معلومة

أصل الآلات الجزيئية

أصل الآلات الجزيئية


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

يحمل الحمض النووي المعلومات الجينية ويمتلك مفتاح تطور الكائنات الحية. تمكّن آليات النسخ والترجمة الخلايا الحية من معالجة المعلومات المشفرة في الحمض النووي. تحقيقا لهذه الغاية ، النسخ والترجمة آليات أساسية لازمة لتمكين تطور الكائنات الحية. تقوم الآلات الجزيئية (الإنزيمات) بتنفيذ هذه الآليات من خلال قراءة المعلومات الموجودة في الحمض النووي واستخدامها لبناء البروتينات.

هل احتوت الخلية الحية الأولى على الآلات اللازمة للترجمة والنسخ؟ أو هل تطورت مع مرور الوقت؟

تعديل: حرر السؤال لتضييق النطاق.


الفرضية الرئيسية هي أن كل شيء يبدأ من RNA. "عالم RNA". لم يكن هناك DNA ولا بروتينات. تم تنفيذ كلتا الوظيفتين بواسطة RNA. الآن لا يوجد كائن حي يحمل المعلومات في الحمض النووي الريبي (الفيروسات فقط ...) ، ولكن هناك "إنزيمات" من RNA - الريبوزيمات.
كان التطور إلى الحمض النووي لاحقًا ، وفقًا لهذه الفرضية.
حقا هناك مقال جيد في الويكي.
http://en.wikipedia.org/wiki/RNA_world_hypothesis
أو إذا كنت تريد شيئًا أكثر انظر هنا
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26876/

ملخص

من معرفتنا بالكائنات الحية الحالية والجزيئات التي تحتويها ، يبدو من المحتمل أن تطوير آليات التحفيز الذاتي المباشر الأساسية للأنظمة الحية بدأ مع تطور عائلات الجزيئات التي يمكن أن تحفز تكاثرها. مع مرور الوقت ، ربما طورت عائلة من محفزات الحمض النووي الريبي المتعاون القدرة على توليف عديد الببتيدات. من المحتمل أن يكون الحمض النووي إضافة متأخرة: نظرًا لأن تراكم محفزات البروتين الإضافية سمح بتطور خلايا أكثر كفاءة وتعقيدًا ، فقد حل اللولب المزدوج للحمض النووي محل الحمض النووي الريبي كجزيء أكثر استقرارًا لتخزين الكميات المتزايدة من المعلومات الجينية التي تتطلبها هذه الخلايا.


تاريخ PCR


جعل السعي ممكنا

لسوء الحظ ، الكلام رخيص. ما الذي منع تورينج من العمل في ذلك الوقت وهناك؟ أولاً ، كانت أجهزة الكمبيوتر بحاجة إلى تغيير جذري. قبل عام 1949 ، كانت أجهزة الكمبيوتر تفتقر إلى المتطلبات الأساسية للذكاء: لم يكن بإمكانها تخزين الأوامر ، بل تنفيذها فقط. بعبارة أخرى ، يمكن إخبار أجهزة الكمبيوتر بما يجب القيام به ولكن لا يمكنها تذكر ما فعلته. ثانيًا ، كانت الحوسبة باهظة الثمن للغاية. في أوائل الخمسينيات من القرن الماضي ، وصلت تكلفة استئجار جهاز كمبيوتر إلى 200000 دولار شهريًا. فقط الجامعات المرموقة وشركات التكنولوجيا الكبرى هي القادرة على تحمل تكاليف العمل في هذه المياه المجهولة. كان هناك حاجة إلى إثبات المفهوم بالإضافة إلى الدعوة من الأشخاص البارزين لإقناع مصادر التمويل بأن الذكاء الآلي يستحق المتابعة.


2. رواد الخيال في تقنية النانو

قدم الفيزيائي الأمريكي الحائز على جائزة نوبل ريتشارد فاينمان مفهوم تكنولوجيا النانو في عام 1959. خلال الاجتماع السنوي للجمعية الفيزيائية الأمريكية ، قدم فاينمان محاضرة بعنوان & # x0201cThere & # x02019s Plenty of Room at the Bottom & # x0201d في معهد كاليفورنيا في التكنولوجيا (معهد كاليفورنيا للتقنية). في هذه المحاضرة ، وضع فاينمان الفرضية & # x0201c لماذا نكتب جميع المجلدات الـ 24 من موسوعة بريتانيكا على رأس دبوس؟ & # x0201d ، ووصف رؤية لاستخدام الآلات لبناء آلات أصغر وصولاً إلى المستوى الجزيئي [5]. أثبتت هذه الفكرة الجديدة أن فرضيات Feynman & # x02019 قد أثبتت صحتها ، ولهذه الأسباب ، يعتبر أب تقنية النانو الحديثة. بعد خمسة عشر عامًا ، كان نوريو تانيجوتشي ، وهو عالم ياباني ، أول من استخدم وعرف المصطلح & # x0201cnanotechnology & # x0201d في عام 1974 على النحو التالي: & # x0201cnanotechnology يتكون أساسًا من معالجة فصل المواد وتوحيدها وتشويهها بواسطة ذرة واحدة أو واحدة جزيء & # x0201d [6].

بعد أن اكتشف فاينمان هذا المجال الجديد من البحث الذي جذب اهتمام العديد من العلماء ، تم تطوير نهجين يصفان الاحتمالات المختلفة لتركيب الهياكل النانوية. تنقسم مناهج التصنيع هذه إلى فئتين: من أعلى إلى أسفل ومن أسفل إلى أعلى ، والتي تختلف في درجات الجودة والسرعة والتكلفة.

النهج من أعلى إلى أسفل هو في الأساس تكسير المواد السائبة للحصول على جزيئات بحجم النانو. يمكن تحقيق ذلك باستخدام تقنيات متقدمة مثل الهندسة الدقيقة والطباعة الحجرية التي تم تطويرها وتحسينها بواسطة الصناعة خلال العقود الأخيرة. تدعم الهندسة الدقيقة غالبية صناعة الإلكترونيات الدقيقة خلال عملية الإنتاج بأكملها ، ويمكن تحقيق الأداء العالي من خلال استخدام مجموعة من التحسينات. يتضمن ذلك استخدام بنية نانوية متقدمة تعتمد على الماس أو نيتريد البورون المكعب وأجهزة استشعار للتحكم في الحجم ، جنبًا إلى جنب مع التحكم العددي وتقنيات الدفع المؤازرة المتقدمة. تتضمن الطباعة الحجرية نمذجة السطح من خلال التعرض للضوء أو الأيونات أو الإلكترونات ، وترسب المواد على ذلك السطح لإنتاج المادة المطلوبة [7].

يشير النهج التصاعدي إلى تراكم الهياكل النانوية من الأسفل: ذرة تلو ذرة أو جزيء تلو جزيء بالطرق الفيزيائية والكيميائية التي تقع في نطاق نانوي (1 نانومتر إلى 100 نانومتر) باستخدام التلاعب المتحكم فيه التجميع الذاتي للذرات والجزيئات. التخليق الكيميائي هو طريقة لإنتاج المواد الخام التي يمكن استخدامها إما مباشرة في المنتج في شكلها المختلط بكميات كبيرة ، أو باعتبارها اللبنات الأساسية لمواد مرتبة أكثر تقدمًا. التجميع الذاتي هو نهج تصاعدي تنظم فيه الذرات أو الجزيئات نفسها في بنى نانوية مرتبة عن طريق التفاعلات الكيميائية الفيزيائية بينها. التجميع الموضعي هو الأسلوب الوحيد الذي يمكن من خلاله وضع ذرات مفردة أو جزيئات أو كتلة بحرية واحدة تلو الأخرى [7].

يلخص الشكل 2 المفهوم العام لأعلى لأسفل ومن أسفل لأعلى والطرق المختلفة المعتمدة للجسيمات النانوية المركبة باستخدام هذه التقنيات. في عام 1986 ، نشر K. Eric Drexler أول كتاب عن تقنية النانو & # x0201cEngines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology & # x0201d ، مما أدى إلى أن تصبح نظرية الهندسة الجزيئية & # x0201cm & # x0201d أكثر شهرة [8]. وصف دريكسلر تراكم الآلات المعقدة من الذرات الفردية ، والتي يمكن أن تتعامل بشكل مستقل مع الجزيئات والذرات ، وبالتالي تنتج هياكل نانوية ذاتية التجميع. في وقت لاحق ، في عام 1991 ، نشر دريكسلر وبيترسون وبيرغاميت كتابًا آخر بعنوان & # x0201cUnbounding the Future: the Nanotechnology Revolution & # x0201d حيث يستخدمون المصطلحات & # x0201cnanobots & # x0201d أو & # x0201cassemblers & # x0201d لعمليات النانو في تطبيقات الطب و ثم استخدم المصطلح الشهير & # x0201cnanomedicine & # x0201d لأول مرة بعد ذلك [9].

مفهوم التكنولوجيا من أعلى إلى أسفل ومن أسفل إلى أعلى: طرق مختلفة لتخليق الجسيمات النانوية.


أصل الآلات الجزيئية - علم الأحياء

تم تحسين هذه الصفحة للعرض باستخدام جافا سكريبت.

معهد البيولوجيا الجزيئية - IMB - هو مجموعة من علماء الأحياء والكيميائيين والفيزيائيين في جامعة أوريغون الذين جمعوا خبراتهم لمعالجة الأسئلة الأساسية في البيولوجيا الجزيئية. ما هي المبادئ الأساسية التي تحدد الحياة؟ كيف تتطور الكائنات الحية وتستجيب لبيئاتها بطريقة منظمة؟ كيف تتطور الحياة؟ كيف يمكننا ترجمة فهمنا الجزيئي إلى علاجات جديدة؟

للإجابة على هذه الأسئلة ، يفتخر IMB بأعضاء هيئة تدريس متعاونين للغاية يتمتعون بخبرة في علم الجينوم ، وبيولوجيا الخلية ، والكيمياء الحيوية / الفيزياء الحيوية ، وبيولوجيا الأنظمة ، وعلم الأحياء الدقيقة ، وعلم الأحياء التطوري. يستخدم باحثونا مجموعة متنوعة من الأنظمة البيولوجية ، من أسماك الزرد الخالية من الجراثيم إلى الآلات الجزيئية المعاد تشكيلها في المختبر إلى النماذج الحسابية. نتيجة لذلك ، يحصل الطلاب المسجلين في برنامج الدكتوراه لدينا على المهارات المفاهيمية والتقنية الواسعة اللازمة للنجاح في البحث البيولوجي الحديث. علاوة على ذلك ، فإن مرافقنا الحديثة وموظفي الدعم الممتاز لدينا تسمح لأعضاء مجتمع IMB بتركيز جهودهم على العلوم.

يسعى معهد البيولوجيا الجزيئية إلى خلق بيئة شاملة ومرحبة للعلماء من جميع الخلفيات العرقية والإثنية والاجتماعية والاقتصادية وغيرها. لقد أدت العنصرية المنهجية ، وحتى القاتلة ، إلى ظهور حواجز عمرها قرون أمام العلماء السود على وجه الخصوص. نحن ملتزمون بالعمل الشاق المتمثل في إزالة هذه الحواجز. تقر قيادة IMB تمامًا بأن دورنا في الماضي والحاضر والمستقبل كحراس للعلم يضع المسؤولية على عاتقنا للعمل نحو تصحيح هذه التفاوتات. ندرك أيضًا أن نجاحنا يعتمد على المشاركة والتعلم من أعضاء هيئة التدريس والموظفين والمتدربين والمجتمع الأوسع لتصميم وتنفيذ حلول حقيقية. ندعوكم لمشاركة أفكاركم والانضمام إلينا في مواجهة العنصرية والتحيز. معًا ، سننشئ معهدًا يغذي التنوع لتحسين المجتمع مع تمكين علوم أكثر جرأة وإبداعًا.


أصل الآلات الجزيئية - علم الأحياء

يقودنا طريق طويل من أصول "الحياة" البدائية ، التي كانت موجودة منذ 3.5 مليار سنة على الأقل ، إلى وفرة وتنوع الحياة الموجودة اليوم. من الأفضل فهم هذا المسار على أنه نتاج التطور.

خلافًا للرأي السائد ، لم يبدأ مصطلح التطور البيولوجي ولا فكرة التطور البيولوجي مع تشارلز داروين وعمله الأول ، عن أصل الأنواع عن طريق الانتقاء الطبيعي (1859). استنتج العديد من العلماء من الفلاسفة اليونانيين القدماء أن الأنواع المماثلة تنحدر من سلف مشترك. ظهرت كلمة "التطور" لأول مرة في اللغة الإنجليزية عام 1647 في اتصال غير بيولوجي ، وأصبحت مستخدمة على نطاق واسع في اللغة الإنجليزية لجميع أنواع التقدم من بدايات أبسط. المصطلح داروين الذي يستخدم غالبًا للإشارة إلى التطور البيولوجي كان "النسب مع التعديل" ، والذي يظل تعريفًا موجزًا ​​جيدًا للعملية اليوم.

اقترح داروين أن التطور يمكن تفسيره من خلال البقاء التفاضلي للكائنات بعد اختلافها الطبيعي - وهي عملية أطلق عليها "الانتقاء الطبيعي". وفقًا لهذا الرأي ، يختلف نسل الكائنات الحية عن بعضها البعض وعن والديهم بطرق وراثية - أي يمكنهم نقل الاختلافات وراثيًا إلى نسلهم. علاوة على ذلك ، تنتج الكائنات الحية في الطبيعة عادةً ذرية أكثر مما يمكنها البقاء والتكاثر نظرًا للقيود المفروضة على الغذاء والفضاء والموارد البيئية الأخرى. إذا كان فصل الربيع لديه سمات تمنحه ميزة في بيئة معينة ، فمن المرجح أن يبقى هذا الكائن الحي على قيد الحياة وينقل تلك السمات. مع تراكم الاختلافات عبر الأجيال ، تتباعد مجموعات الكائنات الحية عن أسلافها.

خضعت فرضية داروين الأصلية لتعديل وتوسع واسع النطاق ، لكن المفاهيم المركزية لا تزال ثابتة. أوضحت الدراسات في علم الوراثة والبيولوجيا الجزيئية - المجالات غير المعروفة في زمن داروين - حدوث التغيرات الوراثية الضرورية للانتقاء الطبيعي. تنتج الاختلافات الجينية عن تغيرات أو طفرات في تسلسل النيوكليوتيدات للحمض النووي ، وهو الجزيء الذي تتكون منه الجينات. يمكن الآن اكتشاف مثل هذه التغييرات في الحمض النووي ووصفها بدقة كبيرة.

تنشأ الطفرات الجينية عن طريق الصدفة. قد يقومون أو لا يزودون الكائن الحي بوسائل أفضل للبقاء في بيئته. ولكن إذا كان أحد المتغيرات الجينية يحسن التكيف مع البيئة (على سبيل المثال ، من خلال السماح لكائن ما بالاستفادة بشكل أفضل من العناصر الغذائية المتاحة ، أو للهروب من الحيوانات المفترسة بشكل أكثر فعالية - مثل من خلال أرجل أقوى أو تلوين تمويه) ، فإن الكائنات الحية تحمل هذا الجين هم أكثر عرضة للبقاء على قيد الحياة والتكاثر من أولئك الذين ليس لديهم. بمرور الوقت ، سوف يميل أحفادهم إلى الزيادة ، مما يؤدي إلى تغيير متوسط ​​خصائص السكان. على الرغم من أن الاختلاف الجيني الذي يعمل عليه الانتقاء الطبيعي يعتمد على عناصر عشوائية أو صدفة ، فإن الانتقاء الطبيعي نفسه ينتج تغيرًا "تكيفيًا" - وهو عكس الصدفة تمامًا.

اكتسب العلماء أيضًا فهمًا للعمليات التي تنشأ من خلالها الأنواع الجديدة. النوع الجديد هو النوع الذي لا يستطيع الأفراد فيه التزاوج وينتج أحفادًا قابلين للحياة مع أفراد من أنواع موجودة مسبقًا. غالبًا ما يبدأ انقسام نوع واحد إلى نوعين لأن مجموعة من الأفراد تنفصل جغرافيًا عن البقية. يتضح هذا بشكل خاص في الجزر النائية البعيدة ، مثل Gal & aacutepagos وأرخبيل هاواي ، والتي تعني المسافة الكبيرة التي تفصلها عن الأمريكتين وآسيا أن المستعمرين القادمين لن يكون لديهم سوى فرصة ضئيلة أو معدومة للتزاوج مع الأفراد الباقين في تلك القارات. تمثل الجبال والأنهار والبحيرات والحواجز الطبيعية الأخرى أيضًا الفصل الجغرافي بين السكان الذين كانوا ينتمون في السابق إلى نفس النوع.

بمجرد العزلة ، تصبح مجموعات الأفراد المنفصلة جغرافيًا متمايزة وراثيًا نتيجة للطفرة والعمليات الأخرى ، بما في ذلك الانتقاء الطبيعي. غالبًا ما يكون أصل أحد الأنواع عملية تدريجية ، بحيث تكون العزلة التناسلية بين مجموعات الكائنات الحية المنفصلة جزئية في البداية ، لكنها تصبح كاملة في النهاية. يولي العلماء اهتمامًا خاصًا لهذه المواقف الوسيطة ، لأنها تساعد في إعادة بناء تفاصيل العملية وتحديد جينات معينة أو مجموعات من الجينات المسؤولة عن العزلة الإنجابية بين الأنواع.

مثال مقنع بشكل خاص على الانتواع يتضمن 13 نوعًا من العصافير التي درسها داروين في جزر غال وأكوتيباغوس ، المعروفة الآن باسم عصافير داروين. يبدو أن أسلاف هذه العصافير قد هاجروا من البر الرئيسي لأمريكا الجنوبية إلى Gal & aacutepagos. اليوم الأنواع المختلفة من العصافير في الجزيرة لها موائل وأنظمة غذائية وسلوكيات مميزة ، لكن الآليات المشاركة في الانتواع تستمر في العمل. أظهرت مجموعة بحثية بقيادة بيتر وروزماري جرانت من جامعة برينستون أن عامًا واحدًا من الجفاف على الجزر يمكن أن يؤدي إلى تغييرات تطورية في العصافير. يقلل الجفاف من إمدادات المكسرات التي يسهل تكسيرها ولكنه يسمح ببقاء النباتات التي تنتج صواميل أكبر وأكثر صلابة. وبالتالي ، فإن فترات الجفاف تفضل الطيور ذات المناقير القوية والواسعة التي يمكنها كسر هذه البذور الأكثر صلابة ، مما ينتج مجموعات من الطيور بهذه الصفات. قدرت المنح أنه إذا حدث الجفاف مرة واحدة كل 10 سنوات على الجزر ، فقد يظهر نوع جديد من العصافير في حوالي 200 عام فقط.

تتناول الأقسام التالية العديد من جوانب التطور البيولوجي بمزيد من التفصيل ، مع النظر في علم الحفريات ، وعلم التشريح المقارن ، والجغرافيا الحيوية ، وعلم الأجنة ، وعلم الأحياء الجزيئي لمزيد من الأدلة التي تدعم التطور.

سجل الحفريات

على الرغم من أن داروين ، قبل كل شيء آخر ، هو الذي جمع أولاً أدلة مقنعة للتطور البيولوجي ، فقد أدرك العلماء السابقون أن الكائنات الحية على الأرض قد تغيرت بشكل منهجي على مدى فترات طويلة من الزمن. على سبيل المثال ، أفاد مهندس يُدعى ويليام سميث في عام 1799 أنه في طبقات الصخور غير المتقطعة ، حدثت الحفريات بترتيب تسلسلي محدد ، مع ظهور أحافير أكثر حداثة بالقرب من القمة. نظرًا لأن الطبقات السفلية من الصخور تم وضعها بشكل منطقي في وقت مبكر وبالتالي فهي أقدم من الطبقات العليا ، يمكن أيضًا إعطاء تسلسل الحفريات التسلسل الزمني من الأقدم إلى الأصغر. تم تأكيد النتائج التي توصل إليها وتمديدها في ثلاثينيات القرن التاسع عشر من قبل عالم الحفريات ويليام لونسديل ، الذي أدرك أن البقايا الأحفورية لكائنات من الطبقات الدنيا كانت أكثر بدائية من تلك المذكورة أعلاه. اليوم ، تم تحديد عدة آلاف من رواسب الصخور القديمة التي تظهر تعاقب متماثل من الكائنات الحية الأحفورية.

وهكذا ، تم التعرف على التسلسل العام للحفريات قبل أن يتصور داروين النسب مع التعديل. لكن علماء الأحافير والجيولوجيين قبل داروين استخدموا تسلسل الحفريات في الصخور ليس كدليل على التطور البيولوجي ، ولكن كأساس للتوصل إلى التسلسل الأصلي لطبقات الصخور التي تعرضت للاضطراب الهيكلي بسبب الزلازل والقوى الأخرى.

في زمن داروين ، كان علم الحفريات لا يزال علمًا بدائيًا. كانت أجزاء كبيرة من التعاقب الجيولوجي للصخور الطبقية غير معروفة أو تمت دراستها بشكل غير كافٍ.

لذلك ، كان داروين قلقًا بشأن ندرة الأشكال الوسيطة بين بعض المجموعات الرئيسية من الكائنات الحية.

اليوم ، تم ملء العديد من الثغرات في سجل الحفريات من خلال أبحاث علماء الحفريات. تمثل مئات الآلاف من الكائنات الأحفورية ، الموجودة في سلاسل الصخور المؤرخة جيدًا ، سلسلة من الأشكال عبر الزمن وتظهر العديد من التحولات التطورية. كما ذكرنا سابقًا ، كانت الحياة الميكروبية من النوع الأبسط موجودة بالفعل منذ 3.5 مليار سنة. تم اكتشاف أقدم دليل على الكائنات الحية الأكثر تعقيدًا (أي الخلايا حقيقية النواة ، والتي هي أكثر تعقيدًا من البكتيريا) في الحفريات المختومة في الصخور التي يبلغ عمرها حوالي ملياري سنة. تم العثور على الكائنات متعددة الخلايا ، وهي الفطريات والنباتات والحيوانات المألوفة ، فقط في الطبقات الجيولوجية الأصغر سنا. تعرض القائمة التالية الترتيب الذي ظهرت به أشكال الحياة المتزايدة التعقيد:


نموذج الحياة ملايين السنين منذ ذلك الحين
أول ظهور معروف
(تقريبي)
الميكروبية (الخلايا البدائية) 3,500
مركب (خلايا حقيقية النواة) 2,000
الحيوانات الأولى متعددة الخلايا 670
الحيوانات الحاملة للقذائف 540
الفقاريات (أسماك بسيطة) 490
البرمائيات 350
الزواحف 310
الثدييات 200
الرئيسيات غير البشرية 60
أقدم القردة 25
أسلاف أسترالوبيثيسين من البشر 4
الإنسان الحديث 0 .15 (150000 سنة)

تم اكتشاف العديد من الأشكال الوسيطة بين الأسماك والبرمائيات ، وبين البرمائيات والزواحف ، وبين الزواحف والثدييات ، وعلى طول خطوط النسب الرئيسية التي غالبًا ما يصعب تحديدها بشكل قاطع عندما يحدث الانتقال من نوع إلى نوع آخر معين. في الواقع ، يمكن اعتبار جميع الحفريات تقريبًا على أنها وسيطة بمعنى ما ، فهي أشكال حياة تأتي بين الأشكال التي سبقتها وتلك التي تلتها.

وبالتالي فإن سجل الحفريات يوفر دليلاً ثابتًا على التغيير المنهجي عبر الزمن - للنسب مع التعديل. من هذا الكم الهائل من الأدلة ، يمكن التنبؤ بعدم وجود انعكاسات في دراسات علم الأحافير المستقبلية. أي أن البرمائيات لن تظهر قبل الأسماك أو الثدييات قبل الزواحف ، ولن تحدث حياة معقدة في السجل الجيولوجي قبل أقدم الخلايا حقيقية النواة. تم تأكيد هذا التوقع من خلال الأدلة التي تراكمت حتى الآن: لم يتم العثور على انعكاسات.

الهياكل المشتركة

يتم تعزيز الاستنتاجات حول الأصل المشترك المستمدة من علم الحفريات من خلال علم التشريح المقارن. على سبيل المثال ، الهياكل العظمية للإنسان والفئران والخفافيش متشابهة بشكل لافت للنظر ، على الرغم من اختلاف طرق حياة هذه الحيوانات وتنوع البيئات التي تزدهر فيها. يمكن ملاحظة التطابق بين هذه الحيوانات ، العظام بعظم ، في كل جزء من أجزاء الجسم ، بما في ذلك الأطراف التي يكتبها الشخص ، ويركض الفأر ، ويطير الخفاش بهياكل مبنية من عظام مختلفة في التفاصيل ولكنها متشابهة بشكل عام الهيكل والعلاقة ببعضها البعض.

يسمي العلماء هذه الهياكل بالتناظرات وخلصوا إلى أن أفضل تفسير لها هو الأصل المشترك. يبحث علماء التشريح المقارن في مثل هذه التماثلات ، ليس فقط في بنية العظام ولكن أيضًا في أجزاء أخرى من الجسم ، ويعملون على العلاقات من درجات التشابه. توفر استنتاجاتهم استنتاجات مهمة حول تفاصيل التاريخ التطوري ، والاستنتاجات التي يمكن اختبارها من خلال مقارنات مع تسلسل أشكال الأجداد في سجل الحفريات.

الأذن والفك لدى الثدييات هي حالات يتحد فيها علم الأحافير والتشريح المقارن لإظهار سلف مشترك خلال المراحل الانتقالية. يحتوي الفك السفلي للثدييات على عظم واحد فقط ، بينما يحتوي الفك السفلي للثدييات على عظام عديدة. العظام الأخرى في فك الزاحف متماثلة مع عظام موجودة الآن في أذن الثدييات. اكتشف علماء الأحافير أشكالًا وسيطة من الزواحف الشبيهة بالثدييات (Therapsida) مع مفصل فك مزدوج - يتكون أحدهما من العظام التي لا تزال موجودة في فكي الثدييات ، والآخر يتكون من العظام التي أصبحت في النهاية مطرقة وسندان أذن الثدييات.

توزيع الأنواع

ساهمت الجغرافيا الحيوية أيضًا في أدلة على النسب من أسلاف مشتركين. تنوع الحياة مذهل. تم وصف وتسمية ما يقرب من 250000 نوع من النباتات الحية ، و 100000 نوع من الفطريات ، ومليون نوع من الحيوانات ، كل منها يشغل مكانه البيئي الخاص أو مكانه المناسب والتعداد بعيد عن الاكتمال. يمكن لبعض الأنواع ، مثل البشر ورفيقنا الكلب ، العيش في مجموعة واسعة من البيئات. البعض الآخر متخصص بشكل مثير للدهشة. ينمو أحد أنواع الفطريات (Laboulbenia) حصريًا على الجزء الخلفي من الأجنحة المغطاة لنوع واحد من الخنفساء (Aphaenops cronei) الموجود فقط في بعض الكهوف في جنوب فرنسا. لا يمكن أن تتطور يرقات ذبابة الفاكهة الكارسينوفيلا إلا في أخاديد متخصصة أسفل رفرف الزوج الثالث من الزوائد الشفوية لسرطان البحر الموجود فقط في جزر كاريبية معينة.

كيف يمكننا أن نجعل التنوع الهائل للكائنات الحية مفهومًا ووجود مثل هذه المخلوقات غير العادية التي تبدو غريبة الأطوار مثل الفطريات والخنفساء والذبابة الموصوفة أعلاه؟ ولماذا تسكن مجموعات الجزر مثل Gal & aacutepagos في كثير من الأحيان بأشكال مشابهة لتلك الموجودة في أقرب البر الرئيسي ولكنها تنتمي إلى أنواع مختلفة؟ توضح النظرية التطورية أن التنوع البيولوجي ينتج عن تكيف أحفاد أسلاف محليين أو مهاجرين مع بيئاتهم المتنوعة. يمكن اختبار هذا التفسير من خلال فحص الأنواع الحالية والحفريات المحلية لمعرفة ما إذا كانت لها هياكل متشابهة ، مما يشير إلى كيفية اشتقاق إحداها من الأخرى. أيضًا ، يجب أن يكون هناك دليل على أن الأنواع التي ليس لها أصل محلي ثابت قد هاجرت إلى المنطقة.

أينما أجريت مثل هذه الاختبارات ، تم تأكيد هذه الشروط. وخير مثال على ذلك هو تعداد الثدييات في أمريكا الشمالية والجنوبية ، حيث تطورت كائنات أصلية مختلفة بشكل لافت للنظر في عزلة حتى ظهور برزخ بنما منذ حوالي 3 ملايين سنة. بعد ذلك ، هاجر المدرع ، والنيص ، والأبوسوم - ثدييات من أصل أمريكا الجنوبية - إلى الشمال مع العديد من الأنواع الأخرى من النباتات والحيوانات ، بينما شق أسد الجبل وأنواع أخرى من أمريكا الشمالية طريقهم عبر البرزخ إلى الجنوب.

الدليل الذي وجده داروين لتأثير التوزيع الجغرافي على تطور الكائنات الحية أصبح أقوى مع تقدم المعرفة. على سبيل المثال ، يوجد الآن ما يقرب من 2000 نوع من الذباب ينتمي إلى جنس ذبابة الفاكهة في جميع أنحاء العالم. يعيش حوالي ربعهم في هاواي فقط. يوجد أيضًا أكثر من ألف نوع من القواقع والرخويات البرية الأخرى في هاواي فقط. التفسير البيولوجي لتعدد الأنواع ذات الصلة في المناطق النائية هو أن هذا التنوع الكبير هو نتيجة لتطورها من عدد قليل من الأسلاف المشتركة التي استعمرت بيئة منعزلة. جزر هاواي بعيدة كل البعد عن أي بر رئيسي أو جزر أخرى ، وبناءً على الأدلة الجيولوجية ، لم يتم ربطها أبدًا بأراضي أخرى. وهكذا ، وجد المستعمرون القلائل الذين وصلوا إلى جزر هاواي العديد من المنافذ البيئية المتاحة ، حيث يمكنهم ، على مدى أجيال عديدة ، الخضوع للتغيير التطوري والتنويع. لم تكن هناك ثدييات غير نوع واحد من الخفافيش تعيش في جزر هاواي عندما وصل المستوطنون الأوائل بالمثل ، وغابت أنواع أخرى من النباتات والحيوانات.

جزر هاواي ليست أقل مضيافًا من أجزاء أخرى من العالم للأنواع الغائبة. على سبيل المثال ، تتكاثر الخنازير والماعز في البرية في هاواي ، كما تزدهر الحيوانات الأليفة الأخرى هناك. التفسير العلمي لغياب العديد من أنواع الكائنات الحية ، والتكاثر الكبير لبعض الأنواع ، هو أن أنواعًا كثيرة من الكائنات الحية لم تصل إلى الجزر أبدًا ، بسبب عزلتها الجغرافية. وتنوعت تلك التي وصلت إلى الجزر مع مرور الوقت بسبب عدم وجود كائنات ذات صلة من شأنها أن تتنافس على الموارد.

أوجه التشابه أثناء التطوير

علم الأجنة ، وهو دراسة التطور البيولوجي من وقت الحمل ، هو مصدر آخر للأدلة المستقلة على الأصل المشترك. البرنقيل ، على سبيل المثال ، عبارة عن قشريات مستقرة مع القليل من التشابه الظاهر مع غيرها
القشريات مثل الكركند أو الجمبري أو مجدافيات الأرجل. ومع ذلك ، تمر البرنقيل عبر مرحلة يرقات حرة السباحة تبدو فيها مثل يرقات القشريات الأخرى. يدعم التشابه بين مراحل اليرقات الاستنتاج القائل بأن جميع القشريات لها أجزاء متجانسة وأصل مشترك.

وبالمثل ، فإن مجموعة متنوعة من الكائنات الحية من ذباب الفاكهة إلى الديدان والفئران والبشر لها تسلسلات متشابهة جدًا من الجينات التي تنشط في وقت مبكر من التطور. تؤثر هذه الجينات على تجزئة الجسم أو التوجه في كل هذه المجموعات المتنوعة. إن أفضل تفسير لوجود مثل هذه الجينات المماثلة التي تقوم بأشياء مماثلة عبر مثل هذه المجموعة الواسعة من الكائنات الحية هو وجودها في سلف مشترك مبكر جدًا لجميع هذه المجموعات.

دليل جديد من علم الأحياء الجزيئي

يتم تعزيز المبدأ الموحد للنسب المشترك الذي ينبثق من جميع خطوط الأدلة السابقة من خلال اكتشافات الكيمياء الحيوية والبيولوجيا الجزيئية الحديثة.

الشفرة المستخدمة لترجمة متواليات النوكليوتيدات إلى تسلسلات من الأحماض الأمينية هي نفسها في الأساس في جميع الكائنات الحية. علاوة على ذلك ، تتكون البروتينات في جميع الكائنات الحية دائمًا من نفس المجموعة المكونة من 20 حمضًا أمينيًا. هذه الوحدة في التركيب والوظيفة هي حجة قوية لصالح الأصل المشترك للكائنات الأكثر تنوعًا.

في عام 1959 ، حدد العلماء في جامعة كامبريدج بالمملكة المتحدة الهياكل ثلاثية الأبعاد لبروتينين موجودين في كل حيوان متعدد الخلايا تقريبًا: الهيموغلوبين والميوغلوبين. الهيموجلوبين هو البروتين الذي يحمل الأكسجين في الدم. يتلقى الميوغلوبين الأكسجين من الهيموجلوبين ويخزنه في الأنسجة لحين الحاجة إليه. كانت هذه أول هياكل بروتينية ثلاثية الأبعاد يتم حلها ، وقد أسفرت عن بعض الأفكار الرئيسية. يحتوي الميوغلوبين على سلسلة واحدة من 153 حمضًا أمينيًا ملفوفة حول مجموعة من الحديد وذرات أخرى (تسمى "الهيم") يرتبط بها الأكسجين. على النقيض من ذلك ، يتكون الهيموغلوبين من أربع سلاسل: سلسلتان متطابقتان تتكونان من 141 حمضًا أمينيًا ، وسلاسل متطابقة أخرى تتكون من 146 حمضًا أمينيًا. ومع ذلك ، تحتوي كل سلسلة على هيم تمامًا مثل الميوغلوبين ، وكل من السلاسل الأربعة في جزيء الهيموجلوبين مطوية تمامًا مثل الميوغلوبين. اتضح على الفور في عام 1959 أن الجزيئين مرتبطان ارتباطًا وثيقًا.

خلال العقدين التاليين ، تم تحديد تسلسل الميوغلوبين والهيموغلوبين لعشرات الثدييات والطيور والزواحف والبرمائيات والأسماك والديدان والرخويات. كانت كل هذه التسلسلات مرتبطة بشكل واضح لدرجة أنه يمكن مقارنتها بثقة مع الهياكل ثلاثية الأبعاد لمعيارين مختارين - ميوغلوبين الحوت وهيموغلوبين الحصان. والأهم من ذلك ، يمكن استخدام الاختلافات بين التسلسلات من الكائنات الحية المختلفة لبناء شجرة عائلة من الهيموغلوبين وتنوع الميوغلوبين بين الكائنات الحية. وافقت هذه الشجرة تمامًا مع الملاحظات المستمدة من علم الأحافير والتشريح حول الأصل المشترك للكائنات الحية المقابلة.

تم الحصول على تاريخ عائلي مماثل من الهياكل ثلاثية الأبعاد وتسلسل الأحماض الأمينية لبروتينات أخرى ، مثل السيتوكروم ج (بروتين يعمل في نقل الطاقة) وبروتينات الجهاز الهضمي التربسين والكيموتريبسين. يقدم فحص التركيب الجزيئي أداة جديدة وقوية للغاية لدراسة العلاقات التطورية. من المحتمل أن تكون كمية المعلومات ضخمة - بحجم آلاف البروتينات المختلفة الموجودة في الكائنات الحية ، ومحدودة فقط بوقت وموارد علماء الأحياء الجزيئية.

مع تحسن القدرة على تسلسل النيوكليوتيدات المكونة للحمض النووي ، أصبح من الممكن أيضًا استخدام الجينات لإعادة بناء التاريخ التطوري للكائنات. بسبب الطفرات ، يتغير تسلسل النيوكليوتيدات في الجين تدريجيًا بمرور الوقت. كلما كان الكائنان أكثر ارتباطًا ، كلما كان الحمض النووي الخاص بهما أقل اختلافًا. نظرًا لوجود عشرات الآلاف من الجينات في البشر والكائنات الحية الأخرى ، فإن الحمض النووي يحتوي على كمية هائلة من المعلومات حول التاريخ التطوري لكل كائن حي.

تتطور الجينات بمعدلات مختلفة لأنه على الرغم من أن الطفرة حدث عشوائي ، فإن بعض البروتينات تكون أكثر تحملاً للتغيرات في تسلسل الأحماض الأمينية الخاصة بها من البروتينات الأخرى. لهذا السبب ، فإن الجينات التي تشفر هذه البروتينات الأكثر تسامحًا والأقل تقييدًا تتطور بشكل أسرع. إن المعدل المتوسط ​​الذي يتطور به نوع معين من الجينات أو البروتين يؤدي إلى ظهور مفهوم "الساعة الجزيئية". تعمل الساعات الجزيئية بسرعة لبروتينات أقل تقييدًا وببطء لبروتينات أكثر تقييدًا ، على الرغم من أنها جميعًا تتزامن مع الأحداث التطورية نفسها.

يقارن الشكل الموجود في هذه الصفحة ثلاث ساعات جزيئية: لبروتينات السيتوكروم ج ، التي تتفاعل بشكل وثيق مع الجزيئات الكبيرة الأخرى ومقيدة تمامًا في تسلسل الأحماض الأمينية الخاصة بها للهيموجلوبين الأقل تقييدًا ، والذي يتفاعل بشكل أساسي مع الأكسجين والجزيئات الصغيرة الأخرى وببتيدات الفيبرين ، وهي شظايا بروتينية يتم قطعها من بروتينات أكبر (الفيبرينوجينات) عند تجلط الدم. تعمل ساعة الفيبرينوببتيدات بسرعة 1 في المائة من تغير الأحماض الأمينية في فترة أطول بقليل من مليون سنة. في الطرف الآخر ، تعمل الساعة الجزيئية ببطء بالنسبة للسيتوكروم ج ، ويتطلب التغيير بنسبة 1 في المائة في تسلسل الأحماض الأمينية 20 مليون سنة. ساعة الهيموجلوبين متوسطة.

مفهوم الساعة الجزيئية مفيد لغرضين. يحدد العلاقات التطورية بين الكائنات الحية ، ويشير إلى الوقت في الماضي عندما بدأت الأنواع في التباعد عن بعضها البعض. بمجرد معايرة الساعة الخاصة بجين أو بروتين معين بالرجوع إلى حدث ما معروف وقته ، يمكن تحديد الوقت الزمني الفعلي الذي حدثت فيه جميع الأحداث الأخرى عن طريق فحص البروتين أو شجرة الجينات.

هناك خط إضافي مثير للاهتمام يدعم التطور يتضمن تسلسل الحمض النووي المعروف باسم "الجينات الكاذبة". الجينات الكاذبة هي بقايا جينات لم تعد تعمل ولكن يستمر حملها في الحمض النووي كأمتعة زائدة. تتغير الجينات الزائفة أيضًا بمرور الوقت ، حيث تنتقل من الأسلاف إلى الأحفاد ، وتوفر طريقة مفيدة بشكل خاص لإعادة بناء العلاقات التطورية.

مع الجينات العاملة ، فإن أحد التفسيرات المحتملة للتشابه النسبي بين الجينات من كائنات مختلفة هو أن طرق حياتهم متشابهة - على سبيل المثال ، يمكن أن تكون الجينات من الحصان والحمار الوحشي أكثر تشابهًا بسبب موائلها وسلوكياتها المتشابهة عن جينات من حصان ونمر. لكن هذا التفسير المحتمل لا يصلح مع الجينات الخادعة ، لأنها لا تؤدي أي وظيفة. بدلاً من ذلك ، يجب أن تعكس درجة التشابه بين الجينات الكاذبة ببساطة ارتباطها التطوري. كلما كان السلف المشترك الأخير لكائنين أكثر بعدًا ، كلما كانت جيناتهما الكاذبة أكثر تباينًا.

الأدلة على التطور من البيولوجيا الجزيئية ساحقة وتنمو بسرعة. في بعض الحالات ، يجعل هذا الدليل الجزيئي من الممكن تجاوز الأدلة الحفرية. على سبيل المثال ، تم الافتراض منذ فترة طويلة أن الحيتان تنحدر من الثدييات البرية التي عادت إلى البحر. من الأدلة التشريحية وعلم الأحافير ، يبدو أن أقرب أقرباء الحيتان على الأرض هم الثدييات ذات الظلف (الأبقار الحديثة ، الأغنام ، الجمال ، الماعز ، إلخ). أكدت المقارنات الحديثة لبعض جينات بروتين الحليب (بيتا كازين وكابا-كازين) هذه العلاقة واقترحت أن أقرب أقرباء حيتان قد يكون فرس النهر. في هذه الحالة ، زادت البيولوجيا الجزيئية من سجل الحفريات.

الخلق ودليل التطور

يستشهد بعض الخلقيين بما يقولون إنه سجل أحفوري غير مكتمل كدليل على فشل نظرية التطور. كان سجل الحفريات غير مكتمل في زمن داروين ، لكن العديد من الثغرات المهمة التي كانت موجودة آنذاك تم ملؤها من خلال أبحاث الحفريات اللاحقة. ربما يكون الدليل الأحفوري الأكثر إقناعًا للتطور هو اتساق تسلسل الحفريات من وقت مبكر إلى حديث. لا مكان

هل نجد الأرض ، على سبيل المثال ، ثدييات في طبقات العصر الديفوني (عصر الأسماك) ، أو أحافير بشرية تتعايش مع بقايا الديناصورات. تسبق الطبقات غير المضطربة التي تحتوي على كائنات أحادية الخلية بسيطة تلك التي تحتوي على كائنات متعددة الخلايا ، ولا تسبق اللافقاريات الفقاريات في أي مكان تم العثور على هذا التسلسل مقلوبًا. تتشابه الأحافير من الطبقات المجاورة أكثر من الحفريات من الطبقات البعيدة زمنياً. الاستنتاج العلمي الأكثر منطقية الذي يمكن استخلاصه من السجل الأحفوري هو أن النسب مع التعديل قد حدث كما هو مذكور في نظرية التطور.

يجادل علماء الخلق الخاصون بأنه "لم يرَ أحد حدوث التطور". هذا يخطئ النقطة المتعلقة بكيفية اختبار العلم للفرضيات. لا نرى الأرض تدور حول الشمس أو الذرات التي تتكون منها المادة. نحن "نرى" عواقبها. يستنتج العلماء أن الذرات موجودة وأن الأرض تدور لأنهم اختبروا تنبؤات مستمدة من هذه المفاهيم من خلال المراقبة المكثفة والتجريب.

علاوة على ذلك ، على نطاق صغير ، "نختبر" التطور الذي يحدث كل يوم. إن التغيرات السنوية في فيروسات الأنفلونزا وظهور البكتيريا المقاومة للمضادات الحيوية هما نتاج قوى التطور. في الواقع ، فإن السرعة التي يمكن أن تتطور بها الكائنات الحية ذات الأجيال القصيرة ، مثل البكتيريا والفيروسات ، تحت تأثير بيئاتها لها أهمية طبية كبيرة. أظهرت العديد من التجارب المعملية أنه بسبب الطفرات والانتقاء الطبيعي ، يمكن أن تتغير هذه الكائنات الحية الدقيقة بطرق محددة من تلك الخاصة بالأجيال السابقة مباشرة.

على نطاق أوسع ، تطور البعوض المقاوم للمبيدات الحشرية هو مثال آخر على مثابرة الكائنات الحية وقدرتها على التكيف تحت الضغط البيئي. وبالمثل ، أصبحت طفيليات الملاريا مقاومة للأدوية التي استخدمت على نطاق واسع لمكافحتها لسنوات عديدة. ونتيجة لذلك ، فإن الملاريا آخذة في الازدياد ، حيث تحدث أكثر من 300 مليون حالة سريرية من الملاريا كل عام.

تتعارض البيانات التطورية الجزيئية مع اقتراح حديث يسمى "نظرية التصميم الذكي". يجادل مؤيدو هذه الفكرة بأن التعقيد البنيوي هو دليل على اليد المباشرة لله في خلق الكائنات بشكل خاص كما هي اليوم. وتردد هذه الحجج صدى تلك التي ساقها رجل الدين ويليام بالي من القرن الثامن عشر الذي رأى أن عين الفقاريات ، بسبب تنظيمها المعقد ، قد صممت خصيصًا في شكلها الحالي من قبل خالق كلي القدرة. يجادل مؤيدو التصميم الذكي في العصر الحديث بأن الهياكل الجزيئية مثل الحمض النووي ، أو العمليات الجزيئية مثل الخطوات العديدة التي يمر بها الدم عندما يتخثر ، معقدة للغاية لدرجة أنها لا يمكن أن تعمل إلا إذا كانت جميع المكونات فعالة في وقت واحد. وهكذا ، يقول أنصار التصميم الذكي إن هذه الهياكل والعمليات لا يمكن أن تتطور في النمط التدريجي الذي يميز الانتقاء الطبيعي.

ومع ذلك ، فإن الهياكل والعمليات التي يُزعم أنها معقدة "بشكل غير قابل للاختزال" لا تخضع لفحص دقيق. على سبيل المثال ، من الخطأ افتراض أن بنية معقدة أو عملية كيميائية حيوية لا يمكن أن تعمل إلا إذا كانت جميع مكوناتها موجودة وتعمل كما نراها اليوم. يمكن بناء الأنظمة الكيميائية الحيوية المعقدة من أنظمة أبسط من خلال الانتقاء الطبيعي. وهكذا ، يمكن تتبع "تاريخ" البروتين من خلال كائنات حية أبسط. تمتلك الأسماك الخالية من الفك نسبة هيموجلوبين أبسط من تلك الموجودة في الأسماك الفكية ، والتي بدورها تحتوي على هيموجلوبين أبسط من الثدييات.

يمكن أن يحدث تطور الأنظمة الجزيئية المعقدة بعدة طرق. يمكن أن يجمع الانتقاء الطبيعي أجزاء من نظام لوظيفة واحدة في وقت واحد ، ثم في وقت لاحق ، يعيد دمج تلك الأجزاء مع أنظمة أخرى من المكونات لإنتاج نظام له وظيفة مختلفة. يمكن تكرار الجينات وتعديلها ثم تضخيمها من خلال الانتقاء الطبيعي. تم شرح السلسلة الكيميائية الحيوية المعقدة التي تؤدي إلى تخثر الدم بهذه الطريقة.


تنوع أنظمة وآليات عمل CRISPR-Cas

بشكل عام ، هناك فئتان رئيسيتان [64] من أنظمة CRISPR-Cas ، والتي تشمل خمسة أنواع رئيسية و 16 نوعًا فرعيًا مختلفًا بناءً على كاس محتوى الجينات ، كاس هندسة الأوبرا ، تسلسل بروتين كاس ، والعمليات التي تكمن وراء الخطوات المذكورة أعلاه (الشكل 1) [65 ، 66]. يتم تعريف الفئة الأولى من خلال مجمعات المستجيب متعدد البروتينات (Cascade و Cmr و Csm) ، وتشمل الأنواع الأول والثالث والرابع. على وجه الخصوص ، أنظمة النوع الأول هي الأنظمة الأكثر شيوعًا والأكثر انتشارًا ، والتي تستهدف الحمض النووي بطريقة تعتمد على التسلسل وتعتمد على PAM ، مما يؤدي إلى تدمير الأحماض النووية المستهدفة باستخدام بروتين التوقيع Cas3 [26 ، 28 ، 67-71] (الشكل. 2). أدت العديد من الدراسات إلى توصيف كيميائي حيوي وتركيبي مكثف للبروتينات المستجيبة ومجمعات البروتين-DNA-RNA المتورطة في أنظمة CRISPR-Cas من النوع الأول [20 ، 23 ، 24 ، 46 ، 72-77]. وبالمثل ، تحدث أنظمة النوع الثالث بشكل متكرر في العتائق وتتميز بمجمعات Cmr متعددة البروتينات [78-82] أو مجمعات Cmr [16 ، 83-95] التي تعمل بطريقة مستقلة عن PAM ويمكنها شق الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي باستخدام التوقيع Cas10 البروتين مع نوكليازات المستجيب مثل Cmr4 (RNase داخل مجمع Cmr لأنظمة النوع III-B) [85 ، 95] و Csm3 (RNase داخل مجمع Csm للأنظمة من النوع III-A) [81 ، 82]. ومن المثير للاهتمام ، كشفت العديد من الدراسات الحديثة أن أنظمة CRISPR-Cas من النوع الثالث يمكنها بالفعل استهداف كلا نوعي الحمض النووي ، من خلال انقسام الحمض النووي الريبي والنسخ المشترك [80 ، 82]. على وجه التحديد ، تؤدي المواقع النشطة المتميزة داخل مجمع مؤثر البروتين النووي الريبي Cas10-Csm إلى انقسام الحمض النووي الريبي الموجه بالنسخ المشترك وانقسام الحمض النووي الريبي [80]. تعد أنظمة النوع الرابع نادرة إلى حد ما ولا يزال يتعين تمييزها من حيث توزيعها ووظيفتها.

تنوع آلات كريسبر-كاس الجزيئية. توجد فئتان رئيسيتان من أنظمة CRISPR-Cas ، والتي يتم تحديدها من خلال طبيعة نوكليازات المستجيب Cas الخاصة بها ، والتي تتكون إما من مجمعات متعددة البروتينات (الفئة 1) ، أو بواسطة بروتين توقيع واحد (الفئة 2). بالنسبة لأنظمة الفئة 1 ، تشتمل الأنواع الرئيسية لأنظمة CRISPR-Cas على أنظمة النوع الأول والنوع الثالث. يتضح هنا كمثال ، ملف الإشريكية القولونية نظام K12 نوع I-E (اليسار العلوي) أهداف محاطة بـ PAM ذات موقع 5′. يتم إنشاء RNAs الإرشادية بواسطة Cascade ، بطريقة محددة من Cas6 وتحتوي عادةً على مقبض من ثمانية نيوكليوتيد 5 أوم مشتق من تكرار CRISPR ، وتسلسل مباعد كامل ، ودبوس شعر 3 مشتق من تكرار CRISPR. بعد خدش الخيط المستهدف ، فإن نوكلياز 3 إلى 5 Cas3 الخارجي يدمر الحمض النووي المستهدف بطريقة اتجاهية. في ال Pyrococcus furiosus DSM 3638 من النوع III-B (أسفل اليسار) ، يوجه دليل crRNA قصير مجمع Cmr نحو الحمض النووي الريبي التكميلي أحادي الجديلة بطريقة مستقلة عن PAM. للنوع الكنسي II-A العقدية الحرارية نظام LMD-9 (أعلى اليمين) ، دليل ثنائي crRNA-tracrRNA تم إنشاؤه بواسطة Cas9 و RNase III يستهدف تسلسل تكميلي لـ PAM DNA 3′ محاطة لتكوين كسر دقيق مزدوج تقطعت به السبل باستخدام نطاقي نيكاز (RuvC و HNH). بالنسبة إلى فرانسيسيلا نوفيسيدا نظام U112 من النوع الخامس (أسفل اليمين) ، يستهدف دليل واحد من الحمض النووي الريبي dsDNA التكميلي المحاط بـ 5′-PAM باستخدام Cpf1 ، مما يولد استراحة dsDNA متداخلة. تتالي مجمع مرتبط بـ CRISPR للدفاع المضاد للفيروسات ، كريسبر متكرر متناوب قصير متجمع بانتظام بين المسافات ، كرنا CRISPR RNA ، dsDNA DNA مزدوج تقطعت به السبل إل زعيم، NT النوكليوتيدات ، بام عزر المجاور protospacer، سرنا الحمض النووي الريبي وحيد الشريطة ، tracrRNA عبر تنشيط CRISPR RNA

على النقيض من ذلك ، يتم تحديد الفئة الثانية بواسطة بروتينات مستجيب واحد وتشمل النوعين II و V. يتم تحديد أنظمة النوع الثاني من خلال نوكلياز Cas9 الداخلي الشهير [22] ، والذي يتوقف على أدلة crRNA-tracrRNA المزدوجة [30] التي توجه RuvC و HNH Nickase لتوليد فواصل DNA غير حادة في تسلسل الحمض النووي المستهدف المحاط بـ 3 PAM [22، 31–34، 96، 97]. تعد أنظمة النوع V نادرة ، وتتميز بتوقيع Nuclease Cpf1 ، والذي يسترشد بـ crRNA واحد يوجه هذا النواة الداخلية الشبيهة بـ RuvC لتقطيع dsDNA المتداخلة لإنتاج نهايات لزجة في تسلسلات DNA المستهدفة المحاطة بـ 5 ′ PAM [98] .

في الآونة الأخيرة ، أظهرت العديد من الدراسات أنه على الرغم من أن أنظمة CRISPR-Cas تعمل عمومًا في ثلاث مراحل متميزة ، تتضمن عمليات جزيئية خاصة وآلات جزيئية مختلفة من Cas ، إلا أنه يمكن في الواقع اقتران خطوات التكيف والتداخل [48 ، 99-101] ، وهو أمر متسق مع فرضية التمهيدي [48 ، 102-104]. على وجه التحديد ، يحدد الارتباط التفاضلي ما إذا كان يجب تدمير DNA الهدف المتعارف كجزء من مسار التداخل ، أو ما إذا كان يجب توجيه التسلسلات التكميلية جزئيًا نحو مسار التكيف [48]. يعكس اقتران مراحل التكيف والتداخل أيضًا اعتمادهما المشترك على متواليات Cas9 و PAM في أنظمة النوع الثاني [100 ، 101 ، 105] ، وينطوي على نموذج "قص ولصق" بدلاً من "نسخ ولصق" [ 100].

بشكل عام ، يوجد تنوع جيني ووظيفي واسع لأنظمة المناعة CRISPR-Cas في جينومات العديد من البكتيريا ومعظم العتائق. تشمل القواسم المشتركة المناعة المشفرة بالحمض النووي داخل مصفوفات CRISPR التي تنتج RNAs دليلاً صغيرًا ، والتي تحدد أهدافًا خاصة بالتسلسل لـ Cas nucleases والانقسام اللاحق للحمض النووي. العالمية CAS1 و كاس 2 الجينات المتورطة في الحصول على فواصل متوازنة مستقطبة ومتسلسلة وبنية محددة أثناء مرحلة التكيف [106-108] ، موجودة في جميع الأنواع والأنواع الفرعية المميزة في الفئتين الرئيسيتين. على النقيض من ذلك ، هناك تباين كبير بين الفئات والأنواع والأنواع الفرعية فيما يتعلق بطبيعة وتسلسل وهيكل CRISPR RNAs وبروتينات Cas المعنية ، والاعتماد على تسلسل PAM وموقعه ، وطبيعة الحمض النووي المستهدف. إجمالاً ، يوضح هذا التنوع الشامل متعدد الأبعاد لأنظمة CRISPR-Cas ، ووظائفها البيولوجية الأصلية ، والإمكانات النسبية لمختلف التطبيقات التكنولوجية الحيوية والصناعية.

يعكس تنوع أنظمة CRISPR-Cas أدوارها الوظيفية المختلفة. على الرغم من أن الوظيفة الأساسية الراسخة لأنظمة CRISPR-Cas هي المناعة التكيفية ضد العناصر الجينية الغازية مثل البلازميدات والفيروسات ، فإن العديد من الدراسات قد ورطتهم بشكل مستقل في وظائف أخرى ، بما في ذلك التحكم في النسخ الذاتية ، بالإضافة إلى مقاومة الإجهاد ، والإمراضية ، وتنظيم الأغشية الحيوية. تشكيل [63 ، 109-114].

من المتوقع أن تحدد الدراسات المستقبلية الأساس المنطقي لتحيزات التوزيع في مختلف مجموعات النشوء والتطور ، وغياب أنظمة CRISPR-Cas في العديد من البكتيريا ، وكشف الروابط الوظيفية بين المناعة والعمليات البيولوجية الرئيسية الأخرى مثل توازن الحمض النووي وإصلاحه. أحد المعضلات المثيرة للاهتمام حول أنظمة CRISPR-Cas هو غيابها في ما يقرب من نصف الجينومات البكتيرية التي تم تسلسلها حتى الآن ، على الرغم من قيمتها التطورية البديهية. اعتبار آخر مهم هو ما إذا كانت التحيزات الملحوظة في أخذ عينات المباعد الأولية أثناء التكيف مرتبطة بتحيزات الكفاءة لمرحلة التداخل. على وجه التحديد ، لوحظت تحيزات تكيف المباعد مرارًا وتكرارًا في أنظمة النوع الأول [115 ، 116] وفي أنظمة النوع الثاني [105 ، 117] ، مما يشير إلى فواصل الحمض النووي المعتمدة على النسخ المتماثل في شوكات النسخ ، ومواقع تشي والتفاعل مع آلية إصلاح الحمض النووي RecBCD ، ولذا سيكون من المهم تحديد ما إذا كانت هذه تفسر أيضًا تباين كفاءة المباعد أثناء التداخل.


مجموعة الآلات الجزيئية ، معمل الوسائط

فابريزيو جيلين ، زونجلي لو ، مارك ريولت وشوجوانج زانج. سقالات الببتيد ذاتية التجميع في العيادة. الطب التجديدي npj (2021) 6: 9 https://doi.org/10.1038/s41536-020-00116-w. [pdf محلي]

SingTao Daily ، 3 نوفمبر 2020

قد تكون مستقبلات السيتوكينات القابلة للذوبان في الماء والمدمجة مع مجال Fc من IgG علاجًا لعواصف السيتوكين

MIT Media Lab ، 13 مارس 2020

جمعية البروتين ، AAAS ، 12 مارس 2020

يُنظر إلى الدكتور تشانغ على نطاق واسع على أنه مؤسس مجال المواد النانوية الببتيدية. اكتشف فئة من الببتيدات الأيونية التكميلية الذاتية التي تخضع للتجميع الذاتي الجزيئي لتشكيل ألياف نانوية جيدة الترتيب وهياكل غشائية.

الأخبار الكيميائية والهندسية ، 1 ديسمبر 2019 ، المجلد 97 ، العدد 47.

صمم كود QTY مستقبلات كيميائية كيميائية قابلة للذوبان في الحرارة وقابلة للذوبان في الماء مع تقارب يجند قابل للضبط. [حلقة الوصل]

وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم ، 27 نوفمبر 2019

نحن جميعًا علماء صينيون

يصف الباحثون كيف أن الحملة الحكومية على النفوذ الأجنبي تؤثر عليهم بعد بيان دعم من جامعتهم.

مقابلة China Science Communication (باللغة الصينية)

إثارة الاكتشاف: أوراق مختارة من ألكسندر ريتش. تحية إلى ألكسندر ريتش. [رابط] https://doi.org/10.1142/11055 | يناير 2019 الصفحات: 624 التعديل: شوجوانج زانج (معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، الولايات المتحدة الأمريكية)

البحث الذي يحركه الفضول: الفركتلات ورمز QTY محاضرة لطلاب المدارس الثانوية في 2018 Molecular Frontiers Symposium الذي عقد في 16-17 نوفمبر 2018 في MIT Media Lab ، كامبريدج ، ماساتشوستس.

يغير العلماء بروتينات الغشاء لتسهيل دراستها. (مركز بيولوجيا الأنظمة الإنشائية ، 8/29/2018) [رابط]

إن اتباع رمز لمبادلة الأحماض الأمينية يجعل بروتينات الغشاء قابلة للذوبان في الماء. (أخبار الهندسة الكيميائية والأمبيرية ، 8/29/2018) [رابط] [pdf محلي]

يغير العلماء بروتينات الغشاء لتسهيل دراستها (ScienceDaily، 8/28/2018) [رابط] [pdf محلي] (أخبار معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، 8/27/2018) [رابط] [pdf محلي]

أبرز الأبحاث ، 1967-2016. (مكتب نائب رئيس معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، البحوث المؤسسية)
[رابط] [pdf محلي]

تنمية الأعمال التجارية من المختبر (أخبار معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، 02/03/2014)
[رابط الناشر] [pdf محلي]

يستفيد المستثمرون الصينيون من شركات التكنولوجيا الحيوية الأمريكية (مقابلة Nature Biotechnology ، 02/2013)
[pdf محلي]

تسخير الخلايا الشمسية في الطبيعة (أخبار معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، 2/3/2012) [pdf محلي]


يتم تقديم تعريفات AES / AES ، وكذلك المعايير المستخدمة لفرزها في ترتيب زمني وتقسيمها إلى مراحل ، في الملحق SI لـ SSU وفي عملنا السابق (10) لـ LSU. الهوامش بين المراحل غير واضحة إلى حد ما ، وتم تعديل مراحل LSU الأصلية (10) قليلاً هنا لحساب البيانات من SSU. يتم أخذ الهياكل الثانوية لـ LSU و SSU rRNAs من معرضنا العام (apollo.chemistry.gatech.edu/RibosomeGallery/) ، ويتم تعيين البيانات بواسطة خادم الويب RiboVision (23). تم إجراء تحليل ثلاثي الأبعاد لتوسع الأجداد باستخدام ريبوسوم 70S بكتريا قولونية (رمز معرف بنك بيانات البروتين 4V9D) (25). تتوفر معلومات إضافية تدعم نموذج التراكم في الملحق SI, المواد والأساليب.

نخصص هذه المخطوطة لذكرى الأستاذ ألكسندر ريتش. نشكر السيدة سوزان أورث للمساعدة في إعداد الأرقام. تم تمويل هذا العمل جزئيًا من قبل National Aeronautics and Space Astrobiology Institute Grant NNA09DA78A.


أصل الآلات الجزيئية - علم الأحياء

حول عارض الآلات الجزيئية

يتيح هذا العرض التفاعلي للآلات الجزيئية في أرشيف PDB للمستخدمين تحديد هيكل ، والوصول إلى عرض ثلاثي الأبعاد للإدخال باستخدام عارض NGL ، وقراءة ملخص موجز للدور البيولوجي للجزيء ، والوصول إلى إدخال PDB المقابل وعمود جزيء الشهر .

يؤدي النقر فوق الزر "تلقائي" إلى تشغيل جولة آلية للهياكل. سيتم تمييز كل هيكل وسيتم عرض العرض ثلاثي الأبعاد من خلال سلسلة من التغييرات في النمط واللون.

انقر هنا لمشاهدة أو تنزيل النسخة المطبوعة من ملف PDF لهذا الملصق (

المؤلفون: ديفيد س. جودسيل ، الكسندر روز ، ماريا فويغت ، روب لوي

حول أرشيف بنك بيانات البروتين

تبني الخلايا العديد من الآلات الجزيئية المعقدة التي تؤدي الوظائف البيولوجية اللازمة للحياة. بعض هذه الآلات عبارة عن مقصات جزيئية تقطع الطعام إلى قطع قابلة للهضم. ثم يستخدم آخرون هذه القطع لبناء جزيئات جديدة عندما تنمو الخلايا أو تحتاج الأنسجة إلى الإصلاح. تشكل بعض الآلات الجزيئية حزمًا قوية تدعم الخلايا ، والبعض الآخر عبارة عن محركات تستخدم الطاقة للزحف على طول هذه الحزم. يتعرف البعض على المهاجمين ويحشدون الدفاعات ضد العدوى.

يدرس الباحثون حول العالم هذه الجزيئات على المستوى الذري. تتوفر هذه الهياكل ثلاثية الأبعاد مجانًا في بنك بيانات البروتين (PDB) ، وهو المخزن المركزي للهياكل الجزيئية الحيوية. بعض الأمثلة من

يتم عرض 100000 بنية موجودة في PDB هنا مع تمثيل كل ذرة على شكل كرة صغيرة. يتم توضيح النطاق الهائل للأحجام الجزيئية هنا ، من جزيء الماء (H2O) الذي يحتوي على ثلاث ذرات فقط إلى الوحدات الفرعية الريبوسومية التي تحتوي على مئات الآلاف من الذرات.