به گزارش گروه علم و فناوری باشگاه خبرنگاران دانشجویی(ایسکانیوز)؛ روش شناسایی گونههای مختلف جانوری و گیاهی با استفاده از بخش کوتاهی از DNA یک یا چند ژن خاص بارکدگذاری DNA نام دارد. براساس این روش، با استفاده از یک توالی ژنتیکی میتوان گونه یک ارگانیسم را شناسایی کرد، درست همانطور که اسکنرها بارکدهای درج شده روی محصولات را میخوانند و آنها را شناسایی میکنند. این بارکدها گاهی اوقات در تلاش برای شناسایی یک گونه ناشناخته یا بخشهایی از یک ارگانیسم، برای فهرستبندی انواع حیات موجود در سیاره زمین یا مقایسه با طبقهبندی سنتی برای ایجاد مرزبندی صحیح میان گونهها استفاده میشوند.
تا 100 سال دیگر موجودات فضایی را خواهیم یافت
روشهای بارکدگذاری
بارکدگذاری را میتوان با استفاده از بافت نمونه هدف، ترکیبی از ارگانیسمها (نمونه فلهای)، یا DNA موجود در نمونههای محیطی برای مثال آب یا خاک انجام داد. روشهای نمونهبرداری، نگهداری یا تجزیه و تحلیل در نمونههای مختلف، متفاوت است.
نمونههای بافتی
برای بارکدگذاری نمونه بافتی از جانور مورد نظر قطعه کوچکی از پوست، فلس، پا یا شاخک (بسته به اندازه جانور) کافی است. برای جلوگیری از آلوده شدن نمونه، استفاده از ابزارهای استریل شده لازم است. معمولا از هر گونه جانوری دو نمونه گرفته میشود، یک مورد برای آرشیو کردن و دیگری برای فرایند بارکدگذاری. نگهداری از نمونه امری حیاتی در جلوگیری از تخریب DNAبه شمار میرود.
نمونههای فلهای
نمونه فلهای نوعی نمونه محیطی شامل چند ارگانیسم از یک گروه جانوری مورد مطالعه است. تفاوت بین نمونههای فلهای و دیگر نمونههای محیطی در این است که نمونه فلهای معمولا شامل مقدار زیادی DNA با کیفیت میشود. برای مثال میتوان به نمونههای جمعآوری شده از ماکروبیمهرگان آبزی با تور یا نمونه حشرات جمعآوری شده با تله حشره اشاره کرد. این نمونهها را میتوان با روشهای مورد استفاده در رویکردهای سنتی مبتنی بر مورفولوژی نیز جمعآوری کرد.
نمونههای eDNA
نمونههای DNA محیطی یا eDNA روشی غیرتهاجمی برای تشخیص و شناسایی گونهها از بقایای سلولی یا DNA موجود در نمونههای محیطی با استفاده از بارکدینگ یا ابرکدگذاری است. این رویکرد مبتنی بر این واقعیت است که هر ارگانیسم زندهای در محیط DNA از خود به جا میگذارد و این DNA محیطی قابل شناسایی، حتی برای موجودات با فراوانی بسیار کم، است. بنابراین برای نمونهبرداری میدانی، مهمترین بخش استفاده از مواد و ابزارهای عاری از هر گونه DNA در محل نمونهبرداری است. از طرف دیگر یک نمونه eDNA شامل یک DNA کامل و میکروارگانیسم زنده میشود. به همین دلیل نمونههای میکروارگانیسمی که در محیط طبیعی گرفته میشوند، eDNA نام دارند. روش eDNA برای انواع نمونههای مختلف مانند آب، رسوب، نفت، مدفوع حیوانات، محتویات معده یا خون مکیده شده توسط زالوها به کار میرود.
کاربردهای کدگذاری DNA
شناسایی گونههای جدید، ارزیابی ایمن مواد غذایی، شناسایی و ارزیابی گونههای ناشناخته، شناسایی گونههای بیگانه، شناسایی گونههای در حال انقراض و در خطر انقراض، ایجاد پیوند میان مراحل تخم و لارو به گونههای بالغ، تضمین حقوق مالکیت معنوی برای منابع زیستی، چارچوببندی برنامههای مدیریت جهانی برای حفظ منابع طبیعی و غذایی از جمله کاربردهای روش کدگذاری DNA به شمار میرود. همچنین میتوان نشانگرهای بارکد DNA را پاسخگویی به سوالات اساسی در حوزههای اکولوژی، زیستشناسی تکامل، حفظ منابع طبیعی و نظاممندی شامل اجتماع جامعه، شبکههای تعامل گونهها، اکتشافات طبقهبندی حیات و ارزیابی مناطق اولویتدار برای حفاظت از محیط زیست استفاده کرد.
مزیتهای بارکدگذاری DNA نسبت به روشهای سنتی
روشهای ارزیابی زیستی سنتی در سطح بینالمللی شناخته شده هستند و عملکرد خوبی در پایش زیستی دارند با این حل بارکدگذاری DNA میتواند روشهای سنتی را بهبود ببخشد که در ادامه به آنها اشاره میشود. بارکدگذاری DNA میتواند نتایج طبقهبندی گونههای جانوری و گیاهی را افزایش دهد. این روش میتواند گونههای مرتبط به یکدیگر را دقیقتر شناسایی کند.
بارکدگذاری DNA قابلیت مقایسه میان مناطق را افزایش داده و امکان گنجاندن مراحل اولیه حیات و گونههای متلاشی شده را فراهم میکند. این روش شناسایی گونههای مرموز و نادر و شناسایی با ویژگیهای منحصر به فرد آنها را فراهم میکند. بارکدگذاری DNA نه تنها میتواند باعث افزایش تعداد نمونهها شود بلکه زمان پردازش نمونهها را نیز کاهش میدهد که در نتیجه دانش اکولوژی گونهها به سرعت توسعه مییابد.
متابارکدینگ چیست؟
متابارکدینگ روشی برای شناسایی و طبقهبندی نمونههای محیطی پیچیده در مقیاس بزرگ از طریق تجزیه و تحلیل توالی DNA برای پیدا کردن محل یک یا چند ژن به نام «بارکدهای DNA» است. متابارکدینگ یا اَبَربارکدگذاری مبتنی بر فناوریهای توالییابی DNA با کارایی بالاست که میلیونها توالی DNA را به صورت موازی تولید میکند و امکان تجزیه و تحلیل در مقیاس بزرگ را برای نمونههای محیطی فراهم میسازد. تعداد گونههای موجود در قلمرو دریایی همواره برای انسان ناشناخته باقی مانده و این مسئله مهم باعث توسعه این روش جدید شده است.
پیچیدگی طبقهبندی زئوپلانکتونهای باعث شده که متابارکدینگ ابزاری مفید برای توصیف ویژگیهای زیستی باشد. اجتماع زئوپلانکتونها شامل نمایندگانی از 16 شاخه (گروههای اصلی جانوری) میشود. متابارکدینگ بینشهای حیاتی جدیدی را در خصوص تنوع زیستی پنهان زئوپلانکتونها ارائه میدهد.
کاربردهای امیدوارکننده دیگر متابارکدینگ شامل شناسایی سریع اثرات تغییرات آب و هوایی، نظارت و ارزیابی بر سلامت اکوسیستم، شناسایی ویژگیهای شبکههای غذایی و شناسایی گونههای حیات موجود و غیربومی میشود.
تفاوت اصلی میان بارکدگذاری و ابرکدگذاری این است که در متابارکدینگ تمرکز اصلی بر یک ارگانیسم خاص نیست، درواقع هدف در این روش تعیین ترکیب گونهها در یک نمونه است.
بارکدگذاری DNA چگونه زندگی بشر را متحول میکند؟
با استفاده از روش بارکدگذاری DNA دانشمندان میتوانند روند رشد تومورهای سرطانی را به شکل مجموعه بزرگی از سلولهای منفرد که به شکل متفاوتی تکامل مییابند، ردیابی کنند. بدین ترتیب مشخص میشود که کدام سلولها به درمان آسیبپذیر هستند و کدامها نیستند. دانشمندانی که علاقهمند به پرورش اندامهای جایگزین برای افراد بیمار و مجروح هستند، میتوانند با استفاده بارکدگذاری DNA درک بهتری از توسعه طبیعی اندامها به دست آورند.
محققانی که به دنبال غربالگری میلیونها دارو برای یافتن موردی هستند که به یک مولکول خاص متصل میشود و پتناسیل درمان یک بیماری را دارد، میتوانند برای یافتن سوزن در انبار کاه از بارکدگذاری DNA استفاده کنند. بارکدگذاری DNA بخخشی از تحقیقات پیشرفته در زمینه پزشکی و دارو به شمار میروند، بنابراین توانایی بهبود دقت و افزایش کارایی این روش امری ضروری است. وجود بارکدهای بیشتر و بهتر به بشر اجازه میدهد تا آزمایشهای بزرگتر و جاهطلبانهتری داشته باشد.
محل تولد ایده بارکدگذاری DNA
مرکز تنوع زیستی ژنومیک دانشگاه گوئلف مقر اصلی پژوهش جهانی منحصربه فردی در خصوص فهرستبندی تمامی انواع حیات روی سیاره زمین است. خاستگاه این پروژه بلندپروازانه در اکتشاف دانشمندان بخش جانورشناسی این دانشگاه نهفته است. براساس این اکتشاف؛ با استفاده از بخش کوتاهی از مواد ژنتیکی میتوان گونههای جانوری را تشخیص داد. این تیم پژوهشی 20 سال پیش یافتههای خود را با انتشار یک مقاله تحقیقاتی اعلام کردند و سیستم شناسایی بالقوه برای شناسایی تمام ارگانیسمهای سیاره زمین را با اصطلاح «بارکد DNA» توصیف کردند.
دکتر پل هبرت پژوهشگر اصلی «شناسایی بیولوژیکی با استفاده از بارکدهای DNA» بود و در حال حاضر استاد گروه زیستشناسی یکپارچه در کالج علوم زیستی و مدیر مرکز تنوع زیستی دانشگاه گوئلف است. دکتر جرمی دیوارد، دکتر آلینا ساوینسکا و دکتر شلی بال سه پژوهشگر همکار هبرت در مطالعهای بودند که نتایج آن در سال 2003 منتشر شد. دکتر دیوارد که به عنوان دانشجوی کارشناسی در آزمایشگاه هبرت کار میکرد، در حال حاضر مدیر مجموعه مرکز تنوع زیستی دانشگاه گوئلف است و بر مجموعه تاریخ طبیعی با بیش از 8 میلیون نمونه ارگانیسم بارکدگذاریشده نظارت میکند.
20 سال پیش، دکتر ساوینسکا دوره پسادکتری خود را در آزمایشگاه هبرت میگذراند. دکتر بال نیز همانند ساوینسکا دوره پسادکترای خود را در آزمایشگاه بخش جانورشناسی دانشگاه گوئلف میگذراند. وی دوره پسادکترای دیگری را در نیوزیلند گذراند و به توسعه ابزاری مبتنی بر بارکدگذاری DNA کمک کرد. در حال حاضر وزارت کشاورزی و جنگلداری نیوزیلند از این ابزار برای شناسایی گونههای حشرات مهاجم استفاه میکنند. بال میگوید: «مقاله تحقیقاتی بارکد DNA که در سال 2003 منتشر شد یکی از مهمترین مقالاتی است که در آن نقش داشتهام. این پژوهش تحقیقات ژنومیک را در مقیاس جهانی دستخوش تغییر کرد.
به گفته هبرت، استنادهای مربوط به بارکد DNA بسیار بیشتر از استنادهای تحقیق طولانی مدت وی در خصوص ککهای آبی است. وی میگوید: اساسا 30 سال اول حرفه علمی خود را هدر دادم. بارکدگذاری DNA بهترین ایدهای بود که تا به حال داشتهام.
نکاتی جالب درباره بارکدگذاری DNA
تیم تحقیقاتی بخش جانورشناسی دانشگاه گوئلف مقاله خود را نخستین بار در سال 2002 ارائه کردند که رد شد. پس از اصطلاحات، این مقاله هفت فوریه سال 2003 در مجموعه مقالات مجله انجمن سلطنتی علوم زیستی منتشر شد.
این مقاله پراستنادترین مقالهای است که تا به حال توسط مجله انجمن سلطنتی علوم زیستی منتشر شده است. گفتنی است که این مجله در سال 1831 میلادی تاسیس شده است. گوگل اسکولار این مقاله تحقیقاتی را در ردهبندی «بسیار مورد استناد» قرار داده است.
دانشمندان کنسرسیوم بینالمللی بارکد حیات به جمعآوری نمونه از گونههای مختلف حیات در کتابخانه مرجع کمک میکنند. در حال حاضر بیش از هزار پژوهشگر از 41 کشور در 6 قاره جهان، در کتابخانه مرجع مشغول به کار هستند. آخرین کشوری که به این کنسرسیوم پیوسته کویت است.
هبرت در حال مشاهده کدهای جهانی متمایز درج شده روی محصولات مختلف در قفسههای یک فروشگاه مواد غذایی محلی بود که استعاره بارکد به ذهنش خطور کرد.
هدف دانشمندان مرکز تنوع زیستی ژنومیک در کنار جمعآوری نمونه برای پایگاه اطلاعاتی پروژه، درک بهتر تعاملات میان گونهها در اکوسیستمها و دنبال کردن تغییرات در ترکیب گونهها در طول زمان و مکان است، این امر نوعی نظارت زیستی برای دیدهبانی سلامت اکوسیستمها و سیاره به شمار میرود.
هزینه توالییابی یک گونه در سال 2003 حدو 30 دلار بود. هزینه توالییابی یک گونه از حیات با استفاده از تکنیکهای تحلیلی فعلی حدود 5 سنت است.
بارکدگذاری DNA جایگزین طبقهبندی سنتی آرایهشناسی لینه یا شناسایی گونهها براساس ظاهر یک ارگانیسم و اجزای آن نشده است. طی 250 سال، با استفاده از روش آرایهشناسی لینه حدود 1.2 میلیون گونه جانوری نامگذاری شدهاند. سوابق بارکدگذاری تاکنون برای حدود 900 هزار گونه جانوری جمعآوری شده است. هبرت پیشبینی میکند که تعداد گونههای بارکدشده در عرض 5 سال از گونههایی نامگذاری شده به روشهای طبقهبندی سنتی پیشی خواهد گرفت.
کل بودجه حامیان کانادایی و بینالمللی برای ساخت و بهرهبرداری از مرکز تنوع زیستی ژنومیک دانشگاه گوئلف نزدیک به 200 میلیون دلار بوده است.
بارکدگذاری DNA برای شناسایی بسیاری از موجودات چندسلولی از خرسهای قطبی گرفته تا کرمها به قسمت کوتاهی از مواد ژنتیکی به نام CO1 متکی است با این حال شناسایی ژنتیکی بسیاری از موجودات زنده به ویژه گیاهان و قارچها نیاز به رشتههای بارکددار دیگری از DNA دارد.
مرکز تنوع زیستی ژنومیک یکی از 19 مرکز تحقیقاتی کانادایی است که تحت حمایت بنیاد کانادایی برای نوآوری در برنامههای ابتکاری علمی قرار دارد. این بنیاد زیرساختهای تحقیقاتی مهم ملی کانادا را تامین میکند.
باوجود اینکه اغلب اوقات هبرت به اداره مرکز تنوع زیستی ژنومیک مشغول است اما گهگاهی به سفرهای میدانی میرود. وی در سفر اخیرش به استرالیا، دو هفته زمان را صرف جمعآوری هزاران حشره کرد تا کتابخانه بارکدگذاری DNA را گسترش دهد.
بارکدگذاری DNA به یکی از برنامههای استراتژیک سازمان ملل متحد برای تنوع زیستی تبدل شده و در کنوانسوین سازمان ملل متحد در خصوص تنوع زیستی که در سال 1992 به تصویب این سازمان جهانی رسید نیز گنجانده شده است.
«اسپلاتولوژی» واژهای ابداعی برای توصیف عمل جمعآوری حشرات و سایر زبالهها از شیشه جلوی اتومبیل، پنجرههای ساختمان و سایر سطوح است که میتواند کمک شایانی به جمعآوری نمونه از گونههای مختلف به مرکز تنوع زیستی ژنومیک کند. این مرکز برنامه دارد طی سال جاری کیتهای نمونهبرداری برای بارکدگذاری DNA را راهی بازار کند.
تصاویر نمونههای موجود در پایگاه داده بارکدهای حیات بیش از چهار میلیون مورد است.
متابارکدینگ فناوری توسعه یافته محققان مرکز تنوع زیستی ژنومیک برای جمعآوری و تحلیل تعداد زیادی از گونهها، شامل نمونههای محیطی مانند خاک یا آب، به صورت همزمان است و ابزاری کلیدی برای نظارت بر تغییرات کیفی محیطی به شمار میرود.
سوسکها، پروانهها، نرمتنان و کرمها از جمله موجوداتی هستند که DNA آنها در مقاله تحقیقاتی سال 2003 مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. خویشاوندان موجودات ذکر شده در دسته حیاتهای چندسلولی بیشماری قرار دارند که طبقهبندی آنها به دست محققان کنسرسیوم بینالمللی بارکد حیات در حال اجراست.
بارکدگذاری DNA زیربنای پروژههای تحقیقاتی بسیار زیادی در سراسر جهان است. برای مثال، یکی از پروژههایی که امور جهانی کانادا اخیرا تایید کرده، با استفاده از زیرساختهای بارکدگذاری DNA انجام میشود. این پژوهش که با رهبری موسسه خدمات دانشگاه جهانی کانادا و به کمک محققان در غنا، ساحل عاج و گینه اجرایی میشود به حفاظت از اکوسیستمها تحت تغییرات جهانی کمک میکند.
بین سالهای 2010 تا 2015، محققان کنسرسیوم بینالمللی بارکد حیات در سراسر جهان بارکد DNA 500 هزار گونه از حیات را جمعآوری کردند.
«بایواسکن» نام پروژهای 7 ساله است که در سال 2019 راهاندازی شد، به کمک این پروژه تعداد بارکدهای DNA جمعآوری شده از سراسر جهان به 2 میلیون گونه میرسد.
به گفته هبرت، توسعه و ساخت اسکنر DNA برای گوشیهای هوشمند یا سایر دستگاههای دستی در آینده نه چندانی دوری محقق میشود.
«آزمایشگاه در یک جعبه» نام ابزاری براساس فناوری بارکدگذاری است که شامل سختافزارهای مورد نیاز برای شناسایی سریع گونهها در بیمارستانها، بازارهای مواد غذایی، فرودگاهها و اسکلههای حملونقل است. در این مکانها شناسایی و تشخیص سریع، امری حیاتی برای تضمین سلامت انسان و جلوگیری از قاچاق گونههای در حال انقراض به شمار میرود.
هانیه حیدری
نظر شما