توصيل الجينات

تَستخدم الطرق الكيميائية لتوصيل الجينات مركبات كيميائيةً، طبيعيةً أو اصطناعيةً، لتشكيل جسيمات تسهل نقل الجينات إلى الخلايا.[2] وتمتلك هذه النواقل الاصطناعية القدرة على الارتباط الكهروستاتيكي بالدنا أو الرنا، مع إمكانية تكديس المعلومات الجينية بها لاستيعاب عمليات أكبر من النقل الجيني.[5] تدخل النواقل الكيميائية إلى الخلايا غالبًا عن طريق عملية الإدخال الخلوي، موفرةً الحماية للمادة الجينية من التحلل.[6]

تعتبر هذه الطريقة أحد أبسط طرق التوصيل الجيني، والتي تعتمد على تغيير بيئة الخلية ثم إجهادها عن طريق تعريضها لصدمة حرارية. عادةً ما تُحتضَن الخلايا في محلول يحتوي على كاتيونات ثنائية التكافؤ (كلوريد الكالسيوم على الأغلب) في ظروف باردة، قبل تعريضها إلى النبضة الحرارية. يفكك كلوريد الكالسيوم غشاء الخلية جزئيًا، ما يسمح للدنا المؤتلف بدخول الخلية المضيفة. من المقترح أن تعريض الخلايا إلى الكاتيونات ثنائية التكافؤ، في الظروف الباردة، يمكن أن يغير أو يضعف من بنية سطح الخلية، ليجعلها أكثر نفاذيةً للدنا. ويُعتقد أن النبضة الحرارية ستخلق عدم اتزان حراري عبر الغشاء الخلوي، ما يدفع بالدنا داخل الخلايا عبر المسام الخلوية أو الغشاء التالف للخلية.

وهي طريقة أخرى ضمن الطرق البسيطة لتوصيل الجينات، والتي تعتمد على ربط فوسفات الكالسيوم بالدنا، ثم تعريض الخلايا المضيفة إلى هذا المركب. تحيط الخلايا بهذا المحلول، بالإضافة إلى الدنا، ما يسمح لكمية صغيرة من الدنا بالاندماج مع الجينوم.[12]

يمكن استخدام الجسيمات الشحمية والبوليمرات كنواقل لتوصيل الدنا إلى الخلايا. ترتبط الجسيمات الشحمية ذات الشحنة الموجبة بالدنا ذي الشحنة السالبة بينما يمكن للبوليمرات أن تُصمم بطريقة تجعلها تتفاعل مع الدنا،[2] لتشكيل مركبات تعرف بالمركبات الشحمية والمركبات البوليمرية على الترتيب، والتي تمتصها الخلايا بعد ذلك.[13] ويمكن الدمج بين هذين النظامين. تستخدم النواقل القائمة على البوليمرات، غير الفيروسية، بوليمرات تتفاعل مع الدنا لتكوين مركبات بوليمرية.[6]

يعتبر استخدام الجسيمات النانوية المُعدلة، العضوية وغير العضوية، إحدى الطرق الأخرى لتوصيل الجينات.[14][15]

يمكن تحفيز التوصيل الاصطناعي للجينات باستخدام طرق فيزيائية، والتي تعتمد على إدخال المادة الجينية بالقوة عبر غشاء الخلية.[2]

يمكن استخدام أجهزة التثقيب الكهربائي لجعل الغشاء الخلوي أكثر نفاذيةً للدنا.

يعتبر التثقيب الكهربائي طريقةً لتعزيز التأهيل الخلوي. تُعرض الخلايا إلى صدمة وجيزة بمجال كهربائي شدته تتراوح بين 10 و20 كيلوفولت لكل سنتيمتر، وذلك لخلق ثقوب في غشاء الخلية يمكن أن يدخل من خلالها الدنا البلازميدي. وبعد الصدمة الكهربائية، تُغلق هذه الثقوب بسرعة عن طريق آليات إصلاح الغشاء الخلوي بالخلية.

مدفع جيني يستخدم طريقة المقذوفات الحيوية لإدخال الدنا إلى الخلايا.

وهي طريقة أخرى تستخدم في تحويل الخلايا النباتية باستخدام مدفع جيني، والذي يعتمد على إطلاق جسيمات، من الذهب أو التنغستن، مغطاة بالدنا إلى خلايا نباتية صغيرة أو أجنة نباتية.[16] تدخل بعض المواد الجينية إلى الخلايا النباتية وتعمل على تحويلها. يمكن استخدام هذه الطريقة في النباتات المقاومة للإصابة ببكتيريا الأجرعية، كما تستخدم أيضًا في تحويل بلاستيدات النباتات. يمكن تحويل الخلايا النباتية أيضًا عن طريق التثقيب الكهربائي، والذي يقوم على تعريض غشاء الخلية إلى صدمة كهربائية لجعله أكثر نفاذيةً للدنا البلازميدي. وبسبب التلف الذي يصيب الخلايا والدنا عند استخدام طريقتي التثقيب الكهربائي، والمقذوفات الحيوية، تقل كفاءة التحويل باستخدام هاتين الطريقتين مقارنةً بالتحويل عن طريق بكتيريا الأجرعية.[17]

تعتمد هذه الطريقة على حقن الدنا إلى نوية الخلية مباشرةً عبر الغلاف النووي.[11]

تستخدم هذه الطريقة موجات صوتيةً لخلق ثقوب في غشاء الخلية للسماح بدخول المادة الجينية.

تستخدم هذه الطريقة نبضات ليزريةً لخلق ثقوب في غشاء الخلية للسماح بدخول المادة الجينية.

تستخدم هذه الطريقة جسيمات مغناطيسيةً مرتبطةً بالدنا مع استخدام مجال مغناطيسي لتركيز الجسيمات الحاملة للحمض النووي إلى الخلايا المستهدفة.

يمكن استخدام تأثير الخاصية الشعرية الهيدرودينامي في التلاعب بنفاذية الخلية.

بكتيريا الأجرعية المورمة A. tumefaciens أثناء ارتباطها بخلية لنبات الجزر.

في النباتات، غالبًا ما تُستخدم طريقة إعادة التركيب الجيني بواسطة بكتيريا الأجرعية لإدخال الدنا إلى الخلايا،[18] وذلك للاستفادة من تسلسل شدفة الدنا لبكتيريا الأجرعية الذي يسمح بإدخال المادة الجينية إلى الخلايا النباتية بشكل طبيعي.[19] تُقطع الأنسجة النباتية إلى قطع صغيرة، وتُغمر في سائل معلق على بكتيريا الأجرعية. ترتبط هذه البكتيريا بالعديد من الخلايا النباتية المكشوفة بعد التقطيع. وتستخدم البكتيريا عملية الاقتران البكتيري لنقل جزء من الدنا، يُعرف بشدفة الدنا، من البلازميد الخاص بها إلى الخلايا النباتية. يُوجَّه الدنا المنقول إلى نوية الخلية النباتية ثم يندمج مع الدنا الجينومي للنبات المضيف. تندمج شدفة الدنا البلازميدي بطريقة شبه عشوائية مع جينوم الخلية المضيفة.[20]

ومع تعديل البلازميد للتعبير عن جينات معينة، يستطيع الباحثون إدخال الجين المُختار بطريقة مستقرة إلى الجينوم النباتي. يعتبر المكرران الصغيران (25 زوجًا قاعديًا) الجانبيان فقط أهم الأجزاء الضرورية من شدفة الدنا، إذ يجب استخدام أحدهما على الأقل في عملية التحويل النباتي.[21][22] تُنسَّل الجينات المُخطط إدخالها إلى النبات لتكوين نواقل تحويل نباتي تحتوي على منطقة شدفة الدنا من البلازميد. وتعتبر عملية تسريب الأجرعية طريقةً بديلةً لهذه الطريقة.[23][24]