تطور موجه

الخطوة الأولى في تنفيذ دورة من التطوُّر الموجَّه هي إنشاء "مكتبة" من الجينات المختلفة، بحيث يكون مجال التسلسل العشوائي شاسع ومكثَّف جداً، ولا يمكن للتطور التجريبي ولا الطبيعي أن يقترب من تحقيق عينات تسلسل بهذا العدد الهائل الذي يُحقِّقه التطوُّر الموجَّه، وبطبيعة الحال فإنَّ متواليات متغايرة للتطوُّر الطبيعي تقترب من متواليات البروتينات الوظيفيَّة وهذا ما يتمُّ تقليده في التطوُّر الموجَّه عن طريق تطفير جين فعَّال مسبقاً، يمكن تطفير الجين البدء انطلاقاً من نقطة معيَّنة عن طريق المُطفِّرات الكيميائيَّة أو التقنيَّات الأخرى[11] ، ويمكن محاكاة إعادة تجميع الجينات عن طريق خلط الحمض النووي باستخدام الإدخال والحذف بواسطة الترانسبوزونات[12]، لتحقيق منهج أكثر تركيزاً يعتمد على المعرفة الهيكليَّة والوظيفيَّة سوف تختلف مكتبة الجينات المُنتجة في نسبة المتغيرات الوظيفيَّة التي تحتوي عليها، وإذا ما استخدمنا كائناً حيَّاً للتعبير عن هذه الجينات فإنَّ التغيُّرات الموروثة في ذلك الجين ستبقي بقيَّة جينات الكائن الحي متماثلة بمعنى آخر فهي توفِّر بيئة وراثيَّة ثابتة ومستقرِّة.

كما هو معروف تكون غالبيَّة الطفرات ضارَّة ولذلك فإنَّ مكتبات المُتغيِّرات تميل في الغالب إلى المتغيِّرات ذات النشاط المنخفض[13]، وهكذا سيكون اختبار الإنتاجيَّة العالية أمر حيوي لقياس النشاط الهادف للعثور على المتغيِّرات النادرة مع الطفرات المفيدة التي تحسِّن الخصائص المرغوب بها، توجد طريقتان رئيسيَّتان لعزل المتغيِّرات الوظيفيَّة: حيث تقوم أنظمة الانتقاء مباشرةً باختيار البروتينات الوظيفيَّة لبقاء الجين بينما تقوم أنظمة الفرز بفحص كل متغيِّر على حدة وتسمح بوضع حد كمِّي لفرز المتغيِّرات التي تؤدي للنشاط المرغوب، يمكن القيام بالانتقاء والفرز في الخلايا الحيَّة في الكائنات الحيَّة، أو بشكلٍ مباشر على البروتينات أو الرنا بدون الحاجة لوجود أي خلايا حتى في المختبر.[14][15]

خلال تطور الكائنات الحية يتمُّ تحويل بعض الجينات أو تغييرها ضمن الخليَّة الحيَّة مع الحفاظ على جميع الجينات الأخرى على حالها، يؤدي هذا التنسيق إلى اختيار خصائص معيَّنة ضمن البيئة الخلوية وهو أمرٌ مفيد عندما يستخدم البروتين المطوَّر أو الحمض النووي الريبي في الكائنات الحيَّة، أمَّا عندما يحدث التطوُّر الموجَّه في المختبر وليس في الكائن الحي فإنَّه يستخدم طريقة النسخ المختبرية لإنتاج البروتينات أو RNA في محلول صناعي مُعد خصيصاً لهذا الغرض، وبالطبع تكون هذه الطريقة أكثر فائدةً لأنَّها تحمل تنوُّعات أكثر وتحكُّم أكثر في الظروف التطوريَّة ويمكن القيام بالتجارب كذلك على البروتينات السامَّة للخلايا الحيَّة، بالإضافة لذلك يمكن لتجارب التطوُّر في المختبر أن تولِّد مكتبات تغيُّرات أكبر بكثير من تلك التي يمكن أن تحصل ضمن الخلايا الحيَّة في البيئة الطبيعيَّة والتي غالباً ما تكون محدودة.

تعتبر تقنية الاختيار بسيطة إلى حدٍّ ما حيث يُثبَّت الجزيء المستهدف على دعامة أو ركيزة معيَّنة حتى يتمُّ تدفُّق سلسلة من البروتينات المتباينة فوقه، فتعزل البروتينات غير المرغوب بها ويحتفظ بالتغيُّرات المتبقَّة لعزل جيناتها[16]، بواسطة هذا المنهج يتمُّ اختيار دورة واحدة من التحفيز من خلال جعل نشاط الأنزيم ضرورياً لبقاء الخلية على قيد الحياة إمَّا عن طريق تعديل مستقلبات حيوية أو تدمير مادة ضارة أو سامة، وهكذا يصبح نشاط الأنزيم هو عامل بقاء للخلية الحيَّة[17][18]، بالرغم من أنَّ أنظمة الاختيار هذه محدودة الإنتاجيَّة ولكنَّها أقل تكلفة، من جهة أخرى يصعب عادةً هندستها واستخلاص المعلومات عن الأنشطة الموجودة ضمن مكتبة المتغيِّرات بواسطتها.

نظام التحري والكشف والفرز هو بديل لطريقة الاختيار التي تمَّ شرحها سابقاً، في هذا النظام يتمُّ التعبير عن كلِّ جينة مختلفة بشكل فردي ومعايرتها لقياس النشاط كميَّاً ثمَّ يتمُّ ترتيب المتغيِّرات ويقرِّر المُجرِّب أي المتغيِّرات سيستخدمها كقوالب للدورة القادمة من دورات التطوُّر الموجَّه، وعلى الرغم من أنَّ معظم الفحوصات المستخدمة في نظام التحري والكشف تكون عادةً أقل تغطية من الناحية الكمية عند مقارنتها بطريقة الاختيار والعزل ولكنَّها تتمتَّع بميِّزات فريدة من نوعها لأنَّها تعطي معلومات تفصيلية عن كل متغيِّر من المتغيِّرات، ويمكن كذلك استخدام هذه البيانات المُصنَّفة والمفروزة لتمييز الأنشطة وتوزيعها وهو أمرٌ غير ممكن في أنظمة الاختيار البسيطة، وهكذا نجد أنَّ أنظمة الفرز لها مزايا هامَّة وخصوصاً عندما يتعلَّق الأمر بتوصيف تجريبي للتطوُّر التكيُّفي والتناسب مع البيئة المحيطة.

حقَّق التطور الموجَّه نجاحات هامَّة عند استخدامه كأداة لهندسة البروتينات وتعديلها، وكان الأفضل والأكثر نجاحاً في ثلاثة مجالات على وجه التحديد:

• تحسين الاستقرار الحيوي للبروتينات من أجل الاستخدام الحيوي التكنولوجي في درجات الحرارة المرتفعة أو عند استخدام مذيبات شديدة.[23][24]
• زيادة التقارب بين الأجسام العلاجيَّة المضادة [42]، وزيادة نشاط الأنزيمات المُصمَّمة.[25]
• تغيير خصائص الركيزة التي تربط الأنزيمات الموجودة للاستخدام في الصناعة غالباً.[26][27][28][29]

تعتمد أبحاث التطور الطبيعي بشكلٍ تقليدي على الكائنات الحيَّة وجيناتها، ولكنَّ هذه الأبحاث تبقى محدودة بشكلٍ أساسي بسبب عدم وجود الحفريات التي تحتوي على سلاسل DNA القديمة، بالإضافة للمعرفة المنقوصة بالظروف البيئيَّة القديمة.

أمَّا التطوُّر الموجَّه فيدرس آليَّات التطوُّر ضمن نظام جيني خاضعة للرقابة الدقيقة على الأنزيمات المُفردة وطرق النسخ المتماثل[30][31]، على غرار التطوُّر التجريبي لحقيقيَّات النوى[32][33][34] ، وبدائيَّات النوى[35]، والفيروسات[36]، بالإضافة لذلك يسمح التطوُّر الموجَّه بالسيطرة على الضغوط التطوريَّة الانتخابيَّة، ومعدَّل الطفرات، وظروف البيئة المحيطة، وتشمل الظروف البيئة غير الحيَّة (مثل درجة الحرارة) والظروف البيئيَّة الحيَّة (الجينات الأخرى في الكائن الحي).