الحمض النووي بـ uracil (U) في الحمض النووي الريبي.
  3. نهاية هي نهاية النسخ ، وتحدث عندما يعبر RNA polymerase تسلسل توقف (إنهاء) في الجين. اكتمل خيط الرنا المرسال ، وينفصل عن الحمض النووي.

خطوات النسخ. يحدث النسخ في الخطوات الثلاث - البدء والاستطالة والإنهاء - الموضحة هنا.

معالجة mRNA

في حقيقيات النوى ، فإن mRNA الجديد ليس جاهزًا بعد للترجمة. يجب أن تخضع لمعالجة إضافية قبل أن تغادر النواة. قد يشمل ذلك التضفير والتحرير والعديد الأدينيل. هذه العمليات تعدل الرنا المرسال بطرق مختلفة. تسمح مثل هذه التعديلات باستخدام جين واحد لصنع أكثر من بروتين واحد.

  • الربط يزيل الإنترونات من مرنا (انظر شكلأدناه). الإنترونات هي مناطق لا ترمز للبروتينات. يتكون الرنا المرسال المتبقي فقط من المناطق التي تقوم بتشفير البروتينات ، والتي يتم استدعاؤها exons. يمكنك مشاهدة فيديو يظهر الربط بمزيد من التفاصيل على هذا الرابط: http: //vcell.ndsu.edu/animations/mrnasplicing/movie-flash.htm. Ribonucleoproteins هي بروتينات نووية تحتوي على RNA. تشارك البروتينات النووية الريبونية الصغيرة في التضفير قبل الرنا المرسال.
  • التحرير يغير بعض النيوكليوتيدات في الرنا المرسال. على سبيل المثال ، البروتين البشري المسمى APOB ، والذي يساعد على نقل الدهون في الدم ، له شكلين مختلفين بسبب التحرير. أحد الأشكال أصغر من الآخر لأن التحرير يضيف إشارة توقف مبكرة في الرنا المرسال.
  • تذييل بعديد الأدينين يضيف & ldquotail & rdquo إلى mRNA. يتكون الذيل من سلسلة من As (قواعد الأدينين). يشير إلى نهاية mRNA. كما تشارك في تصدير mRNA من النواة. بالإضافة إلى ذلك ، يحمي الذيل mRNA من الإنزيمات التي قد تكسرها.

الربط. الربط يزيل الإنترونات من الرنا المرسال. UTR هي منطقة غير مترجمة من الرنا المرسال.


ينشئ علماء الأحياء خلايا تحتوي على 6 أحرف من الحمض النووي ، بدلاً من 4 فقط

لإعادة مراجعة هذه المقالة ، قم بزيارة ملفي الشخصي ، ثم اعرض القصص المحفوظة.

يمكن للخلايا ذات الأبجدية الجينية الموسعة أن تصنع نطاقًا أوسع من البروتينات. الصورة: Synthorx

لإعادة مراجعة هذه المقالة ، قم بزيارة ملفي الشخصي ، ثم اعرض القصص المحفوظة.

من أول الأشياء التي تتعلمها في علم الأحياء 101 هو أن الكود الجيني يتكون من أربعة أحرف: A و T و C و G يمثل كل منها لبنة بناء كيميائية للحمض النووي ، وهو الجزيء الذي يشفر المعلومات اللازمة لبناء الحياة كما نحن. يعرف. ولكن ماذا لو لم & # x27t علينا تسوية أربعة أحرف فقط؟ الآن ، حقق العلماء شيئًا اعتقدوا أنه مستحيل: لقد أنشأوا خلايا بأبجدية جينية موسعة تتضمن حرفين آخرين.

قال فلويد روميسبيرج ، عالم الأحياء الاصطناعية في معهد سكريبس للأبحاث في لا جولا بكاليفورنيا ، الذي قاد العمل ، "لدينا الآن خلية تعيش وتعيش مع مزيد من المعلومات في جينومها".

من المحتمل أن يؤدي وجود المزيد من الرسائل للعمل بها إلى فتح الباب أمام مجموعة كبيرة من الجزيئات الجديدة. (تشبيه تقريبي: فكر فقط في عدد الكلمات الجديدة المجنونة التي يمكنك تهجئتها باستخدام 39 حرفًا بدلاً من 26 حرفًا المعتاد). مع مزيد من التحسينات ، يمكن استخدام الخلايا الاصطناعية يومًا ما لإنشاء - أو تطوير - بروتينات غير موجودة في الطبيعة ، بالإضافة إلى تسلسلات جديدة من الحمض النووي والحمض النووي الريبي ، والتي يمكن أن يكون أي منها مفيدًا للبحث وتشخيص الأمراض ، أو ابتكار علاجات جديدة. لكن هذا & # x27s لا يزال بعيد المنال.

يقول روميسبيرج إن مختبره أمضى 15 عامًا في تطوير الحمض النووي بحرفين إضافيين. من الناحية الكيميائية ، الحروف عبارة عن نيوكليوتيدات ، وهي مكونات الحمض النووي التي توضح تسلسلها تعليمات لصنع البروتينات. قد تتذكر أن الخلايا تصنع البروتينات عن طريق نسخ الحمض النووي إلى الحمض النووي الريبي واستخدام الحمض النووي الريبي كقالب لربط الأحماض الأمينية معًا في بروتينات. يجب على الخلايا أيضًا نسخ الحمض النووي الخاص بها في كل مرة تنقسم فيها لتكوين المزيد من الخلايا. يقول روميسبيرج إن التحدي الأكبر كان التأكد من أن النيوكليوتيدات الجديدة تعمل بشكل جيد مع الإنزيمات التي تقوم بكل هذا النسخ والنسخ.

في عام 2012 ، أبلغ العلماء عن اختراق: لقد أظهروا أن الحمض النووي المكون من ستة أحرف الذي قاموا بإنشائه & # x27d يمكن نسخه ونسخه بنجاح إلى الحمض النووي الريبي في تجارب أنبوب الاختبار.

. الصورة: مركز قاعدة البيانات لعلوم الحياة (DBCLS)

ولكن هل يمكن أن يعمل الحمض النووي المكون من ستة أحرف في الواقع في بيئة أكثر تعقيدًا وفوضى للخلية الحية؟

تشير الدراسة الجديدة إلى إمكانية ذلك. نجح روميسبيرج وزملاؤه في الإقناع بكتريا قولونية تقوم البكتيريا بأخذ حمضها النووي المكون من ستة أحرف وعمل نسخ منه. قامت الخلايا والإنزيمات # x27 بنسخ الحرفين الجديدين اللذين يسميهما العلماء X و Y باختصار (يجب عدم الخلط بين الكروموسومات X و Y التي تميز الأولاد عن البنات) ، إلى جانب الأحرف الأربعة المعتادة. أفاد الفريق اليوم أن الخلايا نمت بشكل أبطأ قليلاً من المعتاد ، لكنها لم تكن أسوأ من حيث التآكل طبيعة سجية.

يقول ستيفن بينر ، عالم الأحياء التركيبية في مؤسسة التطور الجزيئي التطبيقي في جينسفيل بولاية فلوريدا ، إن هذا العمل يعد إنجازًا كبيرًا. يقول إنها & # x27s هي المرة الأولى التي أظهر فيها أي شخص أن الخلايا الحية يمكن أن تتكاثر & quotalien & quot الحمض النووي المبني من أجزاء أخرى غير الأحرف الأربعة التي تحدث في الطبيعة.

يقول روميسبيرج إن الخطوات التالية ستكون تحديد ما إذا كانت الخلايا يمكنها أيضًا نسخ أزواج القواعد غير الطبيعية إلى الحمض النووي الريبي ، وفي النهاية استخدامها لصنع البروتينات. باستخدام الأبجدية الجينية الأكبر ، يمكن للخلايا ترميز الأحماض الأمينية الاصطناعية غير الموجودة في الطبيعة وإنشاء بروتينات جديدة يصعب - إن لم يكن من المستحيل - تخليقها بشكل مباشر.

يقول روميسبيرج إنه ينبغي أيضًا أن يكون من الممكن خداع الخلايا الاصطناعية لتحويلها إلى بروتينات متطورة أو جزيئات أخرى مُحسَّنة لمختلف المهام البيولوجية. أنشأ شركة ، Synthorx ، لاستكشاف هذه الاحتمالات.

وفقًا لبينر ، قد تكون الإمكانات التجارية محدودة بسبب تكلفة صنع السلائف الجزيئية للنيوكليوتيدات X و Y ، والتي يجب إضافتها إلى السائل الذي يغمر الخلايا البكتيرية في Romesberg & # x27s. لهذا السبب ، يعمل Benner على استراتيجية مختلفة: محاولة إعادة هندسة التمثيل الغذائي للخلايا لتجميع السلائف من تلقاء نفسها. لكن هذا النهج له تحدياته الخاصة. قال بينر إنها & # x27s مشكلة صعبة للغاية ، & quot. حتى الآن قام فريقه بتصميم خمسة من ستة إنزيمات مطلوبة ، كما يقول. & quot ولكن آخرها ألم في الرقبة. & quot

يصر روميسبيرج على أن التكلفة لن تكون باهظة. علاوة على ذلك ، كما يقول ، فإن مطلب الاستمرار في تغذية سلائف X و Y للبكتيريا هو في الواقع حماية مهمة: إذا هربت بعض الحشرات من المختبر ، فإنها سرعان ما تعود إلى صنع الحمض النووي الطبيعي المكون من أربعة أحرف.

يوافق بينر على هذه النقطة. & quot الجمهور يسأل دائمًا ، هل ستخلق وحشًا سيهرب ويسيطر على العالم ، & quot ؛ قال. يعتقد بينر أن هذه المخاوف مبالغ فيها ، خاصة في هذه الحالة. & quot إذا خرجت من المختبر ، فلن تذهب إلى حديقة حيوان سان دييغو وتبدأ في أكل طيور البطريق. & quot


شاهد الفيديو: تكنولوجيا الحمض النووي DNA (سبتمبر 2022).