دانش بیولوژی (زیست شناسی) >>> فناوری زیستی شبیه سازی

فناوری زیستی "شبیه سازی"

شاید این روزها که اخبار متفاوت و گسترده ای از کاربرد این تکنولوژی در رسانه ها می شنوید، کنجکاو شده باشید که این کار چگونه انجام می شود و ثمرات آن چیست؟ این پرونده پاسخی است به کنجکاوی شما.

اگر چه ممکن است کمی عجیب به نظر برسد ولی بد نیست بدانید که موجودات شبیه سازی شده، همیشه در میان ما وجود داشته اند. البته نساخته شده در آزمایشگاه و با استفاده از تکنولوژی، بلکه منظور همان دوقلوهای مشابهی است که به طور طبیعی خلق شدهاند.

شاید شما اولین بار نام تکنولوژی شبیه سازی را زمانی که گوسفندی به نام دالی در سال ۱۹۹۷ با استفاده از این تکنولوژی به دنیا آمد شنیده باشید.

ولی بشر از مدتها قبل از به دنیا آمدن دالی، از این تکنولوژی استفاده کرده است.

حدود ۵ هزار سال قبل از میلاد مسیح، انسانهای اولیه متوجه شدند اگر دانه هایی را که توسط گیاهان غنی تر و مقوی تر تولید میشوند، بکارند، میتوانند پس از مدتی عین همان غله غنی و مقوی را برداشت کنند. این کار اولین قدم در دستکاری زندگی یک موجود زنده برای برآوردن نیازهای انسانی بود. موضوعی که هدف اصلی و نهایی شبیه سازی است.

پس از گذشت حدود ۷ هزار سال و پیشرفت روزافزون علم، دانشمندان به فکر همانندسازی مهره داران افتادند. سال ۱۹۵۲، دو دانشمند به نام های رابرت برکینز و توماس کینگ موفق به شبیه سازی بچه قورباغه هایی شدند که درست مثل حیوان اصلی و اولیه بودند. این بچه قورباغه های کوچک به عنوان نخستین حیوانات شبیه سازی شده در تاریخ مشهورند. پس از آن تحقیقات در این زمینه سرعت بیشتری گرفت.

سال ۱۹۹۶ و پس از گذشت چیزی حدود ۴۴ سال، تلاشهای وسیع دانشمندان برای تولید اولین پستاندار شبیه سازی شده به نتیجه رسید و گوسفندی به نام دالی در جولای آن سال به دنیا آمد. این کار را دکتر پان ویلموت و همکارانش در موسسه روزلین اسکاتلند و با استفاده از هسته یک سلول از سلولهای پستانی یک میش بالغ و جایگزین کردن آن با هسته یک سلول تخمک انجام دادند. در همین زمان و با بروز نگرانی هایی در جامعه از امکان شبیه سازی انسانی و خطرات ناشی از آن، بیل کلینتون رئیس جمهور وقت آمریکا دستورالعمل ممنوعیت استفاده از بودجه های دولتی برای انجام تحقیقات شبیه سازی انسانی را صادر کرد.

با این وجود، سال ۲۰۰۱ دکتر پانابیوتیس زاووس از متخصصان مشهور باروری در آمریکا و تیم تحقیقاتی وی اعلام کردند که صدها نفر از مردم برای انجام آزمایش به منظور تولید بچه های شبیه سازی شده داوطلب شدهاند. این موضوع باعث شد تا سایر کشورها نیز به فکر قانونمند کردن عمل شبیه سازی انسان بیفتند.

در این میان، انگلستان اولین کشوری بود که عمل شبیه سازی انسان را به طور موثری قانونمند کرد. البته طی این مدت، تولید سایر حیوانات شبیه سازی شده در کشورهای مختلف ادامه یافت و حیواناتی نظیر اسب، گاو، موش، سگ و گربه همانندسازی شدند. سال ۲۰۰۳، اولین پستاندار به دنیا آمده با استفاده از تکنولوژی همانندسازی یعنی دالی در ۶ سالگی و به دلیل ابتلا به یک بیماری ریوی با انجام تزریق کشنده فوت کرد، ولی تکنولوژی همانندسازی همچنان راه خود را ادامه میدهد.

برای انواع مختلف شبیه سازی، تکنولوژیهای متفاوتی وجود دارد. تکنیک انتقال هسته سلول سوماتیک (ScNT) تکنیکی است که بیشتر از همه برای شبیه سازی تولید مثلی پستانداران استفاده میشود. در این روش موجود تولید شده، همان مواد ژنتیکی هسته ای حیوان اولیه را خواهد داشت.

دالی، اولین پستاندار شبیه سازی شده، با استفاده از تکنولوژی انتقال هسته سلول سوماتیک به دنیا آمد. برای فهم بهتر این تکنولوژی باید مروری به سیستم تولید مثل در موجودات زنده داشته باشیم. در بدن هر پستاندار زنده، تخمک در جنس مونث و اسپرم در جنس مذکر، تنها سلول هایی هستند که نقش تولید مثلی دارند و به عنوان سلولهای تولید مثلی یا سلولهای جنسی معروفند. به تمامی سلولهای غیر از آنها، سلول سوماتیک یعنی سلول غیرتولید مثلی یا سلول بدنی گفته میشود.

هر سلول سوماتیک دارای دو سری کامل از کروموزوم هاست، در حالی که سلولهای تولید مثلی هر کدام فقط یک سری دارند. پس از لقاح و آمیزش، اسپرم و تخمک با هم یکی میشوند و سلول تخم را به وجود میآورند. سلول تخم، دارای دو سری کامل از کروموزوم هاست که یک سری را از اسپرم (پدر) و یک سری را از تخمک (مادر) گرفته است.

برای ساختن دالی با استفاده از تکنولوژی انتقال هسته سلول سوماتیک، دانشمندان یک سلول سوماتیک را از بافت پستان یک گوسفند بالغ جدا کردند. آنها سپس هسته آن سلول را به یک سلول تخمکی که هسته اش را قبلا برداشته بودند، منتقل کردند.

هسته هر سلول در حقیقت مغز یک سلول را تشکیل میدهد و حاوی تمام مواد ژنتیکی و اطلاعاتی است که سلولها برای زندگیشان لازم دارند. در واقع تفاوت در همین مواد ژنتیکی است که موجب میشود هر کدام از ما منحصر به فرد بوده و با سایرین تفاوت داشته باشیم.

در مرحله بعد، دانشمندان سلول تخمک را (که دارای هسته جدید از سلول دهنده است) به کمک مواد شیمیایی و جریان الکتریکی به تقسیم سلولی تحریک کردند. پس از چند تحریک شیمیایی، سلول تخمک با هسته جدیدش درست شبیه سلول تخمی که به تازگی بارور شده باشد، عمل کرد. بعد از آنکه رویان شبیه سازی شده به مرحله مناسب و خوبی رسید، آن را به رحم یک میزبان ماده منتقل کردند تا در آنجا به تکاملش تا هنگام تولد ادامه دهد.

در نهایت، دالی به همین ترتیب در سال ۱۹۹۶ به دنیا آمد. او یک کپی ژنتیکی دقیق و کامل از گوسفند ماده بالغی بود که هسته سلول سوماتیکش را جایگزین هسته یک سلول تخمک کرده بودند. دالی اولین پستانداری بود که از یک سلول سوماتیک بالغ شبیه سازی شده بود.

نکته مهمی که دانشمندان به آن اشاره میکنند، این است که دالی یا هر موجود دیگری که با استفاده از تکنولوژی انتقال هستهای تولید شده، ۱۰۰ درصد مشابه موجود اولیه نیست. این شباهت چیزی در حد ۹۹/۷ درصد است، زیرا در این تکنولوژی تنها هسته سلول دهنده وارد تخمک بدون هسته میشود، حال آنکه مقداری از مواد ژنتیکی مهم در خارج از هسته و داخل میتوکندری ها وجود دارند.

میتوکندری ها قسمتی از سلول هستند که خارج از هسته و داخل سیتوپلاسم یک سلول قرار دارند و به عنوان منابع تولید قدرت، انرژی و متابولیزم سلولی عمل میکنند. میتوکندریها دارای قطعات کوچکی از DNA هستند و برخی از مواد ژنتیکی در فرآیند شبیه سازی از میتوکندریهای سیتوپلاسم می آیند. اینکه این موضوع به چه مقدار تغییرات در یک موجود شبیه سازی شده منجر میشود، در حال بررسی است.

بارور شدن یک تخمک به وسیله یک اسپرم (روش معمولی تولید مثل) و روش انتقال هسته سلول سوماتیک هر دو منجر به یک نتیجه میشوند و آن به وجود آمدن رویان است. یک رویان از سلولهایی که دو سری کامل کروموزوم دارند، تشکیل شده است. تفاوت این دو روش در منشا آن دو سری کروموزوم است.

در باروری معمولی، اسپرم و تخمک هر کدام دارای یک سری کروموزوم هستند و زمانی که این دو به هم متصل میشوند، تخم بارور دارای رشته های کروموزومی خواهد بود که یک سری از پدر (اسپرم) و یک سری از مادر (تخمک) گرفته شده اند، ولی در روش انتقال هسته سلول سوماتیک برای انجام شبیه سازی، هسته سلول تخمک (که دارای تنها یک سری از کروموزومها است) برداشته و با هسته سوماتیک که دارای دو سری کامل از کروموزومهاست، جایگزین میشود. بنابراین، رویان حاصل شده از این روش هر دو سری کروموزمهایش را فقط از یک سلول سوماتیک منفرد گرفته است.

شبیه سازی چه خطراتی دارد؟

شبیه سازی تولید مثلی موجودات زنده در حال حاضر یک عمل گران و غیرموثر است. بیش از ۹۵ درصد تلاشهای شبیه سازی برای تولید یک موجود زنده شکست میخورند و ممکن است بیش از ۱۰۰ فرآیند انتقال هسته ای برای تولید یک موجود شبیه سازی شده، لازم باشند. دالی پس از ۲۷۶ مرتبه تلاش برای عوض کردن هسته تخمک، به دنیا آمد. این ۲۷۶ تخمک در مجموع ۲۹ رویان تولید کردند و از میان آنها تنها دالی زنده ماند.

علاوه بر این، تنها ۷۰ گوساله پس از ۹هزار مرتبه تلاش برای همانندسازی به دنیا آمدند. یک سوم از این گوساله ها طی مدت کوتاهی جان خود را از دست دادند و بسیاری از آنها در هنگام مرگ به طور غیرعادی بزرگ بودند. بد نیست بدانید که اولین اسب شبیه سازی شده یعنی پرومته پس از ۳۲۸ بار تلاش به دنیا آمد. علاوه بر شانس موفقیت کم، بررسیها نشان داده اند، حیوانات همانندسازی شده غالبا عملکرد ایمنی مختل شده بیشتر و میزان بالاتری از ابتلا به انواع عفونت، سرطان و سایر اختلالات را دارند.

برخی دانشمندان علت مرگ اولین پستاندارد شبیه سازی شده (دالی) را پیری زودرس ناشی از شبیه سازی میدانند، ولی دکتر پان ویلموت معتقد است که مرگ زودرس دالی ارتباطی با شبیه سازی نداشته و به دلیل یک عفونت تنفسی شایع در میان گوسفندها بوده است.

یک مشکل اصلی در شناخت عواقب شبیه سازی آن است که متاسفانه بسیاری از حیوانات شبیه سازی شده به اندازه کافی زنده نمانده اند. این موضوع باعث شده است تا دانشمندان اطلاعات کافی در مورد اینکه، حیوانات شبیه سازی شده چگونه زندگی کرده و پیر میشوند، به دست بیاورند. سالم به نظر رسیدن در سن کم به تنهایی یک نشانه خوب برای بقای طولانی مدت موجودات شبیه سازی تلقی نمیشود.

در حقیقت این حیوانات به دلیل مردن اسرارآمیزشان شهرت دارند. به عنوان مثال، نخستین گوسفند شبیه سازی شده استرالیایی پیش از مرگ کاملا سالم و سرحال به نظر می رسید و نتایج کالبدشکافی ها نتوانستند علت مرگش را مشخص کنند.در سال ۲۰۰۲، پژوهشگران موسسه وایت هد در ماساچوست آمریکا اعلام کردند که رگهای موش های همانندسازی شده دارای اشکالاتی هستند. آنها در تجزیه و تحلیل بیش از ۱۰/۰۰۰ سلول کبد و جفت موشهای همانندسازی شده، متوجه شدند که در حدود ۴ درصد از عملکرد ژنها غیرعادی بوده است. به عقیده دانشمندان تغییراتی در فعالیت طبیعی آنها و یا بروز یک سری ژنهای خاص علت بروز این اشکالات هستند.

یک مشکل دیگر به ویژه در مورد همانندسازی گونه های منقرض شده آن است که در این موارد به طور طبیعی نمونه منفرد شبیه سازی شده به تنهایی قادر به خلق یک جمعیت بارور کننده دیگر نخواهد بود. علاوه بر این، حتی در صورتی که هر دو جنس مذکر و مونث آن موجود زنده وجود داشته باشند، معلوم نیست که آیا آنها در غیاب والدینی که بایستی به آنها رفتار طبیعیشان را بیاموزند، قادر به زندگی خواهند بود یا خیر. غیر از موارد فوق، ممکن است همانندسازی برخی از حیوانات منقرض شده نظیر دایناسورها در آینده دور، خطرات بالقوه زیادی را برای انسانها داشته باشند. فیلم پارک ژوراسیک که صرفا یک فیلم علمی و تخیلی بود، مو را بر تن راست میکرد. حال فکر کنید اگر این علم و تخیل به واقعیت تبدیل شود چه اتفاقاتی ممکن است در جهان روی دهد.

کسانی که کتاب پارک ژوراسیک را خوانده و یا فیلم آن را دیده اند، بیشتر از سایرین با این مورد استفاده شبیه سازی آشنایی دارند. بازسازی مواد ژنتیکی گونه های منقرض شده از مدتها قبل مدنظر دانشمندان بوده است. یکی از مواردی که اخیرا دانشمندان در حال کار بر روی آن هستند، یک نوع ماموت پشمالو است.

متاسفانه تلاشها برای گرفتن مواد ژنتیکی از ماموتهای یخ زده تاکنون موفقیت آمیز نبوده اند. مشکل اصلی این است که در این گونه موارد سلول تخمک و رحمی که قرار است سلول همانندسازی شده در آن کاشته شوند، از گونه های متفاوتی هستند. این موضوع امکان موفقیت عمل شبیه سازی را بسیار مشکل ساخته است. علاوه بر این، برای همانندسازی گونه های منقرض شده باید یک DNA سالم و کامل وجود داشته باشد. با این وجود درحال حاضر یک تیم روسی ـ ژاپنی در حال بررسی و کار بر روی همانندسازی ماموتها هستند.

استفاده از تکنولوژی شبیه سازی درمانی در انسان

ممکن است روزی از تکنولوژی شبیه سازی درمانی در انسانها برای تولید اعضای بدن از یک سلول استفاده شود. همچنین شاید بتوان با کمک این تکنولوژی سلولهای سالمی را تولید و آنها را جایگزین سلولهایی که در اثر بیماریهای تحلیل برنده، مثل آلزایمر یا پارکینسون خراب شده اند ،کرد. دانشمندان امیدوارند روزی بتوانند از شبیه سازی درمانی برای تولید اعضا و بافتها به منظور پیوند استفاده کنند. برای انجام این عمل، DNA باید از فردی که به پیوند نیاز دارد گرفته شده و وارد یک سلول تخمک بدون هسته شود. پس از تقسیم تخمک حاوی مواد ژنتیکی بیمار، سلولهای بنیادی حاصله که قابلیت تبدیل به هر گونه بافتی را دارند کشت داده میشوند.

منبع: پایگاه زیست شناسی پرند