در سطح میکروسکوپی، همه ما از سلول‌ها (یاخته‌ها) تشکیل شده‌ایم. به خودتان در آینه نگاه کنید – آنچه می‌بینید حدود 10 تریلیون سلول است که به حدود 200 نوع مختلف تقسیم شده‌اند. ماهیچه‌های ما از سلول‌های ماهیچه‌ای، کبد ما از سلول‌های کبدی ساخته شده است و حتی انواع بسیار تخصصی از سلول‌ها وجود دارند که مینای دندان یا عدسی‌های شفاف چشم ما را می‌سازند!
اگر می‌خواهید بفهمید که بدن شما چگونه کار می‌کند، باید سلول‌ها را درک کنید. همه چیز، از تولیدمثل گرفته تا عفونت‌ها تا ترمیم یک استخوان شکسته، در سطح سلولی اتفاق می‌افتد. اگر می‌خواهید مرزهای جدیدی مانند بیوتکنولوژی و مهندسی ژنتیک را درک کنید، باید سلول‌ها را نیز درک کنید.
هر کسی که روزنامه یا هر یک از مجلات علمی (Scientific American ،Discover ،Popular Science) را می‌خواند، می‌داند که ژن‌ها (Genes) این روزها خبرساز هستند. در اینجا برخی از اصطلاحاتی که معمولاً می‌بینید آورده شده است:
• بیوتکنولوژی (Biotechnology)
• پیوند ژن
• ژنوم (Genome) انسان
• مهندسی ژنتیک
DNA • نوترکیب
• بیماری‌های ژنتیکی
• ژن درمانی
• جهش‌های DNA
• انگشت‌نگاری DNA یا پروفایل DNA
علم ژن و ژنتیک به سرعت چهره پزشکی، کشاورزی و حتی سیستم حقوقی را تغییر می‌دهند!
در این مقاله، به سطح مولکولی خواهیم رفت تا به طور کامل بفهمیم که سلول‌ها چگونه کار می‌کنند. ما ساده‌ترین سلول‌های ممکن را بررسی خواهیم کرد: سلول‌های باکتریایی. با درک نحوه کار باکتری‌ها، می‌توانید مکانیسم‌های اساسی همه سلول‌های بدن خود را درک کنید. این یک موضوع جذاب است؛ هم به دلیل ماهیت بسیار شخصی آن و هم به این دلیل که این دانش، فهم اخبار را بسیار واضح‌تر و آسان‌تر می‌کند. همچنین، هنگامی که نحوه کار سلول‌ها را درک کردید، می‌توانید به سوالات مرتبط دیگری مانند اینها پاسخ دهید:
• ویروس چیست و چگونه در سطح مولکولی کار می‌کند؟
• آنتی بیوتیک چیست و آنتی بیوتیک‌ها چگونه کار می‌کنند؟ چرا آنتی بیوتیک‌ها سلول‌های طبیعی را از بین نمی‌برند؟
• ویتامین چیست و چرا باید هر روز آنها را مصرف کنیم؟
• سموم چگونه کار می‌کنند؟
• زنده بودن، حداقل در سطح سلولی، به چه معناست؟
همه این سوالات پس از درک نحوه کار سلول‌ها پاسخ‌های واضحی دارند – پس بیایید شروع کنیم!
بخش‌های مختلف سلول
بدن شما از حدود ۱۰ تریلیون سلول تشکیل شده است. بزرگ‌ترین سلول‌های انسانی تقریباً به قطر یک تار موی انسان هستند، اما بیشتر سلول‌های انسانی کوچکتر هستند – شاید یک‌دهم قطر یک تار موی انسان.
اکنون انگشتان خود را در موهایتان فرو کنید و به یک تار مو نگاه کنید. خیلی ضخیم نیست – شاید ۱۰۰ میکرون قطر داشته باشد (یک میکرون یک میلیونیم متر است، بنابراین ۱۰۰ میکرون یک ده‌هزارم میلی‌متر است). یک سلول معمولی انسانی ممکن است یک‌دهم قطر موی شما باشد (۱۰ میکرون). به انگشت کوچک پای خود نگاه کنید – بسته به اینکه چقدر بزرگ هستید، ممکن است نشان‌دهنده ۲ یا ۳ میلیارد سلول یا بیشتر باشد. یک خانه کامل پر از نخود فرنگی را تصور کنید. اگر خانه، انگشت کوچک پای شما باشد، نخودها سلول‌های آن هستند. این تعداد زیادی سلول است!
باکتری‌ها تقریباً ساده‌ترین سلول‌هایی هستند که امروزه وجود دارند. یک باکتری یک سلول منفرد، خودکفا و زنده است. یک باکتری اشرشیاکُلی (Escherichia coli) (یا باکتری E. coli) نمونه‌ای است – تقریباً یک‌صدم اندازه یک سلول انسانی است (شاید یک میکرون طول و یک‌دهم میکرون عرض داشته باشد)، بنابراین بدون میکروسکوپ نامرئی است. وقتی عفونت می‌گیرید، باکتری‌ها مانند قایق‌های کوچک در کنار یک کشتی بزرگ، در اطراف سلول‌های بزرگ شما شنا می‌کنند.
باکتری‌ها بسیار ساده‌تر از سلول‌های انسانی هستند. یک باکتری از یک پوشش بیرونی به نام غشای سلولی (cell Membrane) تشکیل شده است، و در داخل غشا یک مایع آبکی به نام سیتوپلاسم (Cytoplasm) وجود دارد. سیتوپلاسم ممکن است ۷۰ درصد آب باشد. ۳۰ درصد دیگر با پروتئین‌هایی به نام آنزیم‌ها (Enzymes) پر شده است که سلول تولید کرده است، همراه با مولکول‌های کوچک‌تری مانند اسیدهای آمینه، مولکول‌های گلوکز و .ATP در مرکز سلول، یک توپ DNA وجود دارد (شبیه به یک توپ نخ درهم‌پیچیده). اگر این DNA را به یک رشته بلند بکشید، در مقایسه با باکتری، فوق‌العاده طولانی خواهد بود – حدود ۱۰۰۰ برابر طولانی‌تر!
یک باکتری E. coli شکل کپسولی مشخصی دارد. قسمت بیرونی سلول، غشای سلولی است که در اینجا به رنگ نارنجی نشان داده شده است. در E. coli، در واقع دو غشای نزدیک به هم وجود دارد که از سلول محافظت می‌کنند. در داخل غشا، سیتوپلاسم قرار دارد که از میلیون‌ها آنزیم، قند، ATP و سایر مولکول‌ها تشکیل شده است که آزادانه در آب شناور هستند. در مرکز سلول، DNA آن قرار دارد.DNA مانند یک توپ نخ درهم‌پیچیده است. هیچ محافظی برای DNA در یک باکتری وجود ندارد – توپ درهم‌پیچیده تقریباً در مرکز سلول در سیتوپلاسم شناور است. رشته‌های بلندی به نام تاژک (Flagella) به قسمت بیرونی سلول متصل هستند که سلول را به جلو می‌رانند. همه باکتری‌ها تاژک ندارند، و هیچ سلول انسانی به جز سلول‌های اسپرم، تاژک ندارد.
سلول‌های انسانی بسیار پیچیده‌تر از باکتری‌ها هستند. آنها دارای یک غشای هسته‌ای ویژه برای محافظت از DNA، غشاها و ساختارهای اضافی مانند میتوکندری (Mitochondria) و دستگاه گلژی (Golgi bodies)، و انواع دیگر ویژگی‌های پیشرفته هستند. با این حال، فرآیندهای اساسی در باکتری‌ها و سلول‌های انسانی یکسان است، بنابراین ما با باکتری‌ها شروع خواهیم کرد.
آنزیم‌ها
در هر لحظه معین، تمام کارهایی که در داخل هر سلول انجام می‌شود، توسط آنزیم‌ها صورت می‌گیرد. اگر آنزیم‌ها را درک کنید، سلول‌ها را درک کرده‌اید. یک باکتری مانند E. coli تقریباً ۱۰۰۰ نوع مختلف آنزیم دارد که در هر زمان معین در سیتوپلاسم شناور هستند.
آنزیم‌ها خواص بسیار جالبی دارند که آنها را به ماشین‌های واکنش شیمیایی کوچک تبدیل می‌کند. هدف یک آنزیم در یک سلول این است که به سلول اجازه دهد واکنش‌های شیمیایی را خیلی سریع انجام دهد. این واکنش‌ها به سلول اجازه می‌دهند تا در صورت نیاز، چیزهایی را بسازد یا از هم جدا کند. اینگونه است که یک سلول رشد و تولید مثل می‌کند. در ابتدایی‌ترین سطح، یک سلول در واقع یک کیسه کوچک پر از واکنش‌های شیمیایی است که توسط آنزیم‌ها امکان‌پذیر شده است!
آنزیم‌ها از اسیدهای آمینه (Amino acids) ساخته شده‌اند و پروتئین هستند. هنگامی که یک آنزیم تشکیل می‌شود، با به هم پیوستن بین ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ اسید آمینه در یک ترتیب بسیار خاص و منحصر به فرد ساخته می‌شود. سپس زنجیره اسیدهای آمینه به صورت یک شکل منحصر به فرد، تا می‌شود. این شکل به آنزیم اجازه می‌دهد تا واکنش‌های شیمیایی خاصی را انجام دهد – یک آنزیم به عنوان یک کاتالیزور بسیار کارآمد برای یک واکنش شیمیایی خاص عمل می‌کند. آنزیم سرعت آن واکنش را به طور چشمگیری افزایش می‌دهد.
به عنوان مثال، قند مالتوز (Maltase) از دو مولکول گلوکز متصل به هم ساخته شده است. آنزیم مالتاز به گونه‌ای شکل گرفته است که می‌تواند پیوند را شکسته و دو قطعه گلوکز را آزاد کند. تنها کاری که مالتاز می‌تواند انجام دهد این است که مولکول‌های مالتوز را بشکند، اما می‌تواند این کار را بسیار سریع و کارآمد انجام دهد. انواع دیگر آنزیم‌ها می‌توانند اتم‌ها و مولکول‌ها را به هم متصل کنند. تجزیه مولکول‌ها و به هم پیوستن مولکول‌ها (سنتز) کاری است که آنزیم‌ها انجام می‌دهند و برای هر واکنش شیمیایی مورد نیاز برای عملکرد صحیح سلول، یک آنزیم خاص وجود دارد.
در نمودار بالا می‌توانید عملکرد اساسی یک آنزیم را مشاهده کنید. یک مولکول مالتوز در نزدیکی شناور است و در یک محل مخصوص بر روی آنزیم مالتاز جذب می‌شود. محل فعال (Active site) روی آنزیم، پیوند را می‌شکند و سپس دو مولکول گلوکز از هم جدا شده و شناور می‌شوند.
شاید نام افرادی که عدم تحمل لاکتوز (Lactose intolerant) دارند را شنیده باشید، یا شاید خودتان از این مشکل رنج می‌برید. این مشکل به این دلیل ایجاد می‌شود که قند موجود در شیر — لاکتوز — به اجزای گلوکز خود تجزیه نمی‌شود. بنابراین، قابل هضم نیست. سلول‌های روده افراد مبتلا به عدم تحمل لاکتوز، آنزیم لاکتاز (Lactase) مورد نیاز برای تجزیه لاکتوز را تولید نمی‌کنند. این مشکل نشان می‌دهد که چگونه کمبود تنها یک آنزیم در بدن انسان می‌تواند منجر به مشکلاتی شود. فردی که عدم تحمل لاکتوز دارد، می‌تواند قبل از نوشیدن شیر، یک قطره لاکتاز ببلعد و مشکل حل شود. بسیاری از کمبودهای آنزیمی به این آسانی قابل رفع نیستند.
درون یک باکتری حدود ۱۰۰۰ نوع آنزیم وجود دارد (لاکتاز یکی از آنهاست). تمام این آنزیم‌ها آزادانه در سیتوپلاسم شناور هستند و منتظرند تا ماده شیمیایی که آن را تشخیص می‌دهند از کنارشان عبور کند. صدها یا میلیون‌ها نسخه از هر نوع آنزیم مختلف وجود دارد، بسته به اینکه یک واکنش چقدر برای یک سلول مهم است و چند وقت یکبار به آن واکنش نیاز است. این آنزیم‌ها همه کارها را در داخل سلول‌ها انجام می‌دهند، از تجزیه گلوکز برای تولید انرژی گرفته تا ساختن دیواره‌های سلولی، ساخت آنزیم‌های جدید و اجازه تولید مثل به سلول. آنزیم‌ها تمام کارها را در داخل سلول‌ها انجام می‌دهند.
پروتئین‌ها
پروتئین (Protein) زنجیره‌ای از اسیدهای آمینه است. اسید آمینه یک مولکول کوچک است که به عنوان واحد سازنده هر پروتئین عمل می‌کند. اگر چربی را نادیده بگیرید، حدود 20 درصد وزن بدن شما را پروتئین تشکیل می‌دهد. حدود 60 درصد بدن از آب تشکیل شده است. بیشتر بقیه بدن از مواد معدنی (مثلاً کلسیم در استخوان‌ها) تشکیل شده است.
اسیدهای آمینه به این دلیل “اسید آمینه” نامیده می‌شوند که حاوی یک گروه آمینه (NH2) و یک گروه کربوکسیل (COOH) هستند که اسیدی است. در شکل بالا، می‌توانید ساختار شیمیایی دو اسید آمینه را ببینید. می‌توانید ببینید که قسمت بالای هر کدام یکسان است. این در مورد همه اسیدهای آمینه صادق است – زنجیره کوچک در پایین ( Hیا CH3 در این دو اسید آمینه) تنها چیزی است که از یک اسید آمینه به اسید آمینه دیگر متفاوت است. در برخی از اسیدهای آمینه، قسمت متغیر می‌تواند بسیار بزرگ باشد. بدن انسان از 20 اسید آمینه مختلف ساخته شده است (شاید 100 اسید آمینه مختلف در طبیعت وجود داشته باشد).
از نظر بدن شما، دو نوع مختلف اسید آمینه وجود دارد: ضروری (Essential) و غیر ضروری (Non-essential). اسیدهای آمینه غیر ضروری، اسیدهای آمینه‌ای هستند که بدن شما می‌تواند از مواد شیمیایی دیگر موجود در بدن بسازد. اسیدهای آمینه ضروری قابل تولید نیستند، بنابراین تنها راه به دست آوردن آنها از طریق غذا است. در زیر اسیدهای آمینه مختلف آورده شده است:
غیر ضروری:
- آلانین (Alanine) (سنتز شده از اسید پیروویک (Pyruvic acid))
- آرژنین (Arginine) (سنتز شده از اسید گلوتامیک (Glutamic acid))
- آسپاراژین (Asparagine) (سنتز شده از اسید آسپارتیک (Aspartic acid))
- اسید آسپارتیک (Aspartic acid) (سنتز شده از اسید اگزالواستیک (Oxaloacetic acid))
- سیستئین (Cysteine) (سنتز شده از هموسیستئین (Homocysteine) که از متیونین (Methionine) به دست می‌آید)
- اسید گلوتامیک (Glutamic acid) (سنتز شده از اسید اکسوگلوتاریک (Oxoglutaric acid))
- گلوتامین (Glutamine) (سنتز شده از اسید گلوتامیک (Glutamic acid))
- گلیسین (Glycine) (سنتز شده از سرین (Serine) و ترئونین (Threonine))
- پرولین (Proline) (سنتز شده از اسید گلوتامیک (Glutamic acid))
- سرین (Serine) (سنتز شده از گلوکز (Glucose))
- تیروزین (Tryosine) (سنتز شده از فنیل آلانین (phenylalanine))
ضروری:
- هیستیدین (Histidine)
- ایزولوسین (Isoleucine)
- لوسین (Leucine)
- لیزین (Lysine)
- متیونین (Methionine)
- فنیل (Phenylalanine)
- ترئونین (Threonine)
- تریپتوفان (Tryptophan)
- والین (Valine)
پروتئین موجود در رژیم غذایی ما از منابع حیوانی و گیاهی تامین می‌شود. بیشتر منابع حیوانی (گوشت، شیر، تخم مرغ) “پروتئین کامل (Complete protein)” را ارائه می‌دهند، به این معنی که حاوی تمام اسیدهای آمینه ضروری هستند. منابع گیاهی معمولاً کمبود یا فقدان برخی از اسیدهای آمینه ضروری را دارند. به عنوان مثال، برنج از نظر ایزولوسین (Isoleucine) و لیزین (Lysine) کم است. با این حال، منابع گیاهی مختلف، کمبودهای متفاوتی در اسیدهای آمینه دارند، بنابراین با ترکیب غذاهای مختلف می‌توانید تمام اسیدهای آمینه ضروری را در طول روز دریافت کنید. برخی از منابع گیاهی حاوی مقدار زیادی پروتئین هستند. آجیل، لوبیا و سویا همگی سرشار از پروتئین هستند. با ترکیب آنها، می‌توانید پوشش کاملی از تمام اسیدهای آمینه ضروری داشته باشید.
دستگاه گوارش (Digestive system) تمام پروتئین‌ها را به اسیدهای آمینه تجزیه می‌کند تا بتوانند وارد جریان خون شوند. سپس سلول‌ها از اسیدهای آمینه به عنوان بلوک‌های سازنده برای ساخت آنزیم‌ها و پروتئین‌های ساختاری استفاده می‌کنند.
برای اطلاعات بیشتر به “چگونه غذا کار می‌کند” مراجعه کنید.
آنزیم‌ها در محل کار
انواع مختلفی از آنزیم‌ها در داخل باکتری‌ها و سلول‌های انسانی فعالیت می‌کنند و بسیاری از آنها فوق‌العاده جالب هستند! سلول‌ها از آنزیم‌ها در داخل برای رشد، تولید مثل و تولید انرژی استفاده می‌کنند و اغلب آنزیم‌ها را در خارج از دیواره سلولی خود نیز ترشح می‌کنند. به عنوان مثال، باکتری‌های E. coli آنزیم‌هایی را ترشح می‌کنند تا به تجزیه مولکول‌های غذا کمک کنند تا بتوانند از طریق دیواره سلولی به داخل سلول راه پیدا کنند. برخی از آنزیم‌هایی که ممکن است نامشان را شنیده باشید عبارتند از:
- پروتئازها (Proteases) و پپتیدازها (Peptidases) – پروتئاز به هر آنزیمی گفته می‌شود که می‌تواند یک پروتئین بلند را به زنجیره‌های کوچکتر به نام پپتید تجزیه کند (پپتید به سادگی یک زنجیره کوتاه اسید آمینه است). پپتیدازها پپتیدها را به اسیدهای آمینه منفرد تجزیه می‌کنند. پروتئازها و پپتیدازها اغلب در مواد شوینده لباسشویی یافت می‌شوند – آنها با تجزیه پروتئین‌ها، به حذف موادی مانند لکه‌های خون از پارچه کمک می‌کنند. برخی از پروتئازها بسیار تخصصی هستند، در حالی که برخی دیگر تقریباً هر زنجیره اسید آمینه‌ای را تجزیه می‌کنند. (شاید نام مهارکننده‌های پروتئاز (Protease inhibitors) را در داروهایی که با ویروس ایدز مبارزه می‌کنند شنیده باشید. ویروس ایدز از پروتئازهای بسیار تخصصی در بخشی از چرخه تولید مثل خود استفاده می‌کند و مهارکننده‌های پروتئاز سعی می‌کنند آنها را مسدود کنند تا تولید مثل ویروس را متوقف کنند.)
- آمیلازها (Amylases) – آمیلازها زنجیره‌های نشاسته را به مولکول‌های قند کوچکتر تجزیه می‌کنند. بزاق شما حاوی آمیلاز است و روده کوچک شما نیز همینطور. مالتاز، لاکتاز، ساکارز (که در بخش قبلی توضیح داده شد) تجزیه قندهای ساده را به مولکول‌های گلوکز منفرد به پایان می‌رسانند.
- لیپازها (Lipases) – لیپازها چربی‌ها را تجزیه می‌کنند.
- سلولازها (Cellulases) – سلولازها مولکول‌های سلولز را به قندهای ساده‌تر تجزیه می‌کنند. باکتری‌ها در روده گاوها و موریانه‌ها سلولازها را ترشح می‌کنند و اینگونه است که گاوها و موریانه‌ها قادر به خوردن موادی مانند چمن و چوب هستند.
باکتری‌ها، این آنزیم‌ها را در خارج از دیواره سلولی خود ترشح می‌کنند. مولکول‌های موجود در محیط، به قطعات کوچکتر تجزیه می‌شوند (پروتئین‌ها به اسیدهای آمینه، نشاسته‌ها به قندهای ساده و غیره) تا آنقدر کوچک شوند که از دیواره سلول به داخل سیتوپلاسم عبور کنند. اینگونه است که E. coli غذا می‌خورد!
در داخل سلول، صدها آنزیم بسیار تخصصی، وظایف بسیار مشخصی را انجام می‌دهند که سلول برای زنده ماندن به آنها نیاز دارد. برخی از شگفت‌انگیزترین آنزیم‌های موجود در داخل سلول‌ها عبارتند از:
- آنزیم‌های انرژی (Energy enzymes) – مجموعه‌ای از 10 آنزیم به سلول اجازه می‌دهد تا گلیکولیز (Glycolysis) را انجام دهد. هشت آنزیم دیگر چرخه اسید سیتریک (همچنین به عنوان چرخه Krebs شناخته می‌شود) را کنترل می‌کنند. این دو فرآیند با هم به سلول اجازه می‌دهند تا گلوکز و اکسیژن را به آدنوزین تری فسفات یا ATP تبدیل کند. در یک سلول مصرف‌کننده اکسیژن مانند E. coli یا یک سلول انسانی، یک مولکول گلوکز، 36 مولکول ATP را می‌سازد (در چیزی مانند یک سلول مخمر، که زندگی خود را بدون اکسیژن سپری می‌کند، فقط گلیکولیز رخ می‌دهد و تنها دو مولکول ATP از هر مولکول گلوکز تولید می‌کند). ATP یک مولکول سوخت است که قادر است با انجام واکنش‌های شیمیایی “سربالایی (uphill)” به آنزیم‌ها نیرو دهد.
- آنزیم‌های محدودکننده (Restriction enzymes) – بسیاری از باکتری‌ها قادر به تولید آنزیم‌های محدودکننده هستند که الگوهای بسیار خاصی را در زنجیره‌های DNA تشخیص می‌دهند و DNA را در آن الگوها می‌شکنند. هنگامی که یک ویروس، DNA خود را به یک باکتری تزریق می‌کند، آنزیم محدودکننده، DNA ویروسی را تشخیص می‌دهد و آن را برش می‌دهد و به طور موثری ویروس را قبل از اینکه بتواند تولید مثل کند، از بین می‌برد.
- آنزیم‌های دستکاری DNA (DNA-manipulation enzymes) – آنزیم‌های تخصصی وجود دارند که در امتداد رشته‌های DNA حرکت می‌کنند و آنها را ترمیم می‌کنند. آنزیم‌های دیگری نیز وجود دارند که می‌توانند رشته‌های DNA را برای تولید مثل باز کنند (DNA پلیمراز). همچنین، برخی دیگر می‌توانند الگوهای کوچکی را روی DNA پیدا کرده و به آنها متصل شوند و دسترسی به آن بخش از DNA را مسدود کنند (پروتئین‌های متصل‌شونده به DNA).
- آنزیم‌های تولید آنزیم (Enzyme-production enzymes) – همه این آنزیم‌های پیش‌گفته باید از جایی بیایند، بنابراین آنزیم‌هایی وجود دارند که آنزیم‌های سلول را تولید می‌کنند! اسید ریبونوکلئیک (RNA) در سه شکل مختلف (RNA پیام‌رسان (Messenger RNA)، RNA ناقل (Transfer RNA) و RNA ریبوزومی (Ribosomal RNA)) بخش بزرگی از این فرآیند است. یک سلول واقعاً چیزی جز مجموعه‌ای از واکنش‌های شیمیایی نیست و آنزیم‌ها این واکنش‌ها را به درستی انجام می‌دهند.
ساخت آنزیم‌ها
تا زمانی که غشای سلول سالم باشد و تمام آنزیم‌های مورد نیاز برای عملکرد صحیح را بسازد، سلول زنده است. آنزیم‌هایی که برای عملکرد صحیح به آنها نیاز دارد، به سلول اجازه می‌دهند تا از گلوکز انرژی تولید کند، قطعات سازنده دیواره سلولی خود را بسازد، تولید مثل کند و البته آنزیم‌های جدید تولید کند.
پس تمام این آنزیم‌ها از کجا می‌آیند؟ و چگونه سلول در صورت نیاز آنها را تولید می‌کند؟ اگر سلول صرفاً مجموعه‌ای از آنزیم‌ها باشد که باعث واکنش‌های شیمیایی می‌شوند و سلول را وادار به انجام کارهایش می‌کنند، پس چگونه مجموعه‌ای از واکنش‌های شیمیایی می‌تواند آنزیم‌های مورد نیاز خود را بسازد، و چگونه سلول می‌تواند تولید مثل کند؟ معجزه حیات از کجا می‌آید؟
پاسخ این سوالات در DNA یا دئوکسی‌ریبونوکلئیک اسید نهفته است. شما قطعاً نام DNA، کروموزوم‌ها (Chromosomes) و ژن‌ها (Genes) را شنیده‌اید.DNA ، سلول را در تولید آنزیم‌های جدید راهنمایی می‌کند.
DNA در یک سلول، در واقع فقط یک الگو است که از چهار بخش مختلف به نام نوکلئوتید (Nucleotides) یا باز (Bases) تشکیل شده است. مجموعه‌ای از بلوک‌ها را تصور کنید که فقط چهار شکل مختلف دارند، یا الفبایی که فقط چهار حرف مختلف دارد.DNA یک رشته طولانی از بلوک‌ها یا حروف است. در یک سلول E. coli، الگوی DNA حدود 4 میلیون بلوک طول دارد. اگر این تک‌رشته DNA را باز کنید، طول آن 1.36 میلی‌متر خواهد بود – که با توجه به اینکه خود باکتری 1000 برابر کوچکتر است، طول بسیار زیادی است. در باکتری‌ها، رشته DNA مانند یک توپ نخ مچاله شده است. تصور کنید 1000 فوت (300 متر) نخ فوق‌العاده نازک را بردارید و آن را مچاله کنید – به راحتی می‌توانید آن را در دست خود نگه دارید. ( DNA انسان حدود 3 میلیارد بلوک طول دارد، یا تقریباً 1000 برابر طولانی‌تر از E. coli. DNA انسان آنقدر طولانی است که رویکرد مچاله کردن کارساز نیست. در عوض، DNA انسان به طور محکم در 23 ساختار به نام کروموزوم پیچیده می‌شود تا آن را محکم‌تر بسته‌بندی کند و در داخل سلول جا دهد.)
چیز شگفت‌انگیز در مورد DNA این است که: DNA چیزی بیش از یک الگو نیست که به سلول می‌گوید چگونه پروتئین‌های خود را بسازد! تمام کاری که DNA انجام می‌دهد همین است. 4 میلیون باز در DNA سلول E. coli به سلول می‌گوید چگونه حدود 1000 آنزیم مورد نیاز یک سلول E. coli برای زندگی کردن را بسازد. ژن به سادگی بخشی از DNA است که به عنوان الگویی برای تشکیل یک آنزیم عمل می‌کند.
بیایید کل فرآیند تبدیل DNA به آنزیم را بررسی کنیم تا بتوانید نحوه کار آن را درک کنید.
DNA
احتمالاً نام مولکول DNA را با عنوان “مارپیچ دوگانه” شنیده‌اید. DNA مانند دو رشته است که به صورت مارپیچی بلند به هم پیچیده‌اند.
DNA در تمام سلول‌ها به صورت جفت‌بازهایی یافت می‌شود که از چهار نوکلئوتید مختلف ساخته شده‌اند. هر جفت‌باز از دو نوکلئوتید مکمل که به هم متصل شده‌اند، تشکیل می‌شود. چهار باز موجود در الفبای DNA عبارتند از:
- آدنین (Adenine)
- سیتوزین (Cytosine)
- گوانین (Guanine)
- تیمین (Thymine)
آدنین و تیمین همیشه به صورت یک جفت به هم متصل می‌شوند، و سیتوزین و گوانین نیز به همین ترتیب. این جفت‌ها مانند پله‌های یک نردبان به هم متصل می‌شوند:
در باکتری اشریشیاکلی، این نردبان، حدود 4 میلیون جفت باز طول دارد. دو انتها به هم متصل می‌شوند و حلقه‌ای را تشکیل می‌دهند، و سپس این حلقه برای جا شدن در داخل سلول، در هم پیچیده می‌شود. کل این حلقه به عنوان ژنوم (Genome) شناخته می‌شود، و دانشمندان آن را به طور کامل رمزگشایی کرده‌اند. به این معنی که دانشمندان دقیقاً همه 4 میلیون جفت بازی که برای تشکیل DNA باکتری اشریشیاکلی مورد نیاز است را می‌دانند. پروژه ژنوم انسانی در حال یافتن تمام 3 میلیارد یا بیشتر جفت باز موجود در DNA یک انسان معمولی است.
سؤال بزرگ
ممکن است از بخش قبلی به خاطر داشته باشید که آنزیم‌ها از 20 نوع مختلف اسید آمینه تشکیل شده‌اند که به ترتیب خاصی به هم متصل شده‌اند. بنابراین سوال این است: چگونه از DNA، که تنها از چهار نوکلئوتید تشکیل شده است، به یک آنزیم حاوی 20 اسید آمینه مختلف می‌رسیم؟ دو پاسخ برای این سوال وجود دارد:
۱. یک آنزیم بسیار پیچیده و شگفت‌انگیز به نام ریبوزوم (Ribosome)، RNA پیام‌رسان تولید شده از DNA را می‌خواند و آن را به زنجیره‌های اسید آمینه تبدیل می‌کند.
۲. برای انتخاب اسید آمینه‌های مناسب، ریبوزوم نوکلئوتیدها را در مجموعه‌های سه تایی برمی‌دارد تا 20 اسید آمینه را رمزگذاری کند.
معنای این امر این است که هر سه جفت باز در زنجیره DNA، یک اسید آمینه را در یک آنزیم رمزگذاری می‌کنند. سه نوکلئوتید پشت سر هم روی یک رشته DNA، یک کدون (Codon) نامیده می‌شود. از آنجایی که DNA از چهار باز مختلف تشکیل شده است، و از آنجایی که در یک کدون سه باز وجود دارد، و از آنجایی که 4 * 4 * 4 = 64، 64 الگوی ممکن برای یک کدون وجود دارد. از آنجایی که تنها 20 اسید آمینه ممکن وجود دارد، این بدان معناست که به نوعی زیادی وجود دارد – چندین کدون مختلف می‌توانند یک اسید آمینه یکسان را رمزگذاری کنند. علاوه بر این، یک کدون پایان (Stop codon) وجود دارد که پایان یک ژن را مشخص می‌کند. بنابراین در یک رشته DNA، مجموعه‌ای از 100 تا 1000 کدون (300 تا 3000 باز) وجود دارد که اسیدهای آمینه را برای تشکیل یک آنزیم خاص مشخص می‌کنند، و سپس یک کدون پایان برای مشخص کردن پایان زنجیره. در ابتدای زنجیره، بخشی از بازها وجود دارد که پروموتر (Promoter) نامیده می‌شود. بنابراین، یک ژن از یک پروموتر، مجموعه‌ای از کدون‌ها برای ساخت اسیدهای آمینه در یک آنزیم خاص و یک کدون پایان تشکیل شده است. این تمام چیزی است که یک ژن هست.
برای ایجاد یک آنزیم، سلول ابتدا باید ژن موجود در DNA را به RNA پیام‌رسان رونویسی کند. رونویسی توسط آنزیمی به نام RNA پلیمراز انجام می‌شود. RNA پلیمراز به رشته DNA در پروموتر متصل می‌شود، دو رشته DNA را از هم جدا می‌کند و سپس یک نسخه مکمل از یکی از رشته‌های DNA را به یک رشته RNA تبدیل می‌کند. RNA یا ریبونوکلئیک اسید، بسیار شبیه به DNA است، با این تفاوت که تمایل دارد در حالت تک رشته‌ای باقی بماند (برخلاف تمایل DNA به تشکیل مارپیچ‌های دو رشته‌ای مکمل). بنابراین وظیفه RNA پلیمراز این است که یک کپی از ژن موجود در DNA را به یک رشته واحد RNA پیام‌رسان (mRNA) تبدیل کند.
سپس رشته RNA پیام‌رسان به سمت ریبوزوم شناور می‌شود، که احتمالاً شگفت‌انگیزترین آنزیم در طبیعت است. یک ریبوزوم به اولین کدون در یک رشته RNA پیام‌رسان نگاه می‌کند، اسید آمینه مناسب برای آن کدون را پیدا می‌کند، آن را نگه می‌دارد، سپس به کدون بعدی نگاه می‌کند، اسید آمینه صحیح آن را پیدا می‌کند، آن را به اسید آمینه اول متصل می‌کند، سپس کدون سوم را پیدا می‌کند و به همین ترتیب. به عبارت دیگر، ریبوزوم کدون‌ها را می‌خواند، آنها را به اسیدهای آمینه تبدیل می‌کند و اسیدهای آمینه را به هم متصل می‌کند تا یک زنجیره طولانی تشکیل دهد. وقتی به آخرین کدون – کدون پایان – می‌رسد، ریبوزوم زنجیره را آزاد می‌کند. بدیهی است که این زنجیره طولانی اسیدهای آمینه، یک آنزیم است. به شکل مشخصه خود تا می‌شود، آزادانه شناور می‌شود و شروع به انجام هر واکنشی می‌کند که آن آنزیم انجام می‌دهد.
کار غیرساده
بدیهی است که فرایند شرح داده شده در بخش قبل، فرایندی ساده نیست. ریبوزوم ساختاری فوق‌العاده پیچیده از آنزیم‌ها و RNA ریبوزومی (rRNA) است که به هم متصل شده و یک ماشین مولکولی بزرگ را تشکیل می‌دهند. ریبوزوم توسط ATP یاری می‌شود، که به آن نیرو می‌دهد تا در طول RNA پیام‌رسان (mRNA) حرکت کند و اسیدهای آمینه را به هم متصل کند. همچنین توسط RNA انتقال (tRNA) کمک می‌شود: مجموعه‌ای از 20 مولکول ویژه که به عنوان حامل برای 20 اسید آمینه منفرد مختلف عمل می‌کنند. با حرکت ریبوزوم به کدون بعدی، مولکول tRNA صحیح، همراه با اسید آمینه صحیح، در جای خود قرار می‌گیرد. ریبوزوم، اسید آمینه را از tRNA جدا می‌کند و آن را به زنجیره در حال رشد آنزیم می‌دوزد. سپس ریبوزوم، مولکول tRNA “خالی” را بیرون می‌اندازد تا بتواند یک اسید آمینه دیگر از نوع صحیح را دریافت کند.
همانطور که می‌بینید، در داخل هر سلول انواع فرآیندها وجود دارند که سلول را زنده نگه می‌دارند:
- یک مولکول DNA بسیار طولانی و بسیار دقیق وجود دارد که تمام آنزیم‌های مورد نیاز سلول را تعریف می‌کند.
- آنزیم‌های RNA پلیمراز در نقاط شروع ژن‌های مختلف، به رشته DNA متصل می‌شوند و DNA را برای ژن به یک مولکول mRNA کپی می‌کنند.
- مولکول mRNA به سمت ریبوزوم شناور می‌شود، که مولکول را می‌خواند و رشته‌ای از اسیدهای آمینه‌ای را که کد می‌کند، به هم می‌دوزد.
- رشته اسیدهای آمینه از ریبوزوم دور می‌شود و به شکل مشخصه خود تا می‌شود تا بتواند واکنش خاص خود را کاتالیز کند.
سیتوپلاسم هر سلول مملو از ریبوزوم‌ها، RNA پلیمرازها، مولکول‌های tRNA و mRNA و آنزیم‌ها است که همگی واکنش‌های خود را به طور مستقل از یکدیگر انجام می‌دهند.
تا زمانی که آنزیم‌های یک سلول فعال باشند و تمام آنزیم‌های ضروری در دسترس باشند، سلول زنده است. یک نکته جالب: اگر تعدادی سلول مخمر را بردارید و با آنها بدرفتاری کنید (به عنوان مثال، آنها را در یک مخلوط کن قرار دهید) تا آنزیم‌ها آزاد شوند، سوپ حاصل همچنان، برای مدتی، کارهایی را که سلول‌های مخمر زنده انجام می‌دهند انجام می‌دهد (به عنوان مثال، تولید دی اکسید کربن و الکل از قند). با این حال، از آنجایی که سلول‌ها دیگر سالم نیستند و بنابراین زنده نیستند، آنزیم‌های جدیدی تولید نمی‌شوند. در نهایت، با فرسوده شدن آنزیم‌های موجود، سوپ از واکنش باز می‌ایستد. در این مرحله، سلول‌ها و سوپ “مرده‌اند”.
تولید مثل
ویژگی بارز تمام موجودات زنده، توانایی تولید مثل است. تولید مثل یک باکتری، صرفاً یک رفتار آنزیمی دیگر است. آنزیمی به نام DNA پلیمراز، به همراه چندین آنزیم دیگر که در کنار آن کار می کنند، در طول رشته DNA حرکت کرده و آن را تکثیر می کند. به عبارت دیگر، DNA پلیمراز مارپیچ دوگانه را باز کرده و یک مارپیچ دوگانه جدید در امتداد هر یک از دو رشته ایجاد می کند. هنگامی که به انتهای حلقه DNA می‌رسد، دو نسخه جداگانه از حلقه در سلول E. coli شناور هستند. سپس سلول، دیواره سلولی خود را از وسط جمع می کند، دو حلقه DNA را بین دو طرف تقسیم می کند و خود را به دو نیم تقسیم می‌کند.
در شرایط مناسب، یک سلول E. coli می تواند هر 20 یا 30 دقیقه یک بار به این صورت تقسیم شود! فرآیند آنزیمی رشد سلول، تکثیر حلقه DNA و تقسیم شدن، بسیار سریع اتفاق می افتد.
برای اطلاعات بیشتر، به “نحوه کار تولید مثل انسان” مراجعه کنید.
سموم و آنتی‌بیوتیک‌ها
اکنون می‌توانید ببینید که حیات یک سلول وابسته به سوپ غنی از آنزیم‌هایی است که در سیتوپلاسم سلول شناورند. بسیاری از سموم مختلف، با برهم زدن تعادل این سوپ به روش‌های گوناگون عمل می‌کنند.
به عنوان مثال، سم دیفتری (Diphtheria) با مختل کردن عملکرد ریبوزوم‌های سلول، راه رفتن ریبوزوم بر روی رشته mRNA را غیرممکن می‌کند. از سوی دیگر، سم موجود در قارچ کلاهک مرگ (death-cap mushroom)، عملکرد RNA پلیمراز را مختل کرده و رونویسی DNA را متوقف می‌کند. در هر دو مورد، تولید آنزیم‌های جدید متوقف شده و سلول‌های تحت تأثیر سم، دیگر قادر به رشد یا تولید مثل نیستند.
آنتی‌بیوتیک (Antibiotic)، سمی است که با هدف نابودی سلول‌های باکتریایی و در عین حال بدون آسیب رساندن به سلول‌های انسانی عمل می‌کند. تمام آنتی‌بیوتیک‌ها از این واقعیت بهره می‌برند که تفاوت‌های زیادی بین آنزیم‌های درون یک سلول انسانی و آنزیم‌های درون یک باکتری وجود دارد. برای مثال، اگر سمی یافت شود که بر ریبوزوم‌های E. coli تأثیر بگذارد اما به ریبوزوم‌های انسانی آسیبی نرساند، ممکن است یک آنتی‌بیوتیک مؤثر باشد. استرپتومایسین (Streptomycin) نمونه‌ای از آنتی‌بیوتیک‌هایی است که به این روش عمل می‌کنند.
پنی‌سیلین (Penicillin) یکی از اولین آنتی‌بیوتیک‌ها بود. این آنتی‌بیوتیک توانایی باکتری در ساخت دیواره سلولی را مختل می‌کند. از آنجایی که دیواره‌های سلولی باکتریایی و دیواره‌های سلولی انسانی بسیار متفاوت هستند، پنی‌سیلین تأثیر زیادی بر گونه‌های خاصی از باکتری‌ها دارد اما بر سلول‌های انسانی بی‌تأثیر است. داروهای سولفا (Sulfa) با غیرفعال کردن آنزیمی عمل می‌کنند که ایجاد نوکلئوتیدها را در باکتری‌ها مدیریت می‌کند، اما این آنزیم در انسان غیرفعال نمی‌شود. بدون نوکلئوتیدها، باکتری‌ها نمی‌توانند تولید مثل کنند.
می‌توانید ببینید که جستجو برای آنتی‌بیوتیک‌های جدید در سطح آنزیمی رخ می‌دهد، و به دنبال تفاوت‌هایی بین آنزیم‌های موجود در سلول‌های انسانی و باکتریایی می‌گردد که می‌توان از آنها برای کشتن باکتری‌ها بدون تأثیر بر سلول‌های انسانی بهره‌برداری کرد.
مشکل ناگوار هر آنتی‌بیوتیکی این است که با گذشت زمان بی‌اثر می‌شود. باکتری‌ها به قدری سریع تولید مثل می‌کنند که احتمال جهش بالا است. در بدن شما، ممکن است میلیون‌ها باکتری وجود داشته باشد که آنتی‌بیوتیک آنها را می‌کشد. اما اگر فقط یکی از آنها جهشی داشته باشد که آن را در برابر آنتی‌بیوتیک ایمن کند، آن یک سلول می‌تواند به سرعت تولید مثل کند و سپس به افراد دیگر گسترش یابد. بیشتر بیماری‌های باکتریایی از طریق این فرآیند نسبت به برخی یا همه آنتی‌بیوتیک‌های مورد استفاده علیه آنها، مصون شده‌اند.
ویروس‌ها
ویروس‌ها واقعاً شگفت‌انگیزند. اگرچه خودشان زنده نیستند، اما یک ویروس می‌تواند با ربودن ماشین‌آلات یک سلول زنده، تولید مثل کند. مقاله “نحوه عملکرد ویروس‌ها” ویروس‌ها را به تفصیل شرح می‌دهد – در زیر خلاصه‌ای از آن آمده است.
یک ذره ویروس از یک پوشش ویروسی تشکیل شده است که به دور یک رشته DNA یا RNA پیچیده شده است. پوشش و رشته کوتاه DNA آن می‌تواند بسیار کوچک باشد – هزار بار کوچکتر از یک باکتری. این پوشش معمولاً با “حسگرهای (Feelers)” شیمیایی پوشیده شده است که می‌توانند به قسمت بیرونی یک سلول متصل شوند. پس از اتصال، DNA ویروسی (یا RNA، بسته به ویروس) به داخل سلول تزریق می‌شود و پوشش را در خارج از سلول رها می‌کند.
در ساده‌ترین ویروس، رشته DNA یا RNA اکنون آزادانه در داخل یک سلول شناور است. RNA پلیمراز، رشته DNA را رونویسی می‌کند و ریبوزوم‌ها، آنزیم‌هایی را ایجاد می‌کنند که DNA ویروسی تعیین می‌کند. آنزیم‌هایی که DNA ویروسی ایجاد می‌کند، قادر به ایجاد پوشش‌های ویروسی جدید و سایر اجزای ویروس هستند. در ویروس‌های ساده، پوشش‌ها سپس به طور خودبه‌خودی در اطراف رشته‌های DNA تکثیر شده، مونتاژ می‌شوند. در نهایت، سلول آنقدر پر از ذرات ویروسی جدید می‌شود که سلول می‌ترکد و ذرات را برای حمله به سلول‌های جدید آزاد می‌کند. با استفاده از این سیستم، سرعت تولید مثل و آلوده کردن سلول‌های دیگر توسط یک ویروس، شگفت‌انگیز است.
در بیشتر موارد، سیستم ایمنی بدن، پادتن تولید می‌کند، که پروتئین‌هایی هستند که به ذرات ویروسی متصل می‌شوند و از اتصال آنها به سلول‌های جدید جلوگیری می‌کنند. سیستم ایمنی همچنین می‌تواند سلول‌های آلوده را با کشف سلول‌هایی که با پوشش‌های ویروسی تزئین شده‌اند، شناسایی کرده و سلول‌های آلوده را از بین ببرد.
آنتی‌بیوتیک‌ها هیچ تاثیری بر ویروس ندارند زیرا ویروس زنده نیست. چیزی برای کشتن وجود ندارد! ایمن‌بخشی (Immunization) با پیش‌آلوده کردن بدن، عمل می‌کند تا بدن بداند چگونه به محض شروع تکثیر ویروس، پادتن‌های مناسب را تولید کند.
برای جزئیات بیشتر به “نحوه عملکرد سیستم ایمنی” مراجعه کنید.
بیماری‌های ژنتیکی
بسیاری از بیماری‌های ژنتیکی زمانی رخ می‌دهند که فرد، ژن مربوط به یک آنزیم خاص را نداشته باشد. در اینجا به برخی از مشکلات رایج ناشی از فقدان ژن اشاره می‌شود:
- عدم تحمل لاکتوز (Lactose intolerance) – ناتوانی در هضم لاکتوز (قند موجود در شیر)، ناشی از فقدان ژن لاکتاز است. بدون این ژن، سلول‌های روده هیچ لاکتازی تولید نمی‌کنند.
- آلبینیسم (Albinism) – در افراد مبتلا به آلبینیسم، ژن مربوط به آنزیم تیروزیناز (Tyrosinase) وجود ندارد. این آنزیم برای تولید ملانین (Melanin) ضروری است. ملانین رنگدانه‌ای است که باعث ایجاد رنگ برنزه پوست در اثر آفتاب، رنگ مو و رنگ چشم می‌شود. بدون تیروزیناز، ملانینی تولید نخواهد شد.
- فیبروز کیستیک (Cystic fibrosis) – در فیبروز کیستیک، ژنی که پروتئینی به نام تنظیم کننده رسانایی گذر غشایی فیبروز کیستیک (CFTR) را تولید می‌کند، آسیب دیده است. بر اساس دایرهالمعارف بریتانیکا (Encyclopedia Britannica): نقص (یا جهش) موجود در ژن روی کروموزوم 7 در افراد مبتلا به فیبروز کیستیک، باعث تولید پروتئینی می‌شود که فاقد اسید آمینه فنیل آلانین است. این پروتئین معیوب به نحوی حرکت نمک و آب را در سراسر غشاهای پوشاننده ریه‌ها و روده مختل می‌کند و در نتیجه باعث کم‌آبی مخاطی می‌شود که به طور معمول این سطوح را پوشش می‌دهد. مخاط غلیظ و چسبنده در ریه‌ها جمع می‌شود و برونش‌ها را مسدود می‌کند و تنفس را دشوار می‌سازد. این وضعیت منجر به عفونت‌های مزمن تنفسی، اغلب با استافیلوکوکوس اورئوس (Staphylococcus aureus) یا سودوموناس آئروژینوزا (Pseudomonas aeruginosa) می‌شود. سرفه مزمن، سینه‌پهلو مکرر و از دست دادن تدریجی عملکرد ریه، از تظاهرات اصلی بیماری ریوی هستند که شایع‌ترین علت مرگ و میر در افراد مبتلا به فیبروز کیستیک است.
سایر بیماری‌های ژنتیکی شامل بیماری تای-ساکس (Tay-Sachs) (آسیب به ژن آنزیم هگزوزآمینیداز A منجر به تجمع یک ماده شیمیایی در مغز می‌شود که آن را تخریب می‌کند)، کم خونی سلول داسی (Sickle cell anemia)(کدگذاری نادرست ژنی که هموگلوبین را تولید می‌کند)، هموفیلی (Hemophilia) (فقدان ژن برای فاکتور انعقاد خون) و دیستروفی عضلانی (muscular dystrophy) (ناشی از یک ژن معیوب روی کروموزوم X) است. حدود 60000 ژن در ژنوم انسان وجود دارد و شناخته شده است که آسیب یا فقدان بیش از ۵۰۰۰ مورد از آنها، منجر به بیماری‌های ژنتیکی می‌شود. شگفت‌انگیز است که آسیب به تنها یک آنزیم می‌تواند در بسیاری از موارد، منجر به مشکلات تهدید کننده زندگی یا مشکلات تغییر شکل‌دهنده شود.
زیست‌فناوری (Biotechnology)
بیوتکنولوژی (Biotechnology) و مهندسی ژنتیک (Genetic engineering) چیست؟ سه پیشرفت عمده به عنوان نشانه‌های بارز بیوتکنولوژی عمل می‌کنند، و شگفتی‌های بسیار بیشتری نیز در راه است:
- تولید مواد مختلف مانند اینترفرون انسانی (Human interferon)، انسولین انسانی (Human insulin) و هورمون رشد انسانی (Human growth hormone) توسط باکتری‌ها. به این معنی که باکتری‌های ساده‌ای مانند E. coli دستکاری می‌شوند تا این مواد شیمیایی را تولید کنند، به طوری که بتوان آنها را به آسانی و در مقادیر زیاد برای استفاده در پزشکی برداشت کرد. باکتری‌ها همچنین برای تولید انواع مواد شیمیایی و آنزیم‌های دیگر اصلاح شده‌اند.
- اصلاح گیاهان به منظور تغییر پاسخ آنها به محیط زیست، بیماری یا آفت‌کش‌ها. به عنوان مثال، گوجه‌فرنگی‌ها می‌توانند با افزودن کیتینازها (Chitinases) به ژنوم خود، مقاومت در برابر قارچ‌ها را به دست آورند. کیتیناز، کیتین (Chitin) را تجزیه می‌کند، که دیواره سلولی سلول قارچ را تشکیل می‌دهد. آفت‌کش رانداپ (Roundup) همه گیاهان را از بین می‌برد، اما گیاهان زراعی را می‌توان با افزودن ژن‌هایی که گیاهان را نسبت به رانداپ مصون می‌کنند، اصلاح کرد.
- شناسایی افراد از طریق DNA آنها DNA .هر فرد منحصر به فرد است، و آزمایش‌های مختلف و نسبتاً ساده به نمونه‌های DNA یافت شده در صحنه جرم اجازه می‌دهند تا با شخصی که آن را به جا گذاشته است، مطابقت داده شوند. این فرآیند تا حد زیادی با اختراع تکنیک واکنش زنجیره‌ای پلیمراز (Polymerase Chain Reaction (PCR)) برای برداشتن یک نمونه کوچک از DNA و تکثیر آن میلیون‌ها برابر در یک دوره زمانی بسیار کوتاه، تسهیل شده است.
برای درک برخی از تکنیک‌های مورد استفاده در بیوتکنولوژی، بیایید نگاهی به چگونگی اصلاح باکتری‌ها برای تولید انسولین انسانی بیندازیم.
انسولین یک پروتئین ساده است که به طور معمول توسط لوزالمعده تولید می‌شود. در افراد مبتلا به دیابت، لوزالمعده آسیب دیده است و نمی‌تواند انسولین تولید کند. از آنجایی که انسولین برای پردازش گلوکز توسط بدن حیاتی است، این یک مشکل جدی است. بنابراین، بسیاری از دیابتی‌ها باید روزانه انسولین را به بدن خود تزریق کنند. قبل از دهه 1980، انسولین برای دیابتی‌ها از خوک‌ها به دست می‌آمد و بسیار گران بود.
برای تولید ارزان انسولین، ژنی که انسولین انسانی را تولید می‌کند، به ژن‌های موجود در یک باکتری E. coli طبیعی اضافه شد. هنگامی که ژن در جای خود قرار گرفت، ماشین آلات سلولی معمولی آن را درست مانند هر آنزیم دیگری تولید می‌کرد. با کشت مقادیر زیادی از باکتری‌های اصلاح شده و سپس کشتن و باز کردن آنها، انسولین را می‌توان استخراج، خالص‌سازی و به طور بسیار ارزان استفاده کرد.
پس ترفند کار در وارد کردن ژن جدید به باکتری است. ساده‌ترین راه، اتصال ژن به یک پلاسمید (Plasmid) است – یک حلقه کوچک از DNA که باکتری‌ها اغلب در یک شکل ابتدایی از رابطه جنسی به یکدیگر منتقل می‌کنند. دانشمندان ابزارهای بسیار دقیقی برای برش پلاسمیدهای استاندارد و اتصال ژن‌های جدید به آنها توسعه داده‌اند. سپس یک نمونه از باکتری‌ها با پلاسمید “آلوده” می‌شود، و برخی از آنها پلاسمید را جذب کرده و ژن جدید را در DNA خود ادغام می‌کنند. برای جدا کردن سلول‌های آلوده از سلول‌های غیرآلوده، پلاسمید همچنین حاوی ژنی است که به باکتری‌ها در برابر یک آنتی‌بیوتیک خاص ایمنی می‌دهد. با درمان نمونه با آنتی‌بیوتیک، تمام سلول‌هایی که پلاسمید را جذب نکرده‌اند، از بین می‌روند. اکنون یک سویه جدید از باکتری E. coli تولید کننده انسولین را می‌توان به صورت انبوه کشت کرد تا انسولین تولید شود.
