دی‌ان‌ای چیست؟ تعریف، ساختار و تاریخچه کشف
دئوکسی ریبونوکلئیک اسید یا به اختصار دی‌ان‌ای (DNA)، نوعی مولکول اسید نوکلئیک است که دربردارنده دستورالعمل‌های مورد نیاز یک ارگانیسم زنده برای زندگی و تولید مثل است. این دستورالعمل‌ها در داخل هر سلول یافت شده و از والدین به فرزندان منتقل می‌شوند. نقش اصلی مولکول دی‌ان‌ای ذخیره‌سازی طولانی مدت اطلاعات ژنتیکی و دستوری است.
ساختار دی‌ان‌ای
دی ان ای از مولکولهایی به نام نوکلئوتید (Nucleotide) تشکیل شده است. هر نوکلئوتید شامل یک گروه فسفات، یک گروه قند و یک باز آلی نتیروژن است. در ساختار دی‌ان‌ای ۴ نوع باز وجود دارد که با نام‌های آدنین (A)، تیمین (T)، گوانین (G) و سیتوزین (C) شناخته می‌شوند. ترتیب این بازها همان چیزی است که دستورالعمل‌های دی ان ای یا کد ژنتیکی را تعیین می‌کند. دی‌ان‌ای انسان در حدود ۳ میلیارد باز دارد که بیش از ۹۹ درصد آنها در همه افراد یکسان هستند.
مشابه همان روشی که در حروف الفبا می‌توان از حروف برای ساختن کلمه استفاده کرد، ترتیب بازهای نیتروژن در یک توالی DNA، ژن‌هایی را تشکیل می‌دهد که در زبان سلول به آن می‌گوید که چگونه پروتئین بسازد. این کار در سلول توسط نوع دیگری از اسید نوکلئیک به نام اسید ریبونوکلئیک یا آران‌ای (RNA) انجام می‌شود که در آن، آران‌ای اطلاعات ژنتیکی دی‌ان‌ای را به پروتئین تبدیل می‌کند.
نوکلئوتیدها به هم متصل شده و دو رشته طولانی را تشکیل می‌دهند که مارپیچی بوده و ساختاری به نام مارپیچ دوتایی ایجاد می‌کنند. اگر ساختار مارپیچ دوتایی را به عنوان یک نردبان در نظر بگیرید، مولکول‌های فسفات و قند حکم ستون‌های نردبارن را دارند در حالی که بازها پله‌های آن هستند. بازها که مانند پله‌های نردبان، رشته‌ها را به هم متصل می‌کنند ساختار دو تایی دارند مانند جفت آدنین با تیمین و جفت گوانین با سیتوزین.
مولکول‌های دی‌ان‌ای بسیار طولانی هستند، آنقدر طولانی که بدون بسته بندی مناسب نمی‌توانند درون سلول‌ها قرار گیرند. برای قرار گرفتن در داخل سلول‌ها، مولکول دی‌ان‌ای در خود پیچیده و فشرده می‌شود و ساختارهایی به نام کروموزوم را ایجاد می‌کند. هر کروموزوم از یک مولکول دی‌ان‌ای تشکیل شده است، انسان دارای ۲۳ جفت کروموزوم است که در داخل هسته سلول قرار دارد.
کشف دی‌ان‌ای
نوکلئیک اسید اولین بار در زمستان سال ۱۸۶۹ توسط فردریش میشر (Frederich Miescher) بیوشیمی دان آلمانی کشف شد. میشر ترکیبات سفید رنگی را از هسته گلوبول‌های سفید انسان و اسپرم ماهی استخراج کرد که مقدار نیتروژن و فسفات در آن باعث شد تا وی گروه جدیدی از مواد آلی را با نام نوکلئیک اسیدها بنیان‌گذاری کند.
اما تا سال‌ها پس از این کشف محققان به اهمیت این مولکول پی نبرده بودند. تا اینکه فردریک گریفیت (Frederick Griffith) زیست شناس و پزشک بریتانیایی در آزمایشی موسوم به آزمایش گریفیت به طور اتفاقی فهمید که صفات و ویژگی‌ها می‌توانند از یک باکتری (سلولی) به باکتری (سلولی) دیگری انتقال یابند (اثبات وجود و انتقال ماده وراثتی از سلولی به سلول دیگر). بعد از وی، اسوالد ایوری (Oswald Avery) زیست شناس آمریکایی-کانادیی در سال ۱۹۴۴ نشان داد که ماده وراثتی، نوکلئیک اسید (DNA) است.
در سال ۱۹۵۰ اروین چارگف (Erwin Chargaff) زیست شیمیدان اتریشی-مجارستانی اثبات کرد که نسبت بازهای گوانین و سیتوزین و نسبت آدنین و تیمین با هم برابر است، این کشف وی اصل چارگف نام گرفت.
در ۱۹۵۲ روزالیند فرانکلین (Rosalind Franklin) به همراه موریس ویلکینز (Maurice Wilkins) با استفاده از نتایج حاصل از تصاویر گرفته شده از دی‌ان‌ای با پرتو ایکس، نشان دادند که این ملکول بیش از یک رشته بوده و حالت مارپیچ دارد. در نهایت فرانسیس کریک (Francis Crick) و جیمز واتسون (James Watson) مدل مولکولی دی‌ان‌ای را ارائه دادند که در آن دی‌ان‌ای دارای ساختار دو رشته‌ای با بازهای مکمل بود.
واتسون، کریک و ویلکینز در سال ۱۹۶۲ به خاطر کشف‌شان در مورد ساختار مولکولی اسید نوکلئیک و اهمیت آن در انتقال اطلاعات در ارگانیسم‌ها، جایزه نوبل پزشکی را دریافت کردند. با وجود این که کارهای فرانکلین بخش جدایی ناپذیری از تحقیقات درباره دی‌ان‌ای بود اما نام او در این جایزه گنجانده نشد.
تعیین توالی دی‌ان‌ای
تعیین توالی دی‌ان‌ای (DNA sequencing) فناوری است که به محققان امکان می‌دهد تا ترتیب بازها را در یک توالی DNA تعیین کنند. از این فناوری می‌توان برای تعیین ترتیب بازها در ژن‌ها، کروموزوم‌ها یا کل ژنوم استفاده کرد. تعیین توالی دی‌ان‌ای در تحقیقات زیست‌شناسی پایه به یک ضرورت تبدیل شده و در زمینه‌های کاربردی متعددی مانند تشخیص پزشکی، بیوتکنولوژی، پزشکی قانونی، ویروس‌شناسی و زیست‌شناسی سیستماتیک استفاده می‌شود.
تعیین توالی دی‌ان‌ای اولین بار در اوایل دهه ۱۹۷۰ با استفاده از روش دشوار کروماتوگرافی دو بعدی به دست آمد. برای توالی‌یابی از روش‌های متعددی استفاده می‌شود که از جمله آنها می‌توان به روش سنگر (Sanger)، روش توالی یابی ماکسام و گیلبرت (Maxam-Gilbert Sequencing) و توالی یابی توان بالا اشاره کرد.
تعیین توالی دی‌ان‌ای می‌تواند برای تعیین توالی ژن‌های خاص، نواحی ژنتیکی بزرگ، کروموزوم‌ها یا کل ژنوم استفاده شود. تعیین توالی ژنوم به طور ویژه در شناسایی دلایل اختلالات نادر ژنتیکی اهمیت دارد. علاوه بر این، روش‌های توالی‌یابی نقش مهمی در درک تومور‌ها و انواع سرطان داشته است. شناخت اساس ژنتیکی تومور یا سرطان به پزشکان این امکان را می‌دهد تا برای تصمیم گیری‌‌های تشخیصی، از یک ابزار اضافی در روش‌های تشخیصی خود استفاده کنند.
تست دی‌ان‌ای
دی‌ان‌ای هر فرد شامل اطلاعاتی در مورد میراث وی است، این اطلاعات گاهی اوقات می‌تواند در تشخیص خطر ابتلای افراد به بیماری‌های خاص کمک کنند. تست دی‌ان‌ای یا آزمایش ژنتیکی در تشخیص اختلالات ژنتیکی، تعیین اینکه آیا یک فرد ناقل جهش ژنتیکی قابل انتقال به فرزندان است، یا تشخیص خطر ابتلا به بیماری ژنتیکی کاربرد دارد. به عنوان مثال، جهش در ژن‌های BRCA1 و BRCA2 خطر ابتلا به سرطان پستان و تخمدان را افزایش می‌دهد. از اینرو تجزیه و تحلیل این ژن‌ها در یک آزمایش ژنتیکی می‌تواند مشخص کند که آیا فرد دارای این جهش‌ها است یا خیر.
تحقیقات جدید
تحقیقات دی‌ان‌ای در چند سال گذشته منجر به کشف‌های مهمی شده است. به عنوان مثال، یک مطالعه در سال ۲۰۱۷ نشان داد که اشتباهات تصادفی در دی‌ان‌ای (به جز وراثت یا عوامل محیطی) در حدود دو سوم از جهش‌های سرطانی در سلول‌ها را تشکیل می‌دهد. در یکی دیگر از تحقیقات، پژوهشگران در سال ۲۰۱۷ برای اولین بار موفق به توالی‌یابی دی‌ان‌ای یک مومیایی مصری شدند.
تحقیقات دی‌ان‌ای امروزه منجر به ظهور روش‌ها و تکنولوژی‌هایی نظیر ویرایش ژن کریسپر (CRISPR) شده است. کریسپر نوعی سیستم ایمنی تطابق پذیر در باکتری‌ها است که آنها را قادر به کشف دی‌ان‌ای ویروس و سپس نابودی آنها می‌کند. بخشی از سیستم کریسپر، پروتئینی به نام کَس۹ (Cas9) است که قابلیت جستجو، برش زدن و استحاله دی‌ان‌ای ویروس را به روشی خاص دارد. فناوری کریسپر به دانشمندان اجازه می‌دهد تا تغییراتی در دی‌ان‌ای سلول‌ها ایجاد کنند.
ظهور چنین تکنولوژی‌هایی دانشمندان را امیدوار به بازگرداندن جانوران منقرض شده نظیر ماموت‌ها یا سایر جانوران کرده است (بازگرداندن ببر منقرض شده تاسمانی). مسئله‌ای که در فیلم‌ها و داستان‌های علمی-تخیلی مانند پارک ژوراسیک به کار رفته است، البته در واقعیت تا رسیدن به آن راه بسیار طولانی باقی مانده است.
.
بیشتر بخوانید: بررسی ۷ نظریه درباره منشأ حیات