توالی یابی ژن های چسب عنکبوت بطور استثنایی می توانند منجر به کنترل آفات ارگانیک شوند.
محققان برای اولین بار توالی های دو ژن از ژن های چسب عنکبوت را به طور کامل تعیین کردند. چسب عنکبوت، فرم اصلاح شده ی ابریشم عنکبوت است که شکار را در تار عنکبوت گیر می اندازد. از این ژن‌ها نه تنها در کنترل ارگانیک آفات، بلکه در موارد بیشتر دیگری نیز می توان استفاده کرد.
سارا استلواگن، همکار فوق دکترا UMBC و همکارش ربکا رنبرگ در آزمایشگاه تحقیقات ارتش برای اولین بار توالی های کامل دو ژن را که در عنکبوت ها باعث تولید چسب می شوند، منتشر کردند. چسب عنکبوت در واقع ورژن اصلاح شده و چسبناک ابریشم عنکبوت است که شکار عنکبوت را در تار عنکبوت نگه می دارد. این یافته ها در حوزه ژن ها، ژنوم ها و ژننتیک کاربرد بسیار دارد.
روش ابداعی که آنها به کار گرفته اند می تواند راهی باشد تا دیگران بتوانند توالی های بیشتری از ژن های ابریشم و چسب را که به خاطر طول و ساختار های تکراری در توالی یابی چالش برانگیزند را بیابند. فهم بهتر این ژن ها می تواند دانشمندان را به پیشرفت های بعدی در حوزه ی بیومتریال نزدیک تر کند.
محلول های چسبناک
ابریشم عنکبوت ماده ای است که تار عنکبوت از آن تشکیل شده است، این ابریشم به خاطر قدرت کشسانی غیر معمول همراه با انعطاف پذیری زیاد، برای سال ها به عنوان دستاوردی بزرگ درحوزه بیومتریال سر و صدا به پا کرد.
بیش از ۴۵ هزار نوع شناخته شده از عنکبوت ها وجود دارند که هر کدام مابین یک تا هفت نوع ابریشم تولید می‌کنند. با وجود چندین توالی یابی جزیی، ساختار کامل ژنتیکی ابریشم عنکبوت کمتر شناخته شده است و تنها حدود ۲۰ توالی ژنی به صورت کامل توالی یابی شده اند. استلواگن می گوید: “۲۰ ژن در مقایسه با چیزی که در بیرون وجود دارد بسیار محدود است.”
به علاوه اثبات شده است که تولید ابریشم عنکبوت در مقادیر گسترده دشوار است. عنکبوت ها قطره های مایع ابریشم را طی پروسه های پیچیده داخل بدنشان به فیبر های دوک مانند جامد تبدیل می کنند. دانشمندان می‌توانند ابریشم مایع را تولید کنند، ولی نمی توانند پروسه تبدیل مایع به جامد را در مقیاس بزرگ صنعتی شبیه سازی نمایند.
استلواگن می گوید: “در حالیکه تولید چسب عنکبوت چالش های خاص خود را دارد، اما به این دلیل که چسب عنکبوت هم در داخل و هم در خارج از بدن عنکبوت مایع است، این تفاوت ممکن است باعث تولید راحت تر شدن تولید چسب نسبت به ابریشم عنکبوت در آزمایشگاه شود.”
استلواگن پتانسیل بالایی برای کاربرد های چسب عنکبوت به عنوان کنترل آفات ارگانیک می بیند. او می گوید: “اینگونه مواد برای به دام انداختن حشرات شکل گرفتند.”
به طور مثال کشاورزان می توانند این چسب را روی دیوار انبار ها برای محافظت دام‌هایشان از حشراتی که دام‌ها را می گزند و یا سبب بیماری می‌شوند، اسپری کنند و بدون هیچگونه نگرانی از آلودگی راه های آب با حشره کش های خطرناک، این چسب ها را از دیوار ها پاک کنند. همچنین آن ها می‌توانند به همان صورتِ خالص از چسب برای محافظت محصولات از آفات استفاده کنند. همچنین این چسب را می‌توان در محیط‌هایی که پشه های بیماری‌زا شایع هستند استفاده کرد.
ژن غول آسا
قبل از کار استلواگن و رنبرگ که توسط آزمایشگاه تحقیقاتی ارتش اعتبار بخشیده شده بود، طولانی‌ترین ژن ابریشمی با حدود ۲۰ هزار جفت باز، توالی یابی شده بود. زمانی که استلواگن این پروژه را شروع کرد، با توجه به چیزی که از توالی یابی فرا گرفته بود، انتظار داشت که توالی ژن های چسب را به سرعت مرتب و تکمیل کند؛ اما دو سال طول کشید تا او و رنبرگ توانستند این توالی را تکمیل کنند.
استلواگن می گوید: “در نهایت این ژن غول آسا بیش از دو برابر ژن ابریشم قبلی طول داشت.” مسیر طولانی و بسیار سختی بود تا آنها توانستند به توالی ژنی به طول ۴۲ هزار جفت باز دست پیدا کنند. به علاوه در آخرین مرحله رسیدن به این توالی، ریسکِ تکنیک در واقع بریدن لبه این ژن بود، که در نهایت پس از طی تمامی این مراحل توالی کامل شناسایی شد.
نه تنها ژن به طور استثنایی طویل بود، بلکه مانند ژن ابریشم عنکبوت از تعداد زیادی توالی های یکسان تکراری با جفت بازهای A، T، G و C در وسط توالی تشکیل شده بود. تکنیک های توالی یابی مدرن (که “توالی یابی نسل بعدی” نامیده می شود)، با تولید توالی‌های DNA برای تمامی ژن های ارگان ها انجام می شود، ولی در نهایت به تکه های کوچک بریده می‌شوند. در مرحله آخرِ این توالی یابی، درست مانند حل کردن پازل، دانشمندان باید انتهای قسمت های کوتاهی را که با هم همپوشانی دارند با هم جفت کنند تا توالی کامل مشخص گردد.
با این وجود، اگر ژن شما دارای توالی های تکراری باشد، شما نیاز به یک تک توالی و یا توالی خوانش دارید که قبل از انتهای بخش تکراری وجود داشته باشد، تا بتوان بوسیله آن تعداد توالی تکراری که در ژن وجود دارد را مشخص کرد. اگر ناحیه تکراری شما نسبت به ژن های چسبی که استلواگن و رنبرگ مطالعه کردند طویل تر باشد، این احتمال که شما بتوانید آنطور که باید ژن را بوسیله ی تکنیک توالی یابی نسل بعدی بخوانید، بسیار کم است.
خوشبختانه تکنیک های توالی یابی “نسل سوم” در حال حاضر قابل دسترس هستند. توالی یابی نسل سوم خواندن توالی های طولانی تر اما به تعداد کمتر را برای ما فراهم می‌کند. شما تنها با تکرار بیشتر آزمایش توانایی خواندن درست تعداد توالی های تکراری را که در نهایت توالی های کامل ژن را تعیین می کنند، دارید. استلواگن می‌گوید: “این آزمایش بسیار چالش برانگیز می‌باشد و مانند سوزنی در انبار کاه است.” اما انجام شدنی است.
بعد از دو سال بررسی و پیدا نکردن نتایج کارآمد، استلواگن و رنبرگ در نهایت خوانش درست و مورد نیاز برای مشخص نمودن توالی کامل ژن را به دست آوردند.
استلواگن هم اکنون به فکر آینده است که چه چیزی پیش خواهد آمد. او می پرسد: “اکنون که ما شیوه پیدا کردن کامل توالی ژن های ابریشم را داریم، ابریشم گونه های دیگر به چه شکل خواهد بود؟”
استلواگن می گوید: ” من بسیار هیجان زده ام که بالاخره توانستم این پازل را حل کنم، در حالیکه چالشی بسیار بزرگتر از انتظار من بود. در نهایت ما چیز های بسیاری آموختیم و من بسیار خوشحالم که توانستیم نتیجه این تحقیق را منتشر کنیم و کار را برای نفر بعدی که سعی در فهم یک ژن دارد بسیار راحتتر کنیم.”
منبع این تحقیقات دانشگاه مری لند بالتیمور می باشد.
