چگونه اطلاعات روی DNA ذخیره می‌شوند؟

DNA، نام مولکولی در بدن انسان است که تمام اطلاعات مربوط به هر فرد در آن ذخیره شده است.

شاید تا کنون از شگفتی‌های DNA شنیده باشید، از جمله این که DNA توانایی بسیار بالایی در ذخیره‌سازی اطلاعات دارد، تا حدی که تعدادی از دانشمندان در بررسی‌های خود به این نتیجه رسیده‌اند که تمام اطلاعات موجود در کره زمین را می‌توان در چند گرم DNA ذخیره کرد. به‌راستی این توانایی عظیم DNA در ذخیره‌سازی اطلاعات از کجا سر چشمه می‌گیرد؟ با مجله‌ی دانستنی کیمازی همراه باشید تا از پنجره علم نگاهی داشته باشیم به DNA و با شگفتی‌های این ماده بیشتر آشنا شویم.

ساختار DNA

پیش از هر چیز بهتر است با ساختار DNA (دئوکسی‌ ریبونوکلئیک‌ اسید) آشنا شویم. هر مولکول DNA از یک مارپیچ دو رشته‌ای تشکیل شده است و واحدهای سازنده این مارپیچ دو رشته‌ای، ۴ نوع نوکلئوتید هستند. هر نوکلئوتید از سه جزء تشکیل شده است:

1. یک قند ۵ کربنی (این قند ۵ کربنی در DNA، دئوکسی‌ریبوز است و در RNA، ریبوز است)
2. یک باز آلی پورین (آدنین (A)، گوانین (G)) یا پیریمیدین (سیتوزین (C)، تیمین (T)، یوراسیل (U))
3. یک گروه فسفات

در ساختار DNA، نوکلئوتیدی با باز یوراسیل وجود ندارد، بنابراین تنها ۴ نوع نوکلئوتید در ساختار DNA وجود دارد که هر کدام از آن‌ها یکی از باز‌های آدنین، گوانین، سیتوزین یا تیمین را در ساختار خود دارند. نوکلئوتیدی که باز یوراسیل را در ساختار خود دارد، در ساختار RNA مشاهده می‌شود.

هر یک از رشته‌های این مارپیچ دو رشته ای از کنار هم قرار گرفتن قسمت‌های قند - فسفات نوکلئوتید‌های مجاور ساخته شده است؛ به این‌صورت که قند یک نوکلئوتید با فسفات نوکلئوتید بعدی به وسیله پیوند کووالانسی اتصال برقرار کرده است. هر یک از پل‌های بین دو رشته این مارپیچ دو رشته‌ای، به وسیله باز‌های دو نوکلئوتیدی که روبه‌روی یکدیگر قرار دارند، ساخته شده است و بین آن‌ها پیوند هیدروژنی برقرار شده است. در ساختار DNA همواره نوکلئوتید آدنین‌دار در مقابل نوکلئوتید تیمین‌دار قرار می‌گیرد (در بین آن‌ها دو پیوند هیدروژنی وجود دارد) و نوکلوتید گوانین‌دار در مقابل نوکلئوتید سیتوزین‌دار قرار می‌گیرد (در بین آن‌ها سه پیوند هیدروژنی وجود دارد).

شاید این سوال در ذهن شما نقش ببندد که چرا DNA ساختاری مارپیچی دارد؟ هر یک از رشته‌های مارپیچ دو رشته‌ای DNA به دلیل با‌رهای منفی گروه‌های فسفات خود و داشتن گروه‌های هیدروکسیل (OH) در قند‌هایش، خاصیت آب‌دوستی دارد. در مقابل هر یک از پل‌های بین دو رشته این مارپیچ دو رشته‌ای که از دو باز آلی تشکیل شده است، خاصیت آب‌گریزی دارد. ساختار مارپیچی مولکول DNA باعث می‌شود که قسمت‌های آب‌گریز این مولکول در سمت مرکز قرار بگیرند و قسمت‌های آب‌دوست این مولکول در سمت خارج قرار بگیرند، همین موضوع به پایداری مولکول DNA کمک می‌کند.

بسته‌بندی مولکول DNA

اما نحوه قرارگیری مارپیچ دو رشته‌ای DNA در داخل سلول چگونه است؟ شاید برای شما جالب باشد بدانید که به طور میانگین هر مولکول DNA در بدن انسان حدود ۵ سانتی‌متر طول دارد و این در حالی است که به طور میانگین هر سلول در بدن انسان حدود ۱۰ میکرومتر قطر دارد. با وجود این که طول یک مولکول DNA بسیار بیشتر از قطر یک سلول است و DNA در داخل هسته سلول که تنها بخشی از سلول است، قرار گرفته است، مولکولی به این بزرگی چگونه می‌تواند در هسته‌ای بسیار کوچک جای بگیرد؟ پاسخ این سوال را باید در بسته‌بندی مولکول DNA جستجو کرد.

بگذارید بسته‌بندی مولکول DNA را بررسی کنیم. مارپیچ دو رشته‌ای DNA که حدود ۲ نانومتر قطر دارد، تقریباً دو دور به دور ۸ مولکول هیستون (نوعی پروتئین که در هسته سلول‌ها وجود دارد و به تراکم DNA کمک می‌کند) می‌پیچد و ساختار‌هایی به اسم نوکلئوزوم را به وجود می‌آورد که هر کدام در حدود ۱۰ نانومتر قطر دارند. نوکلئوزوم‌ها در کنار یکدیگر قرار گرفته و رشته کروماتینی را شکل می‌دهند که حدود ۳۰ نانومتر قطر دارد. رشته کروماتینی به صورت حلقه‌هایی دراز، روی یک داربست متشکل از پروتئین‌های اسیدی غیر هیستونی قرار می‌گیرد و ساختاری به قطر حدود ۳۰۰ نانومتر را شکل می‌دهد. در نهایت این ساختار ۳۰۰ نانومتری به صورت محکمی در هم می‌پیچد تا کروموزوم را شکل دهد. کروموزوم با توجه به مرحله‌ای از چرخه سلولی که سلول در آن قرار دارد، می‌تواند تک کروماتیدی باشد که حدود ۷۰۰ نانومتر قطر دارد و یا دو کروماتیدی باشد که حدود ۱۴۰۰ نانومتر قطر دارد.

بسته‌بندی مولکول DNA تا حدی در فشرده سازی این مولکول موفق عمل می‌کند که در هسته هر سلول انسانی (به استثنای سلول‌های جنسی) ۴۶ کروموزوم جای گرفته است.

همانند‌سازی DNA

همان‌طور که یک سلول تقسیم می‌شود و سلول های جدیدی را پدید می‌آورد، DNA نیز به عنوان بخشی از سلول تقسیم می‌شود. اما برای این که هر سلول دختری (سلولی که تقسیم می‌شود را سلول مادری و سلول‌های جدید حاصل شده از تقسیم سلول مادری را سلول‌های دختری می‌نامند) به میزان سلول مادری از محتوای DNA برخوردار باشد، پیش از آن‌که فرآیند تقسیم سلول آغاز شود، هر مولکول DNA به وسیله فرآیند همانند‌سازی یک نسخه دیگر از خود را می‌سازد. هنگامی که تقسیم سلولی انجام می‌شود و یک سلول مادری به دو سلول دختری تبدیل می‌شود، هر سلول دختری به میزان سلول مادری از محتوای DNA برخوردار است؛ زیرا پیش از تقسیم سلول، محتوای DNA به وسیله فرآیند همانند‌سازی دو برابر شده است.

اما فرآیند همانند‌سازی DNA چگونه انجام می‌گیرد؟ در ابتدای فرآیند همانند‌سازی، آنزیمی به نام هلیکاز دو رشته DNA را از یکدیگر جدا می‌کند (آنزیم‌ها و پروتئین‌های دیگری نیز هلیکاز را در جدا کردن و جدا نگه داشتن دو رشته DNA یاری می‌کنند)، سپس آنزیم دیگری به نام DNA پلیمراز وارد عمل می‌شود و در مقابل هر رشته DNA، نوکلئوتید‌های مکمل آن را قرار می‌دهد به گونه‌ای که نوکلئوتیدی که باز آدنین دارد در مقابل نوکلئوتیدی که باز تیمین دارد، قرار می‌گیرد و نوکلئوتیدی که باز گوانین دارد در مقابل نوکلئوتیدی که باز سیتوزین دارد، قرار می‌گیرد. (آنزیم‌ها و پروتئین‌های دیگری نیز در فرآیند همانند‌سازی دخیل هستند که اشاره به آن‌ها از حوصله این مقاله خارج است).

رونویسی

DNA به عنوان مرکز اطلاعات سلول عمل می‌کند و به نوعی تمام فعالیت‌های یک سلول به وسیله اطلاعاتی که در DNA آن سلول قرار دارد، کنترل می‌شود. اما اطلاعات چگونه در DNA ذخیره شده است و در یک سلول چگونه از این اطلاعات استفاده می‌شود؟ با ساختار مولکول DNA و واحد‌های سازنده این مولکول (۴ نوع نوکلئوتید آدنین‌دار، گوانین‌دار، تیمین‌دار و سیتوزین‌دار) آشنا شدیم، اطلاعات در مولکول DNA به وسیله نوکلئوتید‌ها و ترتیب قرار گرفتن این نوکلئوتید‌ها در کنار هم ذخیره شده است و در واقع ترتیب قرار گرفتن نوکلئوتید‌ها در مولکول DNA، اطلاعات این مولکول را تعیین می‌کند.

اولین گام برای استفاده از اطلاعات DNA، رونویسی از مولکول DNA است. رونویسی فرآیندی است که طی آن اطلاعات ژنتیکی از DNA به RNA (ریبونوکلئیک اسید) منتقل می‌شود. پیش از این که به بررسی فرآیند رونویسی بپردازیم، بهتر است با مولکول RNA آشنا شویم. واحد‌های سازنده مولکول RNA نیز همانند مولکول DNA، چهار نوع نوکلئوتید هستند. همان‌طور که پیش از این نیز ذکر کردیم، هر نوکلئوتید از سه جزء تشکیل شده است:

1. یک قند ۵ کربنی (این قند ۵ کربنی در DNA، دئوکسی‌ریبوز است و در RNA، ریبوز است)
2. یک باز آلی پورین (آدنین (A)، گوانین (G))  یا پیریمیدین (سیتوزین (C)، تیمین (T)، یوراسیل (U))
3. یک گروه فسفات

در ساختار RNA نوکلئوتیدی با باز تیمین وجود ندارد، بنابراین تنها ۴ نوع نوکلئوتید در ساختار RNA وجود دارد که هر کدام از آن‌ها یکی از باز‌های آدنین، گوانین، سیتوزین یا یوراسیل را در ساختار خود دارند. نوکلئوتیدی که باز تیمین را در ساختار خود دارد، در ساختار DNA مشاهده می‌شود. مولکول RNA برخلاف مولکول DNA یک مولکول تک رشته‌ای است. سه نوع مولکول RNA اصلی در سلول وجود دارد:

1. mRNA (مولکول RNA پیام‌بر که اطلاعات DNA را در خود ذخیره می‌کند)
2. tRNA (مولکول RNA ناقل که اسید آمینه را درون سیتوپلاسم سلول منتقل می‌کند)
3. rRNA (مولکول RNA ریبوزومی که در ساختار ریبوزوم شرکت می‌کند)

پس از آشنایی با مولکول RNA و ساختار آن، می‌خواهیم به بررسی فرآیند رونویسی بپردازیم. فرآیند رونویسی با اتصال آنزیمی به نام RNA پلیمراز به یک جایگاه راه‌انداز یا Promoter (راه‌انداز یک توالی نوکلئوتیدی DNA است که در بالادست شروع ژن (ژن بخشی از مولکول DNA است که حاوی اطلاعاتی خاص است) قرار گرفته است) شروع می شود. سپس RNA پلیمراز دو رشته DNA را از یکدیگر جدا می‌کند و پس از آن یکی از دو رشته DNA به عنوان الگویی جهت سنتز توالی نوکلئوتیدی RNA مورد استفاده قرار می‌گیرد. آنزیم RNA پلیمراز مانند قطاری که روی ریل حرکت می‌کند، در طول نوکلئوتید‌های ‌DNA به حرکت در می‌آید و در مقابل هر یک از دئوکسی ریبونوکلئوتید‌های DNA، ریبونوکلئوتید مکمل آن (ریبونوکلئوتید آدنین‌دار در مقابل نوکلئوتید تیمین‌دار، ریبونوکلئوتید یوراسیل‌دار در مقابل نوکلئوتید آدنین‌دار، ریبونوکلئوتید گوانین‌دار در مقابل نوکلئوتید سیتوزین‌دار و ریبونوکلئوتید سیتوزین‌دار در مقابل نوکلئوتید گوانین‌دار) را قرار می‌دهد و هر ریبونوکلئوتید را به ریبونوکلئوتید قبلی پیوند می‌دهد.

در هسته سلول‌های یوکاریوتی سه نوع آنزیم RNA پلیمراز وجود دارد:

1. RNA پلیمراز ۱ که ژن rRNA را رونویسی می‌کند.
2. RNA پلیمراز ۲ که ژن mRNA و برخی RNA‌های دیگر را رونویسی می‌کند.
3. RNA پلیمراز ۳ که ژن tRNA و برخی RNA‌های دیگر را رونویسی می‌کند.

هنگامی که یک مولکول mRNA توسط آنزیم RNA پلیمراز ساخته می‌شود، به آن mRNA اولیه گفته می‌شود و پس از اصلاحاتی که تحت عنوان پیرایش و پردازش روی این مولکول mRNA اولیه صورت می‌گیرد، به آن مولکول mRNA بالغ گفته می‌شود. سپس این مولکول mRNA بالغ از هسته سلول به سیتوپلاسم سلول منتقل می‌شود.

ترجمه

پس از این که مولکول mRNA به سیتوپلاسم منتقل می‌شود، در فرآیندی به نام ترجمه (ترجمه انتقال اطلاعات ژنتیکی از mRNA به پلی‌پپتید است) شرکت می‌کند. قبل از آشنایی با نحوه انجام فرآیند ترجمه، می‌خواهیم با مفهوم کد‌های ژنتیکی آشنا شویم. هر پروتئین از یک یا چند پلی‌پپتید تشکیل شده است و هر پلی‌پپتید نیز از اسید‌های آمینه شکل گرفته است. توالی اسید‌های آمینه‌ی سازنده یک پلی‌پپتید به وسیله توالی نوکلئوتید‌های mRNA تعیین می‌شود. ۲۰ اسید آمینه مختلف در ساختار پلی‌پپتید‌ها شرکت دارند. هر توالی سه نوکلئوتیدی از mRNA که کدون نام دارد، رمز یک اسید آمینه است و توالی اسید‌های آمینه در پلی‌پپتید‌ها به وسیله کدون‌ها تعیین می‌شود.

پس از آشنایی با کدون‌ها، می‌خواهیم به بررسی فرآیند ترجمه بپردازیم. مولکول mRNA نمی‌تواند مستقیماً به اسید آمینه متصل شود، اما می‌تواند با مولکول tRNA (مولکول RNA ناقل که اسید آمینه را درون سیتوپلاسم سلول منتقل می‌کند) که ساختاری شبیه به برگ شبدر دارد، تعامل داشته باشد. هر مولکول tRNA در ساختار خود یک توالی سه نوکلئوتیدی موسوم به آنتی‌کدون دارد که مکمل کدون در ساختار mRNA است.

جایگاه سنتز پلی‌پپتید در سیتوپلاسم، ریبوزوم‌ها (ریبوزوم از rRNA وپروتئین تشکیل شده است) هستند. ریبوزوم ابتدا به نقطه شروع ترجمه در mRNA متصل می‌شود؛ این جایگاه شامل یک کدون خاص یعنی AUG است که رمز اسید آمینه متیونین است. سپس ریبوزوم به tRNA متصل شده و جفت شدن باز‌ها بین mRNA و tRNA رخ می‌دهد. ریبوزوم، کدون به کدون روی mRNA حرکت می‌کند و به ازای هر کدون که جلو می‌رود، یک اسید آمینه با واسطه تعامل mRNA و tRNA ترجمه می‌شود و به اسید آمینه قبلی متصل می‌شود. وقتی که ریبوزوم به یک کدون پایان (UAA، UAG یا UGA) در توالی mRNA می‌رسد، ترجمه و همچنین رشد پلی‌پپتید متوقف می‌شود. بعد از تکمیل سنتز پلی‌پپتید، mRNA، ریبوزوم و پلی‌پپتید از یکدیگر جدا می‌شوند. پلی‌پپتید ساخته شده نیز به درون سیتوپلاسم رها می‌شود و در ساختار یک پروتئین شرکت می‌کند. پروتئین‌ها فعالیت‌های بسیاری را در سلول انجام می‌دهند.

با مولکول DNA، ساختار و عملکرد آن آشنا شدیم. اما شگفتی‌های DNA به همین‌جا ختم نمی‌شود، بگذارید بیشتر با این مولکول و توانایی‌های آن آشنا شویم. تمام سلول‌های بدن یک انسان (به استثنای سلول‌های جنسی) محتوای DNA یکسانی دارند و می‌دانیم که DNA مرکز اطلاعات سلول است. حال شاید این سوال ذهن شما را به خود مشغول کرده باشد که چگونه تمام سلول‌های بدن یک انسان که محتوای DNA و در واقع اطلاعات یکسانی دارند، به صورت سلول‌های مختلفی در بدن انسان حضور دارند و ساختار‌های متنوعی را شکل می دهند؟ برای این که به پاسخ این سوال برسیم، بگذارید به زمانی برویم که شکل‌گیری هر انسانی از یک سلول آغاز می‌شود. زمانی که اولین سلول هر انسانی (سلول تخم) شکل می‌گیرد، این سلول دقیقاً از همان محتوای DNA‌ای برخوردار است که در آینده تمام سلول‌های بدن این انسان (به استثنای سلول‌های جنسی) این محتوای DNA را در هسته‌های خود دارند. اولین سلول هر انسان، تمام اطلاعات این انسان را در DNA خود دارد، اطلاعاتی که در DNA قرار دارند، تعیین می‌کنند که در چه زمانی چه فرآیندی باید آغاز شود و چه فرآیندی باید متوقف شود، در هر سلولی کدام ژن‌ها باید بیان شوند و کدام ژن‌ها باید خاموش شوند، در هر سلول در هر زمانی کدام ژن‌های مشخص باید بیان شوند. در واقع اطلاعاتی که در DNA ذخیره شده‌اند، تمام فرآیند‌ها و زمان‌بندی‌های انجام این فرآیند‌ها را تعیین می‌کنند. درست است که تمام سلول‌های بدن یک انسان (به استثنای سلول‌های جنسی) محتوای DNA یکسانی دارند، اما به علت این که در هر سلول مشخص تنها تعدادی از ژن‌ها بیان می شوند، هر سلول به سمت ساخت یک سلول خاص که در ساختار خاصی شرکت دارد پیش می‌رود و به این ترتیب سلول‌های مختلفی در بدن انسان شکل می‌گیرند.

نظر شما چیست؟ آیا مولکولی با این حجم از ظرفیت و توانایی نمی‌تواند گزینه مناسبی برای ذخیره‌سازی اطلاعات باشد؟ البته این‌ها تنها توانایی‌های مولکول DNA نیستند که توانسته‌اند نظر دانشمندان را به خود جلب کنند، یک برتری دیگر DNA نسبت به حافظه‌های ذخیره‌سازی کنونی این است که اگر مولکول DNA در شرایط مناسب نگهداری شود، می‌تواند اطلاعات را بدون تغییر برای سال‌های بسیار در خود حفظ کند.

اگرچه DNA به عنوان ماده‌ای برای ذخیره‌سازی اطلاعات، توجه بسیاری از دانشمندان را به سوی خود جلب کرده است؛ اما هنوز چالش‌های بسیاری در این مسیر در پیش روی دانشمندان قرار دارد که ابتدا باید به بررسی و رفع این چالش‌ها بپردازند.