المراحل الأولى
علم الأحياء الجزيئي أو البيولوجيا الجزيئية هو قصة جزيئات الحياة وعلاقاتها، وكيفية التحكم في هذه التفاعلات. ارتكز التاريخ المبكِّر لعلم الأحياء الجزيئي إلى حدٍّ كبير على البحث عن طبيعة الجزيئات التي تنظم الحياة، وقبل كل شيءٍ على هوية المادة الوراثية. وثمة فكرتان رئيستان على وجه الخصوص هما ما كانا بمثابة مصدر الإلهام لبداية رحلة البحث في الطبيعة الجزيئية للعوامل القابلة للانتقال وراثيًّا، التي تُوفر استمرارية الحياة.
في البداية، قدَّم كلٌّ من تشارلز داروين وألفريد راسل والاس في منتصف القرن التاسع عشر حُجَجهما الداعمة لنظرية التطوُّر عن طريق الانتقاء الطبيعي. وقدَّم داروين أمثلةً كثيرة استمدَّها من تجاربه التي أجراها وهو يُبحر حول العالم على متن السفينة «إتش إم إس بيجل». ولعلَّ أحد أبرز هذه الأمثلة الثلاثة عشر نوعٌ من العصافير التي اكتشفَها داروين، ولا تُوجَد إلا على جُزر جالاباجوس. بعد وصول نوعٍ واحد من العصافير إلى هذه الجزر المنعزلة قبل ما يقرب من مليونَين ونصف مليون عام، تطور هذا النوع إلى ثلاثة عشر نوعًا جديدًا عن طريق الانتقاء الطبيعي. فقد اختلفت مصادر الغذاء على كل جزيرةٍ وعدَّلت العصافير حجم مناقيرها وشكلها وفقًا لذلك، فصارت إما حادَّة ومُدببة لالتقاط الحشرات، وإما قصيرة وقوية لالتقاط البذور وثمار الجوز. وكانت الجزر بعيدةً بعضها عن بعض بما يكفي، ما حال دون حدوث تزاوُج بين الأنواع المختلفة؛ لذا، وبمرور الوقت، طوَّرت كل جزيرةٍ أنواعًا خاصة بها من العصافير. أدرك داروين أن توارُث الصفات المميزة كان ضروريًّا لإعمال الانتقاء الطبيعي، بحيث ينتُج عنه مثل هذه التكيُّفات. ولإحداث التشعُّب التطوُّري للعصافير، لا بد أن يكون الآباء قادِرِين على نقل سماتٍ وراثية مُستقرة إلى نسلِهم. وتعَدُّ القدرة على نقل السمات إلى الأجيال اللاحقة أحد أحجار الزاوية في علم الأحياء الجزيئي الحديث، ولكنها في ذلك الوقت كانت تتعارَض مع الأفكار المعاصِرة القائلة بأن النسل كان مَزيجًا من سمات الوالدَين فحسب، وأن الوراثة تنطوي على مزيجٍ من الصفات الوراثية. ولو كان هذا صحيحًا، لأُعيقت عملية التطوُّر، إن لم تستحِل تمامًا. فقد كان المزج حينها سيَعني أن السمات الأفضل أيًّا كانت، ستختفي عبر الأجيال اللاحِقة بفعل التخفيف.
توصل مندل إلى حل للمعضلة التي واجهت داروين بإثباته أن المادة الوراثية لا تمتزج عند انتقالها للأجيال اللاحِقة. وكان هذا الاكتشاف اكتشافًا ذا أهميةٍ عظيمة. فقد أكد هذا الاكتشاف أن المعلومات الخاصة بصفةٍ بعينها دائمًا ما تكون موجودة في الفرد حتى لو لم تظهر ماديًّا في جيلٍ بعينه. ولكن ماذا كانت طبيعة عوامل أو عناصر مندل؟ كان لا بدَّ من الانتظار حتى عام ١٩٠٢ للتوصُّل إلى إجابة لهذا السؤال، عندما أعاد كلٌّ من تيودور بوفيري ووالتر ساتون، كلٌّ على حِدة، اكتشاف عمل مندل. ففي أثناء عمله على دراسة تطور قنافذ البحر، عرَّف عالم الأحياء الألماني بوفيري الكروموسومات باعتبارها أدوات النقل الوراثية التي تُماثِل في سلوكها سلوك «عوامل» مندل. وعلى الرغم من أن أول من صاغ مصطلح «كروموسوم» لأول مرةٍ كان هاينريش فالداير في عام ١٨٨٨ — والذي اشتُقَّ من الكلمة اليونانية التي تعني «الجسم الملون»؛ نظرًا لأنه يمتص الصبغات بسهولةٍ ويتلطَّخ بشدة — فقد كان بوفيري أول من أدرك أهمية الكروموسومات. فقد اكتشف أن الخلايا الجسدية تحتوي على مجموعتَين من هذه الكروموسومات، بينما تحتوي الخلايا الجنسية على مجموعةٍ واحدة. احتوت نواة الحيوان المنوي الذَّكَري والبويضة الأنثوية على كمياتٍ متكافئة من المادة القابلة للانتقال وراثيًّا. وبما أن كلًّا منهما يحتوي على نصف عدد الكروموسومات الجسدية، فقد استنتج أن الكروموسومات هي التي تحتوي على هذه المادة الوراثية. وأشار إلى أن الكروموسومات لم تكن متشابهة؛ نظرًا لضرورة وجود مجموعة كاملة منها من أجل حدوث عملية التكاثر.
في غضون الوقت الذي اكتشف فيه بوفيري الكروموسومات تقريبًا، صار واضحًا أن قوانين مندل لا تنطبق فقط على البازلاء، بل على جميع الكائنات الحية، بما فيها البشر. وقدَّمَت أشجار نسب العائلات المصابة بأمراضٍ وراثية أول دليلٍ على الجينات البشرية. وتشمل الأمثلة أمراضًا مثل مرض هنتنجتون، والبَرَص (المهق)، والحثل العضلي الدوشيني، وعمى الألوان، والهيموفيليا، على سبيل المثال لا الحصر.
اكتشاف الحمض النووي
في ذلك الوقت، لم يكن النيوكلين يُعتبر مرشحًا مناسبًا كي يكون المادة الوراثية محلَّ البحث، وتم تجاهُله، إلى حدٍّ كبير، عدة عقود. ولكون البروتينات أكثر تعقيدًا، اعتُبِر أنها هي التي تحمل الشفرة الجينية. بعد مرور ما يقرب من تسعين عامًا على اكتشاف ميشر، نجح جيمس واطسون وفرانسيس كريك في عام ١٩٥٣ أخيرًا في حَسْم هوية المادة، وتوصَّلا إلى أنها الحمض النووي مع اكتشافهما لِبنيتِه اللولبية المزدوجة.
على الرغم من أن اكتشاف واطسون وكريك في عام ١٩٥٣ قد أشاد به البعض مثل برينر باعتباره البداية لعلم الأحياء الجزيئي، فإن البحث المنهجي عن الأساس الجزيئي للحياة قد بدأ جدِّيًّا في الثلاثينيات، مع ظهور تقنيات جديدة للتحليل والفصل. ويُنسَب أول استخدام لمصطلح «علم الأحياء الجزيئي» إلى وارن ويفر، الذي كان آنذاك مديرًا لقسم العلوم الطبيعية في مؤسسة روكفلر، والذي قدم المصطلح لأول مرة في عام ١٩٣٨. كان علماء الكيمياء الحيوية يسعون إلى فهم كيمياء الوظائف البيولوجية؛ لذا مهَّدوا الطريق لاكتشاف تقنيات الفصل لعزل الجزيئات المعنية. كذلك طُوِّرت طرق لإحداث اضطرابٍ خفيفٍ في الخلايا بغرَض تحرير العُضيات مثل النُّوِي والميتوكوندريا. وعلى أثر ذلك أمكن بعد ذلك فصل المكونات الجزيئية لهذه العضيات باستخدام تقنياتٍ تستفيد من الفروق في شحنة الجزيئات أو حجمها. عُزِلَت مُركبات جديدة وتم تحديد تركيبتها ووظيفتها. وجاء في مقدمة الجزيئات البيولوجية التي خضعت للدراسة، البوليمرات الثلاثة الرئيسة للحياة: الحمض النووي، والحمض النووي الريبي، والبروتين. ولكن كيف تنتقِل المعلومات الجينية فيما بينها؟ كان لا بد من انتظار الإجابة حتى ستينيات القرن الماضي.
جاءت الخطوة المهمة التالية نحو حلِّ اللُّغز في الأربعينيات من خلال العمل البحثي لكلٍّ من أوزوالد أفيري وكولين ماكليود وماكلين مكارثي بمعهد روكفلر بنيويورك. فقد بَيَّنوا أن الحمض النووي، وليس البروتين، هو الذي يمكن أن ينقل عوامل الضراوة في البكتيريا، وهذا ما دفعهم إلى اقتراح الحمض النووي باعتباره الجزيء القابل للانتقال وراثيًّا. غير أنه في ذلك الوقت كان المجتمع العلمي على وجه العموم لا يزال بحاجةٍ إلى الإقناع. فقد كان البعض مُترددًا في التخلي عن فكرة أن البروتينات فقط هي التي تمتاز بالتعقيد الكافي لحمل الشفرة الوراثية. في عام ١٩٥٢، أظهر ألفريد هيرشي ومارثا تشيس — اللذان كانا يعملان على دراسة الفيروسات التي تُعرَف باسم العاثيات، والتي تهاجم البكتيريا — أن الحمض النووي للفيروس هو الوحيد الذي يدخل إلى البكتيريا ويُشَفَّر للحصول على سلالة فيروسية جديدة. وخَلُصا إلى أن الشفرة الوراثية كانت في الحمض النووي وليس البروتين. وصار الميل لاعتبار الحمض النووي هو الجزيء الناقل للمعلومات الجينية في ازدياد. فالحمض النووي، في النهاية، يكمُن في نواة الخلية، والنواة هي وجه المساهمة الأساسي للحيوانات المنوية الذكرية في البويضة المخصَّبة.
من الحمض النووي إلى المبدأ الأساسي لعلم الأحياء الجزيئي
إلى البادئة ٣
(تشير العلامة «
» إلى مصطلح «البادئة»)، بينما يمتد الثاني في
اتجاه البادئة ٣
إلى البادئة ٥
. يشير مصطلح البادئة إلى ذرَّات الكربون في سكر
البنتوز، والمُرقمة من واحد إلى خمسة. وقد نشر واطسون وكريك
بنيتهما للحمض النووي في عام ١٩٥٣ (انظر شكل ١-٣).
بمجرد فَهم البنية اللولبية المزدوجة القواعد للحمض النووي، أصبح واضحًا أنه مصدر المادة الوراثية؛ وذلك من خلال حمله الشفرة الجينية وحفاظه عليها. يجب أن تكون المادة الوراثية أيضًا قادرةً على التكرار الصحيح في كل مرة تنقسِم فيها الخلية. وجزيء الحمض النووي مثالي لذلك. فهو ينسخ نفسه من خلال فصل شريطَيْه مَتبوعًا بنَسْخ كل منهما بالضبط عن طريق اقتران القواعد، لإنتاج جزيئَين متطابقَين من الحمض النووي.
في أوائل الستينيات حدَّد كلٌّ من سيدني برينر وفرانسوا جيكوب وماثيو ميسيلسون آلية التعبير الجيني التي يُحوِّل بموجبها الحمض النووي معلوماته إلى بروتينات. واقترحوا وجود رابط أو مرسال من الحمض النووي الريبي، بين الحمض النووي المنقوص الأكسجين للنواة وآلية تخليق البروتين في السيتوبلازم. وقد أثبتوا وجود الحمض النووي الريبي المرسال من خلال دراسة فيروس يصيب نوعًا من أنواع البكتيريا. يَصنع الفيروس حمضًا نوويًّا ريبيًّا من جينومه الذي يرتبط بمصانع تخليق البروتين لدى الكائن المضيف لإنتاج البروتين الفيروسي. يجب أن يكون الحمض النووي الريبي «الوسيط» هو الجزيء الذي يحمل الشفرة من الحمض النووي إلى موقع تخليق البروتين.
على الرغم من أن علم الأحياء الجزيئي لم يكن قد ظهر بعد في عام ١٩٥٣ مع اكتشاف واطسون وكريك لبنية الحمض النووي، فإن توضيح ماهيته زوَّد اختصاصيِّي علم الأحياء الجزيئي بالأدوات والتقنيات التي دفعت العلم إلى الأمام. فكل المعلومات المطلوبة لتكوين إنسانٍ موجودة في خلية واحدة. وتقوم الجزيئات المكونة لهذه البويضة المخصَّبة بتنظيم النمو، وتحافظ على الحياة، وتسمح بالتكاثر، وفي النهاية تُنفذ عملية فناء الفرد. علم الأحياء الجزيئي هو علم دراسة الطريقة التي تعمل بها الجزيئات لتنظيم الحياة. ومن اللافت للنظر أن الجزيئات والمبادئ نفسها تكمُن في لُب كلِّ علوم الحياة؛ وهذا لأنها تتحكم في الآلية الأساسية لعمل الخلايا. يُعنى مجال البيولوجيا الجزيئية بالجزيئات الكبيرة؛ مثل الأحماض النووية والبروتينات والكربوهيدرات والدهون وعلاقاتها المتداخِلة الضرورية للحياة نفسها. وقد أتمَمْنا في هذا الفصل الجزء الأول من رحلتنا في علم الأحياء الجزيئي، فتناولنا تطور الأفكار والتقنيات التي أدَّت إلى الاكتشاف المحوري لبنية الحمض النووي. مهَّد هذا الاكتشاف الرائد الطريق لنقلةٍ نوعية في مجال علم الأحياء الجزيئي.
