اعتدنا القول ان الدنا هو مفتاح الحياة لكل ما هو حي لانه يعتبر مجموع الاوامر والرسائل التي تقوم النواه بارسالها الي الخليه ومن ثم تترجم الي البروتينات التي تجعل كل شيئ ما هو عليه لكننا لم ننظر الي الدنا نظرة مختلفة باستخدام اخر وهي قابليه هذا الجزئ لتخزين المعلومات ومعالجه الاوامر كما يفعل الحاسوب تماما ..فكيف يمكن ان تغير تلك النظرة من الكثير في خطوات البشريه ..؟

في البدايه كان الحجر ..

في بادئ التاريخ دون الهومونياندرتال تفاصيل يومهم وحياتهم  علي جدران الكهوف والجبال فكانت بداية تحميل المعلومات علي الحجر ثم تطور الهومونياندرتال الي الهوموسبينس واصبح التدوين اكثر تطورا شيئا فشيئا الي ان صار علي جدران المعابد واوراق البردي ثم اقراص الحديد و ما لبث ان صار اكثر فعاليه وذلك لتضخم المعلومات والبيانات  المتاحه والتي تحتاج الي تخزين فصار في شرائح السيليكون واقراص الكمبيوتر المدمجه

يقول ستيف جوبز في احدي محاضراته الشهيرة-

تخيل ماقد تفعله عندما تمتلك مساحه تخزينيه 8 جيجابايت في جيبك

وفي صورة شهيرة عام 1994 لبيل غيتس بجانب جبل من الاوراق فكان اول اعلان مصور لما يمكن ان يقوم القرص المدمج بتخزينه ..

اما في هذا العصر فلا يمكن ان تتخيل حجم البيانات والمعلومات المخزنه علي حواسيب وقواعد بيانات  خاصه حتي ان المساحه التخزينيه لفيس بوك وصلت الي 300 بيتا بايت والبيتا هي 1000 تيرا والتيرا هي 1000جيجا بايت  ..وفي احدي الاحصائيات اوضحت  ان تلك المساحه تزداد يوميا بمقدار 600 تيرا بايت تخزن علي 60.000 حاسوب متخصص للتخزين ومعالجه الاوامر

يقول ايريك شميت رئيس شركة جوجل تعقيبا علي ظاهرة تضخم البيانات-

منذ فجر التاريخ وحتي عام 2003 انتجت البشريه 5 مليار جيجا بايت من البيانات علي شكل رسومات ووثائق وموسيقي وكتب وغيرها ..اما في عام 2011 تم انتاج 5 مليارات جيجا بايت في يومين فقط..اما في عام 2013 فيتم انتاج 5 مليار جيجابايت في 10 دقائق فحسب واما عن 90% من البيانات الموجودة حاليا فهي نتاج اخر عامين فقط ..

 في كل ساعه تزداد المساحه التخزينيه وقواعد البيانات لذلك نحتاج الي وسيله اخري اصغر لتخزين البيانات بسعه اكبر ..

فما اصغر لدينا من الخلي؟؟ !

لكن قبل الحديث عن امكانيه التخزين علي الحمض النووي وحوسبه الدنا ..كيف يقوم الحاسوب بتخزين البيانات ومعالجه الاوامر ؟

التخزين التقليدي

 جهاز الحاسوب ك اي آله مكونه من اجزاء ومكونات ابسط ف ابسط لتقوم بالعمليات البسيطه  بشكل ادق

وبالتالي فإن لكل مكون وظيفة محدده يمكنه القيام بها

لكن بصورة عامه فالحاسوب يعالج المدخلات علي شريحة تتكون من شرائح ومكونات اصغر كل منها يتكون من عدة بوابات منطقيه تحتوي كلا منها علي ترانزستورات عبارة عن اشباه موصلات سيليكونيه تلك البوابات تمثل احدي الامرين اما (بوابه مفتوحه=1 ) او (بوابه مغلقة =0)  يمثل حجم ذلك الترانزستور 14 نانو متر 

ويتم تخزين البيانات بتحويل تلك البيانات الي ارقام ثنائيه ومن ثم تخزينيها علي صورة بوابات مفتوحه ومغلقة معينه علي القرص الصلب او علي شكل مكثفات مشحونه ومغلقه في الوصلات الذكيه فمثلا عند كتابه نص معين مكون من حرفين ..أ ب ..يتم تحويل الحرفين الي ارقام من 0-9 ومن ثم يتحول هذا الرقم الي الصيغه الثنائيه وهي 0.1 فيأخذ مثلا رقم 1 صيغه 01 وهكذا وبالتالي فإنه يتم تخزينه علي شكل ترانزستور به بوابه مفتوحه واخري مغلقه عند الحاجه اليه يتعرف الجهاز علي تلك البوابات ومن ثم يسترجه المعلومات القديمه

تطورت طرق التخزين الالكترونيه عبر الزمن فصارت اصغر ف اصغر لتلائم مطلبات العصر ولتستوعب اكبر قدر ممكن من البيانات المخزنه بالطرق المختلفة واعتبر هذا تحديا ..لكن حتي تلك اللحظة مازال العالم يعاني من تلك المشكله ..تضخم المعلومات وكبر حجم طرق تخزينها .....

نظرة مختلفة قليلا عن الخليه والحمض النووي..

بداخل كلا منا خلايا تصل الي 100 ميكرومتر
  ..بداخل تلك الخليه جزئ اصغر يتكون من اربعه احرف اساسيه تشكل تتابع الاوامر للخليه بانتاج البروتينات يسمي هذا الارشيف ب النواه والحمض النووي لا يتعدي ال 10 نانو متر
  ..لا يمثل الحمض النووي ارشيف الاوامر للخليه فحسب لكن يقوم ايضا بتنظيم اوامرة الصادرة للخليه وارسال رسائل الي خلايا اخري عن طريق الرنا لالغاء اوامر او لاحداث الموت المبرمج بها ..

فماذا ان استطعنا ان نستخدم تلك الاداة لتخزين اكبر قدر ممكن من البيانات ؟

ماذا لو استطعنا بناء حاسوب يعتمد علي تلك التقنيه ؟

من الممكن ان نستطيع تخزين 400 مليون جيجا بايت علي ممحاة قلم ..وبالتخيل فإننا يمكننا معرفة نشاط خلايا السرطان باكرا وتخزين كامل بيانات العالم في صندوق صغير ...بالكاد يكون دربا من الخيال ..لكن العلماء يمضون قدما في ذلك الطريق ..

كيف يتم هذا الامر ؟ والي اي مدي وصل العلماء فيه ؟

عام 1999 قام علماء في نيويورك بوضع ابجديه مرمزه بالدنا حيث يقابل كل حرف من الابجديه ثلاثيه قواعد من قواعد الدنا ومن ثم قامو بصنع دنا من تلك الرساله واحاطو تلك السلسله بمؤشرات وراثيه لسهوله تمييزه واخفوه في رساله ومن ثم قامو باعادة ارسال الرساله لانفسهم واعادو سلسله تلك اللطخة من الدنا المخبأه في الرساله ووجدو الدنا الذي تم صنعه وعند اعاده سلسلته اكتشفو الرساله المشفرة بداخله ..

بهذة الكيفيه يمكن وضع اكثر من مجرد نص علي محتوي الدنا ففي عام 2012 قام علماء بريطانيون بوضع نظام ثنائي بحيث يقابل كل نيوكلوتيده ثلاث ارقام من النظام الثنائي فمثلا السيتوزين = 001

وبالفعل نجحو في تخزين 739 كيلوبايت علي شريط دنا تحتوي علي جميع قصائد شكسبير وخطاب مارتن لوثر كينج (انا امتلك حلما)

لكن اين يمكن تخزين هذا الدنا ؟

يكمن اختيار الدنا في الاساس علي قدرته علي حفظ المعلومات بداخله اذا تم الاحتفاظ به داخل بيئة معتمه وباردة عوضا عن هذا يمكن انشاء مكتبات الدنا المصنع داخل بكتيريا مقاومه للظروف الصعبه

لكن ما هي التطبيقات الاخري للحوسبة باستخدام الدنا ؟

قبل النظر الي كيف يمكن ان تحل حوسبه الدنا تلك المشكله علينا النظر اولا الي كيف تتم هذه العمليه بالحوسبه التقليديه

كما ذكرنا سالفا فإن جميع البيانات من كتابات وارقام وصور تخزن جميعا عن طريق الصيغه الثنائيه 0.1 ايضا فإن العمليات الحسابيه كالجمع والطرح تتم بنفس الطريقة عن طريق تحويل كل رقم وكل اشارة الي رقم موازي له ومن ثم الي رقم ثنائي ومن ثم تقوم الشرائح والدارات الالكترونيه بالتفاعل فيما بينها لحل تلك المسائل

بالعودة الي الدنا ..

في اغسطس 2016 طور باحثون من جامعه ديوك بالتعاون مع علماء الحاسب طريقه مختبريه لاجراء حسابات الجمع والطرح باستخدام الدنا عن طريق صنع دنا مفرد ودنا مزدوج بنهايه فرديه عند تقابلهما في انبوب اختبار يتفكك الدنا المزدوج ويطلق اشارات وعن طريق خواريزميات يمكن قياس تركيز الدنا المتفكك بتلك الطريقة لكن تظل تلك الطريقة بطيئه الي حد كبير فتستغرق ساعات لاجراء العمليه الحسابيه

بل ايضا عن طريق قياس تركيز المواد المضيئة المنبعثة عن طريق التحام جديلتي دنا يمكن تصميم دارات والتي تعتمد علي مبدأ النظام الثنائي فمثلا لو لم يرتبط الدنا بدنا مكمل له فلن يعطي ايا من المواد الكيميائيه وهجا وبالتالي ان ارتبط فسيعطي وهجا وبتلك الطريقة يمكن تصميم ترانزستورات وبوابات منطقيه بيولوجيه يمكنها اجراء عمليات القسمه والطرج والضرب والعمليات المعقده  بدلا من الحواسيب السيليكونيه التقليديه

ولكن هل هناك بدائل للدنا ؟ البروتين مثلا ؟؟؟

بالطبع فإن البروتين يتكون من 21 حمض اميني مختلف بالاضافه الي قدرته علي احتمال ظروف البيئة اكثر من الدنا مما يؤهله لقياده الجيل الثالث من تلك الحواسيب في المستقبل وان كان العلماء حاليا يعملون علي تطوير هذا النمط من الحواسيب باستخدام تقنيات الارتباط بين الجسم المضاد والبروتين كما ف ارتباط جدائل الدنا ...لكن يظل هذا التطبيق في المستقبل

هل يمكن تخزين هذا الدنا في اجسامنا ؟

.بالمعطيات المتاحه لنا حاليا فهذا صعب نسبيا في الوقت الراهن لكن بتطور تقنيات حفظ ومعالجه الدنا يمكننا في المستقبل حفظ شرائح الدنا في اجسامنا بطريقة آمنه ولا تؤثر علي المعلومات بداخله وهذا لان درجة حرارة اجسامنا بالاضافه الي الجهاز المناعي وغيرها من العوامل ستؤثر علي هذا النظام لاسيما انه يعمل بالطاقة الحيويه

--

حسنا ما عيوب تلك الثورة ؟

علينا ان ندرك ان مثل كل ثورة علميه تبدأ في المختبر تحتاج الي الكثير من الوقت والتطوير لتلائم السوق التجاري وتنجح في تغيير المستقبل

فمثلا بالنظر الي سلسله الحمض النووي بدأت في سبعينيات القرن الماضي وكانت لا تتعدي سلسله قطع صغيرة من الدنا حتي اصبحت الان ما هي عليه فيمكنك الان معرفه تتابع حمضك النووي كاملا بتكلفه 1000 دولار فقط ..

بالعودة الي تلك الثورة الجديدة فتكمن عيوبها في تكلفة صناعة دنا صناعي وادخاله داخل خليه او نظام حيوي وحفظة بالاضافه الي البطئ النسبي في اجراء العمليات المطلوبه منه ..لكن بالنظر الي التطور العلمي الذي يشهدة حاضرنا فمن غير المدهش ان نجد بعد اعوام قليله وربما شهور جهاز حاسوب كامل يعمل بالدنا الصناعي ..

وبالنظر الي مزايا تلك التقنيه مستقبلا فهي تعد طوق نجاه العالم من الكثير من المشاكل التي تتعلق بتخزين البيانات والاحتفاظ بها الي اكبر وقت ممكن ناهيك عن سلامتها النسبيه في كونها ماده (وإن خلقت صناعيا ) فهي ماده حيويه بالاضافه الي صغر حجمها الذي قد يمكننا في المستقبل بحمل مساحه ضخمه من البيانات في نقطه مياه (إن جاز التشبيه ) داخل زجاجه صغيرة داخل حقائبنا .

--

ثورة اخري تبدأ لتغير كل شيئ مجددا ..!

بم ان البدايه كانت عند الحجر ثم تغيرت قواعد اللعبه عندما انضم السيليكون الي الثورة ليحدث تغييرا سريعا في مجريات معالجه وتخزين البيانات ..وبم ان الامور صارت تؤول الي الاصغر فالاصغر فيبدو ان عصرنا الحالي يشهد استخدام اصغر جزء يمكن التخزين عليه ...الالكترون ..فكيف يمكن ؟؟

ثم احدث الالكترون ثورة اخري ..

نتحدث هنا عن الحواسيب الكوانتيه وهي الجيل الجديد من الحواسيب التي تستخدم احتماليات الالكترون بدلا من نظريه الصيغه الثنائيه التي يعمل بها اغلب الحواسيب التقليديه فيستخدم مثلا الحاسوب التقليديه (البت) في تخزين قيمه الصفر او الواحد ..لكن الحاسوب الكوانتي يستخدم قيمه الكيوبت وهي احتماليه ان يعطي الالكترون قيمه 1 او صفر طالما لم يتم قياسه او تحديده او تغيير اتجاهه ..وباستخدام العديد من نظريات الفيزياء الكميه في قياس حالات الكترونين مرتبطين معا وفي حاله تشابك كمي فعندما يكون الكترونين في حاله تشابك كمي ويتم قياس احدهما يغير الاخر من صفاته لتتناسب عكسيا مع صفات الاخر ..

وبالتبسيط فإن هذا النوع من الحواسيب يقوم باستخدام الخصائص المميزة للالكترون في معالجه وتخزين البيانات عن طريق التحكم في احدي الالكترونين المتراكبين (المتشابكين ) عن طريق فوتونات الضوء او فلترات خاصه

لكن مازال العمل والبحث حاليا في هذا الاتجاه وذلك لانه بالغ الصغر وعالي الكفائه مما قد يمكنا من اجراء العمليات المعقدة والتي لا يستطيع الحاسوب العادي اجرائها (كالمحاكاه داخل الجزيئات وغيرها ) فهو يستبدل الترانزستورات العاديه باخري اصغر حجما قد تكون في حجم 5 ذرت

ولم يقتصر السعي في الفيزياء الي هذا الحد فحسب فحاليا يتم العمل علي تصنيع حواسيب تقوم باستبدال الالكترونات داخل الحاسوب العادي بالضوء مما له من خصائص مميزه اخري

--

ختام ..

يسهم التقدم التكنولوجي في تضخم البيانات ويسهم التقدم البيولوجي في زيادة معرفتنا بالحمض النووي وخصائصه ومدي العمل علي الاستفاده القصوي منه فعندما يتم العمل علي حل مشكله تخزين البيانات فمن غير المتوقع تخيل ما قد يمكن تخزينه في قطرة مياه وحيدة داخل عبوه صغيرة عن طريق صناعه دنا يتم قرائته علي حاسوب وفك شيفرته مما سيؤدي الي تغيير المستقبل فيما يتعلق بتلك التقنيه وغيرها من التقنيات التي تعمل علي الاستخدام الفعال لكل ما هو حيوي في مجال الحوسبه والاستفاده منه قدر علي اكبر قدر ممكن

يمثل تسلسل الحمض النووي او ال(DNA) كتاب الاوامر والرسائل لجميع الكائنات الحيه فهو يحتوي علي مجموع الاوامر التي تمثل الحياه لأي خليه (تاريخها ..حاضرها ومستقبلها)

لذلك فإن معرفه تسلسله وفك شيفرته يعد ثورة في علوم الطب والاحياء علي وجه الخصوص

لهذا دأب العديد من العلماء علي وضع تقنيات لفك شفرة تسلسله التي ستؤدي الي معرفه الاوامر المشفرة والمترجمه الصادرة منه ليس هذا فحسب ولكن فك لغز تاريخ الاحياء التطوري علي الارض وقد تسابق العلماء علي مر الزمن لتطوير تقنيات معرفه التسلسل ونشهد هذا العصر علي تقدم لم يشهده ايا من العصور السالفه في مجالي الطب والتكنولوجيا ..

لكن كيف بدأ التسلسل Sequencing ؟

قبل ان نذهب الي بدايات عصر التسلسل الجيني genome sequencing لابد من ان نعرف ان التسلسل مر بثلاث مراحل اساسيه

الجيل الاول first generation sequence

ويشمل التقنيات البدائيه في معرفه تسلسل الحمض النووي مرورا بتقنيه سانجر و shotgun sequencing وغيرها حتي بداية ظهور عصر التتابع الجديد وبزوغ نجم الجيل الثاني او التالي من السلسله

الجيل الثاني (next generation sequence (NGS

وهو اشهر نظام معتمد حالي في تقنيات التتابع  الجيني

الجيل الثالث third generation sequence

وهو مستقبل معرفة التتابع  الجيني  في العالم حيث بدأت كبري معامل العالم في استخدام وتطوير تقنياتها لتواكب تلك الطفرة الجديدة التي ستوفر العديد من الوقت والجهد بدلا من سابقتها

متطورة اكثر ..دقيقه اكثر ..سريعه اكثر هذا هو عنوانها

وفي هذا المقال نستعرض بنظرة خارجيه مفهوم ومراحل تطور الـ NGS

--

كيف بدأ الsequencing ?

لم يكن جديدا لعلماء الاحياء تطوير تقنيات لمعرفة تسلسل الجينوم فمنذ اكتشاف تركيب الحمض النووي علي يد واطسون وكريك عام 1953 بدأ سباق البحث والعمل لمعرفة تسلسل هذا المركب ولكن حتي عام 1965 كانت الجهود الاوليه تدور حول معرفة تركيب النيوكلوتيدات وليس ترتيبها او تتابعها وكانت اغلب التقنيات تدور اما حول انزيمات القطع والربط البكتيريه او الطرق البدائيه الخاصه بالكيمياء الحيويه حتي حصل د روبرت هولي مع زميليه علي جائزة نوبل في الطب لاكتشافهم (الريبي الناقل لبروتين الالانين alanine tRNA ) واستطاعتهم اكتشاف تسلسل ال (tRNA)لهذا البروتين من خلال ابحاثهم علي نوع من الخميرة المنتجة له وقد استخدم ذات الاسترتيجيه التي استخدمها فريدريك سانجر الذي احدث ثورة بتقنيته الحديثة حينها في المعلوماتيه الحيويه بما يعرف ب تفاعل سانجر _Sanger reaction ) عام 1977 ولم يكن سانجر الوحيد الذي عمل علي تطوير تقنيه تسهل من آليات  معرفه تتابع الDNA  لكن سبقة العالم الصيني ray wu الذي ينسب اليه الفضل في تطوير تقنيه التتابع الجيني حتي يومنا هذا لعمله علي طريقه البادئ الممتد(primer-extension method) التي تعد اولي تقنيات ال(sequencing)ومساهماته في مشروع تسلسل الحمض النووي البشري  human genome project

اضافه الي والتر فيرز(Walter Fiers) الذي يعتبر اول من قام بسلسله حمض نووي لبكتريوفاج(Bacteriophage MS2) ومن بعده بات جليا اهميه تطوير تلك التقنيه فبدأ فريدريك سانجر العمل علي تطويرها منذ ذلك الحين

فما هي تقنيه تفاعل سانجر ؟

تقنيه تفاعل سانجر sanger reaction

كانت تعتمد تقنيه سانجر علي 4 خطوات اساسيه

تبدأ بتكسير الدنا الي اجزاء او قطع اساسيه ثم فك الشريطين بالحرارة واخذ الشريط المكمل كأداه للسلسله ثم اضافة بادئ الي اجزاء الdna

وتبدأ الخطوة التاليه بتحضير 4 اوساط تحتوي علي مكونات (انزيم بلمرة dna(dna polymerase ) وجزيئات معلمة- كل وسط يحتوي علي نوع معين من القواعد المعلمه - من قواعد الدنا ونيوكلوتيدات dna حرة ) ثم يتم اضافة القطع الي الاوساط المختلفة

وتركها فترة تسمح بتكرار الدنا من خلال انزيم البلمرة

ثم تاتي المرحله الثالثه وهي اضافه المزيج الي هلام الاجاروز وامرار التيار الكهربي عليه لفصله بناء علي وزنه الجزيئي وبناء علي وزن القواعد الجزيئي تهاجر اقل القواعد وزنا الي الاسفل بينما يصعب علي اثقلها الهجرة فتظل في الاعلي

اما المرحله الاخيرة فهي تحليل المعلومات ومعرفه سلسله الدنا المراد وتكون من خلال قراءة المعلومات علي الهلام بشكل صحيح فتتم القراءة من اقلها وزنا الي اكثرها وهكذا كما في الشكل ..

--

سمحت تقنيه سانجر للعديد من العلماء فك تشفير تتابعات الحمض النووي للفيروسات والبكتيريا والعديد من حقيقيات النواه كالانسان والنبات ولعل اعظم خطوة خطاها المجتمع البشري في هذا الصدد هي مشروع الجينوم البشري human genome project الذ تم انجازة قبيل موعده المحدد نتيجة لتقدم تقنيات معرفه التتابع في فترة وجيزة .وبالعودة الي سانجر فلم يكتف بهذا الانجاز الذي حاز به علي جائزة نوبل ولكنه كذلك قام بتطوير التقنيه مرات عديدة تبعه فيها العديد من العلماء وبتطور تقنيات الحاسوب صار حتميا تطور هذا الفرع من المعلوماتيه الحيويه ليصير اكثر دقة ويحل جيل جديد علي تلك التقنيه وهوNGS

فما هو وكيف اختلف عن سابقة ؟

يمتاز الجيل الجديد بانه اعلي كفائه ودقه من سابقه لانه يعتمد اعتمادا كليا علي الحاسوب كذلك فهو يمتاز بالانتاجيه العاليه حيث كان سابقة ينحصر سلسلته بين 800-1000 قاعده فقط ناهيك عن انه كان يعتمد علي الكفائه البشريه والمواد الكيميائيه اكثر منه علي الحاسوب مع ارتفاع نسبه الخطأ ومع ارتفاع الانتاجيه للجيل الجديد سمح للكثير من العلوم المتعلقة بالظهور الي السطح بعد ان كانت مستحيله فيما مضي

والان بعد ان استعرضنا الفروق بين الجيل الجديد والجيل الاول

كيف يعمل الجيل الجديد NGS ؟

تمر اليه سلسله الدنا في الجيل الجديد علي ثلاث مراحل اساسيه

اولا معالجة المدخلات sample preparation

 وتشمل تحضير محتوي dna المراد معرفه تتابعه

وتبدأ عن طريق عمل مكتبات ال(dna)dna library عن طريق قص ال  dnaالمراد سلسلته وربطة مع adapters

ثانيا emulsion – المضاعفه   

من خلال تلك المرحله نستخدم تقنيه bridge pcr  لمضاعفه عدد القطع المستخدمه في العمليه ثم نقوم بتحميل العينه الي الجهاز الخاص بالتعامل معها حسب التقنيه او الطريقة المستخدمه مثل جهاز illumena

data outputثالثا -  

واخيرا يتم معالجه النواتج التي تكون عباره عن مجموعه من المعلومات عن تتابع الدنا مخزنه علي علي clusters

--

الطرق المختلفة في الجيل الجديد ngs methods

تختلف الطرق التي تتم بها عمليه معرفه التتابع  في الجيل الجديد وتحاول كل طريقة منهم تلافي نسبه اخطاء التي تسبقها حتي تصل الي اعلي مستويات الدقه في قراءة التتابعات

pyrosequencing

تعتمد فكره هذه الطريقة علي اطلاق وميض من الضوء عند التحام كل نيوكلوتيده مع التي تقابلها فمثلا تختلف نسبه وميض الضوء عند التحام الثيامين بالادنين عن الجوانين بالسيتوزين وهكذا تلتقط حساسات خاصه هذا الاشارة وتقوم بتحويلها الي قراءة علي الجهاز ..فيقوم العلماء بوضع dnaعلي الجهاز ومعه تلك المركبات الخاصة باعطاء الاشارة (Luciferin protein ) مع نيوكلوتيدات وانزيم الربط ligase ومن ثم عند التحام النيوكلوتيدات يتم ارسال اشاره الي الجهاز

لكن مع ارتفاع نسبه الخطأ و زيادة تكلفة تلك الطريقة اضطر العلماء الي تطوير طريقة اخري في نفس الجيل

sequencing by synthesis

وتعتمد تلك الطريقة علي صبغه خاصه ترتبط بكل قاعده فتكون مميزة لها تعطي اشارة مضيئة مميزة عند الارتباط بالقاعده التي تليها ومع انها تلافت الخطأ التي ارتكبته الطريقة السابقه وزيادة تخصصيتها في قراءة تتابعات القواعد فانها اهملت نسبه الخطأ المتعلقة بالاله في قراءة الطول الموجي المناسب لذلك كان حملا علينا استخدام طرق اخري

semi conductor

وتعتمد تلك الطريقة علي استخدام موصل يحتوي علي الدنا متصل بمستقبلات وحساسات تستطيع قراءة التغير في محتوي البي اتش في الوسط وبذات الكيفيه عند ارتباط قاعده من القواعد المحمله علي الجهاز باخري محمله علي dna تنطلق ذرة هيدروجين الي الوسط مما يغير من البي اتش ..كانت تلك الطريقة اعلي كفائة وادق قراءة لكنها كانت مكلفة ومجهده في الوقت ذاته لذلك يستمر الباحثون في تطوير تقنيات الجيل الجديد

TGS – Third generation sequencing

مع التطور السريع الذي تشهده التكنولوجيا في عصرنا الحالي كان لزاما استحداث طريقة اكثر دقه لذلك لجأ العلماء الي third generation sequencing

ويشمل هذا جهاز smart او Single-Molecule Sequencing in Real Time

الذي يستطيع قراءة ما يقرب من 10-15 kilobases في زمن وجيز بدقة تصل الي 99% وبهذا يمكن الحصول علي التسلسل الكامل لاي كائن حي في مده اقصر وبدقة اسرع

--

تطبيقات الNGS

تلك الثورة التي ستغير الكثير من اشكال حياتنا المعتاده بدايه من الطب الشخصي self-medicine  الذي سيقلل من فرص الاصابه بالعديد من الامراض ويحسن فرص بقائنا  اصحاء علي وجه الارض لمده اطول مرورا بالتشخيص الدقيق والفوري للجينوم الكامل  للعديد من مسببات الامراض مما يساعد علي تحسين فرص فهمها والقضاء عليها وكذلك فهم متعمق اكثر للخريطة الجينيه للانسان تلك التي تعد بحرا لا نحصي منه الا ما نري من الشاطئ .ولكن كل هذا يعد مستقبلا باهرا استحق العديد من مطوري تلك التقنيه جائزة نوبل للتمهيد له ..اما نحن الان بصدد تلك النقله التي غيرت الكثير من فهمنا لتكوين الانسان وتفاعلات محتواه الجينومي ..اعني بهذا ..مشروع الجينوم البشري ..HUAMN GENOME PROJECT

مشروع الجينوم البشري – Human genome project

منذ بدايه الثمانينيات طمحت وزارة الطاقة الامريكيه الي معرفه كامل الخريطة الجينيه للبشر مما سيحقق الفهم للعديد من الامراض والظواهر ولضمان الامان الانساني لتجنب الاخطار المتعلقه بتحورات الجينوم وطفراته المميته لذلك في بدايه 1990 قام المعهد الوطني للصحه الامريكي باطلاق مشروع يطمح الي فك كامل الشفرة الوراثيه للانسان وقد خصصت ميزانيه ثلاثه بلايين دولار بتشارك العمل في مختبرات اكثر من 18 دوله  لهذا المشروع الذي قدر له ان ينتهي بعد خمسة عشر عاما وكان هذا التقدير يعود الي بطئ التقنيه المستخدمه حينها (تفاعل سانجر ) وطول المحتوي الجيني للانسان ..ولكن جائت المفاجئة بان ينتهي العمل في هذا المشروع قبل خمس سنوات من الوقت المحدد وهذا يعود الي تطور تقنيات سلسله الحمض  النووي  مما قام بتسريع المشروع الي ان ظهر في صورته النهائيه عام 2003

وصار الان مسموحا لك بمعرفه سلسله حمضك النووي خلال اسبوع علي الاكثر بتكلفه لا تتعدي ال1000 دولار وهذا بفضل الجيل الجديد ودقته ..

وجدير بالذكر ان الكائنات الحيه التي تم سلسلتها في خلال الفتره ما بين 2000 الي 2014

سلسله الميتاجينوم

في العاده يتم تعريف علم الميتاجينوم بانه مجموعه التقنيات التي تستهدف تحليل جينومات مستعمرة بكتيريه او تجمع بكتيري دون الحاجه الي اللجوء الي طرق تقليديه صعبه وهذا ما استطاع الجيل الجديد توفيرة حيث فتح الباب الي عدد لا حصر له من المعلومات عن تلك الجينومات بما في ذلك مدي تشابهها وصله قرابتها وخريطتها التطوريه والنظم الجينيه المتحكمه بها والملايين من المعلومات عن الجينات البكتيريه واستخداماتها

--

RNA SEQUENCING (TRANSCRIPTOME)  سلسله الرنوات

وهنا يشمل محتوي المسح والسلسله ليس الرنوات الفعاله والقابله للترجمه فحسب ولكن كذلك الرنوات المشفرة والغير قابله للترجمه والتي تمثل اما عمليات تنظيميه او دفاعيه داخل الخليه او خارجها وتمثل تلك الرنوات المشفرة حلقة الوصل بين الخلايا تاره وحلقة الدفاع عن الخليه ضد الفيروسات تارة اخري او عمليات تنظيميه لايقاف عمل جينات تاره ثالثه

مما يضمن لنا ليس فهما فقط لابعاد الخليه التي لا تزال غامضه مهما تعمقنا بها ولكن ايضا استخدام تلك الرنوات بصورة مصنعه لاغراض طبيه وغيرها ..

 وفي النهايه يمكننا القول ب ان الجيل الجديد استطاع ان ينقل العالم الي عصر المعلومات المتاحة والدقيقه والسريعه بعد ان كان يلاقي صعوبات التكلفه والكفائة والوقت المهدر مما سمح لنا بفهم اوسع للجسم البشري والطبيعه المحيطة علي حد سواء

"الحمض النووي هو بمثابة برنامج حاسوب لكنه اكثر تقدما من أي برنامج اخر تم انشائه "
بيل جيتس

بيتم تعريف الDNA  علي انه شفرة الحياة او مخزن الاكواد والاوامر الي بتاخدها الخليه وتترجم علي أساسها الشكل المظهري والوظايف والصفات الحيوية ككل ...لكن بداية من 1983 بدء النظر للDNA  من اتجاهات تانيه مختلفه خاصه مع نشر اول ورقة بحثيه بيتم النظر فيها للDNA  علي انه ورقه ممكن يتم طيها وتشكيلها زي فن الأوريجامي الياباني "dna lattices and junctions" وكانت بتحتوي مبادئ فكرة طي الDNA  علي أي شكل انت عاوزة او حابه وتطبيقات الفكرة دي قدام ..وبقي اسم التقنيه والأسلوب ده DNA" Origami " نسبة لفن طي الورق الياباني .

بكل بساطة بيكون عندك شريط مفرد طويل من ال DNA  بنسميه scaffold  او سقاله ودي هي الي هنطويها او نشكلها وبعد كدة بنجيب تسلسلات قصيرة شويه اسمها Staples دي هي الي بتمسك في الشريط الطويل المفرد ده في أماكن محددة عشان تشكله وتلفه وتطويه للشكل الي انت عاوزة وعلي حسب كل شكل انت عاوزة تقدر تغير أماكن ال staple  

طب ازاي بنحدد تتابع القواعد الصغيره دي وازاي بنحدد اماكنها وحتي أي بيكون تتابع الشريط المفرد الطويل؟

في الأول في برامج عشان ترسم عليها شكل الي انت عاوزة في الاخر زي CadNaNo ده انت بترسم عليه الشكل الي انت عاوزة علي انه ال scaffold  في الأول وبعد كدة بتقوله ضيف الstaples  في الأماكن الي تسمح للتسلسل الي انت حطيتهوله انه يتلف علي الشكل الي انت رسمته وبالتالي هو عن طريق خوارزميات بيحط التسلسلات اللازمة في الأماكن اللازمه وبيطلعلك التسلسلات دي في الاخر مع اماكنها كمان .. وبعد كدة بتقدر تتأكد من الشكل بتاعك من قابليه حركته او الاستقرار الخاص بيه  عن طريق برامج تانيه ومواقع تانيه كتير ..

بس السؤال المهم هنا ..ماشي انا شكلت الشكل الي انا عاوزة بس ده ممكن يفيد البشريه ازاي ؟

بدأت الأبحاث تشتغل علي تطبيقاته في توصيل الدواء  لانه مش بس غير مثير للمناعه واضرارة اقل بكتير من أي حامل تاني كمان لانه بيكون في حجم النانو فبيكون فعاليته في توصيل الدواء فعاله اكتر من أي vacuole  تانيه بالاضافه طبعا لزيادة تخصصيته للخلايا  ده غير الأبحاث الي شغاله علي ال DNA Origami  كBiosensor  للمركبات المختلفه لما بيشيل علي سطحة أنواع بروتينات او تسلسلات بتتعرف علي مواد معينه في الوسط المحيط بيها وتدي اشاره في حين وجود المواد الضاره دي وغير طبعا استخدام اشكال ال DNA origami  كاداه للسلسله (nanopore) بشكل فعال وبشكل ارخص وادق من أي شريحه تانيه .. وطبعا غيرها كتير من التطبيقات

بس هل في عيوب وتحديات ؟

طبعا في عيوب من ضمنها ان لسه التكلفه نسبيا عاليه بالنسبه لبعض الباحثين وان استقرار الDNA Origami  في الجسم  بيكون ضعيف مع درجات الPH  المختلفه  وبيتكسر بسرعه ..لكن في امل لان من كام يوم اتنشر بحث بيحاوط ال DNA origami  بنوع من ال peptide  الي بتقدر تحافظ عليه أطول فتره ممكنه في الجسم محافظ علي الدواء بداخله وخاصه 48 ساعه مقارنه بالDNA  الي مكنش متحاط بالPeptide

اعتقد ان لسه المقياس الجزيئي لسه قادر انه يبهرنا كل فتره بالتطبيقات الي بتحل المشاكل المختلفه حوالينا بشكل فعال وترجعنا تاني لاستخدام الطبيعه ..

  انواع اللقاحات

هنا حابب اتكلم عن انواع ال Vaccines  المختلفه الي تم صنعها وتجريبها ضد فيرس كورونا SARS-Cov2 وهم لغايه دلوقتي (حسب ما اعرف وحسب ما خدت من المصدر وصلو ل ازيد من 90 تقريبا .. ) وتقدر ترجع للمصادر في اول كومنت ..وطبعا متنساش الشير عشان الدعم وعشان ننشر ثقافه الوعي ..

عشان ندخل في حوار اللقاح ففي كام معلومه لازم نكون عارفينها ك اساسيات

الاول ازاي الجسم بيتعامل مع الفيرس او اي ممرض او اي جسم غريب بيدخل

اساسيات في المناعه :

اول ما الفيرس بيدخل جوا الجسم ويبدأ باصابه الخلايا وعدده يكتر نسبيا في نوع من خلايا الجهاز المناعي اسمها APCs  او Antigen presenting cells  ودي للتبسيط بتهضم الفيرس وبتحط علي سطحها زي شعار كدة يقول لخلايا تانيه شكل الفيرس اي ..زي خلايا ال T-Cell  والي بتفعل ال B-Cell  الي بتنتج الاجسام المضادة للفيرس Antibody  ..

يبقي انا كدة محتاج اعمل اي ؟؟ محتاج اما بروتينات الفيرس نفسها اوصلها للجسم من غير ما تعمله ضرر بس تكون كافيه لتحفيز المناعه .. او اني اوصل للخلايا دي order  شكل الفيرس اي ..

ال antibody  الي بينتج في الاخر ده اسمه (مصل) والجسم الي بيحفز مناعه الجسم اسمه (لقاح )

عندي كذا طريقه للقاح اقدر اصنعه بيهم وده بسبب تطور ال molecular biology  بشكل طفري اخر كام سنه

1- الفيرس نفسه

في حاله اني بستخدم الفيرس نفسه كلقاح فبيكون اما حي او متضعف او غير فعال

وفي انواع اللقاحات دي مبيكونش اللقاح امن بنسبه كبيرة لانه ممكن اما ان الفيرس يرجع تاني لحالته الشرسه او انه ميكونش كافي انه يحفز جهاز المناعه

النوع التاني انا هنا بدخل اوامر الفيرس نفسه لل APCs

2- mRNA based vaccine

بدأ التجارب السريريه علي اللقاح ده يوم 16/3/2020

في معهد Kaiser Permanente Washington Health Research Institute في سياتل في US علي 45 متطوع بالغ أعمارهم بين 18-55 سنه لمدة 6 أسابيع من يوم 16/3..اسم اللقاح mRNA-1273 بيعتمد علي mRNA vaccine technology والي فيها بتحمل mRNA    (او الرساله الي بتترجم لبروتين)  متجمع جواه الانتيجن الخاص بالفيرس الي عاوز تعمل ضده (في حالتنا دي اختاروا spike protein  )لقاح من الجسم وبتحمل ال mRNA ده جوا  vacuole  بتوصله لخلايا ال  APCs

 (وللتبسيط هي نوع من الخلايا مسؤوله انها تشيل معلومات الفيرس للخلايا المتخصصه عشان تنتجلها اجسام مضاده )وهناك بيترجم للانتجين الخاص بالفيرس وبتتكمل عمليه ال immunization عادي جدا للقاح ..احيانا معدل انتاج البروتين في الخليه مبيبقاش كافي لتحفيز المناعه فعشان كدة لازم ياخد وقته في التجارب السريريه عشان نتاكد انه هيحفز الجهاز المناعي ولكنه بيكون امن جدا مقارنه بانواع لقاحات تانيه

3-  DNA based vaccine

احيانا العمليه بتضم حاجه من اتنين يا اما بتدخل جين من الي انت عاوز تعمله لقاح جوا  بكتريا مش ممرضه للبشر وتحقنه بالشخص السليم فيكون مناعه ضده  وهنا  انت بتحط الجين ده علي بلازميد (جزء DNA  حلقي بيقدر يعبر عن نفسه) وتدخله جوا الخليه البكتيريه او مباشرة جوا ال APCs  

4- Viral-vector vaccines

في بقي طريقه تالته بيتم استخدام فيرس مش هو الفيرس بتاعي الاصلي بس الفيرس ده اما انه مقتول بردو او انه مش ممرض للبشر اصلا ازاي ؟؟

 يوم 7/ ابريل اتنشر في مجله الجمعيه الامريكيه للميكروبيولوجي -American Society of Microbiology- اقترحوا لقاح واعد بشكل كبير في ورقة بحثيه ضد فيرس كورونا المستجد .استخدموا فيرس اسمه parainfluenza virus 5 (PIV5) بيصيب الكلاب وبيسببلهم حاله من السعال الجاف ولكنه مش بيصيب البشر بطبيعه الحال .
.عدلوا علي الجينوم الخاص بيه وضافو عليه جين Spike protein الخاص بالMERS كتجارب اوليه كأقرب اقارب SARS-COV2 وفي لقاح تاني استخدمو فيه فيرس معدل وراثيا بيصيب الشمبانزي (التعديل بحيث يكون غير ممرض للبشر او لا يستطيع التضاعف داخل الخليه البشريه )

 5- protein based vaccine

هنا في الحاله دي انا بستخدم بروتينات الفيرس مباشرة اما عن طريق اني اعزل البروتين الي انا هدخله الجسم لوحدة .. او اني اعمل حاجه اسمها virus like protein  او VLP   

وهنا بيكون اللقاح عباره عن ال Coat  الفيروسي بس من غير اي حمض نووي جواه عشان ميكونش ممرض بالنسبه للجسم

الطريقه دي كانت بتستخدم علي مجال واسع جدا في الابحاث عشان نعرف ميكانيزم الفيرس جوا الجسم في ال models  الي بنستخدمها فكنا نقدر نضيف علي ال vlp  بروتينات فلوريسنت ونطلع بيانات كويسه عن مسارات تحركه وكدة وهتلاقو صور ابحاث كتير (تحفه فنيه فعلا معموله بالvlp )

الاختصار

ال molecular biology  خلت سرعه تطوير اللقاح تشكل طفرة بشكل كبير جدا في فهمنا وتعاملنا علي ارض الواقع

الفصل الثالث : المصل واللقاح

كتعريف لكليهما

اللقاح:

§        إدخال الفيرس بصورة مضعفه كيميائيا  او مقتوله حرارايا  داخل الجسم الغير مريض بهدف تحفيز المناعه علي تكوين ذاكرة طويله الامد للممرض

Ø طويل المدي ويدوم مدي الحياة

Ø     يمكن ان يكون له عدة صور اما بروتينات الممرض او الممرض ذاته او DNA  يحتوي علي معلومات الممرض

المصل:

§        إدخال الاجسام المضادة التي كونها الجسم المتعافي الي الجسم لمحاربه الفيرس

Ø  قصيرة المدي ويمكن ان تستمر لعدة اسابيع الي شهور

Ø  يعطي للمريض في صورة بلازما او لغير المريض للوقايه

قد تكون انواعه :

o       مصل بشري : يستخرج المصل البشري من دم المتعافين من المرض

o       امصال بيولوجيا جزيئية : يتم عمل المصل عن طريق البيولوجيا الجزيئيه من خلال ادخال تتابع الجسم المضاد الي نظام يتم التعبير عنه  وانتاجه بشكل تجاري بعد ان يتم معرفه تتابع الجسم المضاد او تخمينه عن طريق برامج خاصه

o       Phage display : يتم ادخال تتابع الجسم المضاد الي جينوم فيروس   phage ومن ثم يتم عمل library يتم اختيار منها ال phage  المحتوي علي بروتين الجسم المضاد القادر علي التخلص من الفيرس ومن ثم يتم انتاجة واكثاره

الفصل الثالث

اللقاحات المتوفرة حاليا

ضرورة اننا نتكلم عن اللقاحات المتوفرة حاليا وانواعها بتكمن في محاربه الشائعات المنتشرة بسبب المتحدثين من غير المختصين وناشري الخرافات علي مواقع التواصل والي هنتكلم عنها اكتر في الفصل الجاي .. الشائعات دي لسبب او اخر بتقول متاخدوش لقاح . متاخدوش لقاح .. طب والعواقب الي هتترتب علي ده ؟ لو اصاب حد مننا الفيرس ؟ حد من ذوي الاولويه ( مرضي الامراض المزمنه) لو جاله الفيرس من عيلتك مين هيكون مسؤول ساعتها ؟

لو حسيت انك مش عارف مصطلح معين من المصطلحات الي هنتكلم عنها في نوع كل لقاح من دول ارجع تاني للفصل الثاني عشان تكون فاهم الدنيا تمام

لقاح Johnson & Johnson   الامريكي

وهو نوع من لقاحات الفيروسات النواقل او Viral-vector vaccines والي فيه بيتم وضع حمض نووي ل البروتين الشوكي او Spike  الخاص بفيروس كورونا داخل فيروس آمن وفي الحاله دي الفيروس ده هو فيروس الادينوفيرس adenovirus  خاصه النسخه المعدله وراثيا منه Ad26   والي اتعدلت عشان تكون آمن عشان متعبرش عن بروتين E1  والي بيضعف كتير من الفيرس . جدير بالذكر ان النوع ده من الفيروسات النواقل تم استخدامه قبل كدة في 2020 كلقاح للملاريا وفيروس زيكا وفيروس الايبولا وكانت مستوي الفعاليه(  66.3% ) والامانيه كويسه زي ما ذكر الReview  في 1 اكتوبر 2020 كما ان اللقاح ده بيمتاز نوعا ما بانه رخيص التكلفه نسبيا مقارنه باللقاحات التانيه تقريبا 10$ للجرعه الواحدة وده نفس كميه احتياجك من اللقاح ( جرعه واحدة ) غير انه فعال بنسبه 72 %ضد سلاله بريطانيا وامريكا المتحورين الجدد وبنسبة 57% ضد سلاله جنوب افريقيا

عيوبه :  لكن للامانه العلميه فمنظمة الصحة العالمية FDA  اوصت بايقافه مؤقتا يوم 13 ابريل 2021 وده بسبب حالات نادرة تسبب فيها بجلطات دمويه ل 6 حالات تلقوا اللقاح

لقاح سينوفاك او SinoVac  الصيني

وهو من انواع لقاحات الفيروسات المعطله او ال  inactivated من خلال مادة كيميائية اسمها   beta -propiolactone ويعتبر من اللقاحات القويه لانه ادي فعاليه كويسه ضد السلالات المتحورة من فيروس كورونا اذا كانت بريطانيا او جنوب افريقيا حسب ال  globaltimes كما ان اللقاح ده بيتاخد منه جرعتين خلال 3 اسابيع