DNA టెక్నాలజీ, మూలకణాలు & జీనోమ్ (DNA & Stem Cells)

DNA (డీఆక్సీరైబోన్యూక్లియిక్ ఆమ్లం) జీవులన్నింటిలో వంశపారంపర్య సమాచారాన్ని దాచుకునే అణువు. తల్లిదండ్రుల లక్షణాలు పిల్లలకు రావడానికి కారణం DNA లోని జన్యువులే.

• ఆవిష్కరణ:
  1. 1869లో ఫ్రెడరిక్ మీషర్ (Friedrich Miescher) కణ కేంద్రకం నుండి 'న్యూక్లీన్' తీశాడు
  2. 1953లో జేమ్స్ వాట్సన్, ఫ్రాన్సిస్ క్రిక్ DNA ద్వి-సర్పిలాకార నమూనా (Double Helix) ప్రతిపాదించారు
  3. 1962లో వాట్సన్, క్రిక్, మారిస్ విల్కిన్స్‌లకు నోబెల్ బహుమతి వచ్చింది
  4. రోసలిండ్ ఫ్రాంక్లిన్ X-రే చిత్రాలు ఈ నమూనాకు కీలక ఆధారం
• నిర్మాణం: న్యూక్లియోటైడ్ = చక్కెర (డీఆక్సీరైబోజ్) + ఫాస్ఫేట్ + నత్రజని క్షారం.
• నాలుగు క్షారాలు: అడెనిన్ (A), థైమిన్ (T), గ్వానిన్ (G), సైటోసిన్ (C).
• A–T మధ్య 2 హైడ్రోజన్ బంధాలు
• G–C మధ్య 3 హైడ్రోజన్ బంధాలు
• చార్‌గాఫ్ నియమం: A = T, G = C (అంటే A, T సమాన పరిమాణంలో ఉంటాయి).
• RNA తేడాలు:
  1. RNA లో చక్కెర రైబోజ్
  2. థైమిన్ బదులు యురాసిల్ (U)
  3. సాధారణంగా ఒంటి పోగు.
• సెంట్రల్ డాగ్మా: DNA → RNA → ప్రోటీన్ (ట్రాన్స్‌క్రిప్షన్, ట్రాన్స్‌లేషన్).
• RNA రకాలు: mRNA, tRNA, rRNA.
• ప్రధాన స్థానం:
  1. కేంద్రకం
  2. మైటోకాండ్రియాలో కూడా కొద్ది DNA ఉంటుంది (తల్లి నుండి మాత్రమే వారసత్వం).

వేర్వేరు జీవుల నుండి తీసిన DNA ముక్కలను కలిపి కొత్త DNA అణువును తయారు చేయడాన్ని రీకాంబినెంట్ DNA సాంకేతికత (Recombinant DNA Technology) లేదా జన్యు ఇంజనీరింగ్ అంటారు.

• పనిముట్లు:
  1. రెస్ట్రిక్షన్ ఎంజైములు (Restriction enzymes) – 'జన్యు కత్తెరలు'; DNA ను నిర్దిష్ట చోట్ల కత్తిరిస్తాయి (ఉదా: EcoRI)
  2. లైగేజ్ ఎంజైమ్ (Ligase) – 'జన్యు జిగురు'; ముక్కలను అతికిస్తుంది
  3. వాహకాలు (Vectors) – ప్లాస్మిడ్లు (pBR322), బ్యాక్టీరియోఫేజ్‌లు
  4. ఆతిథేయి కణం – E. coli, ఈస్ట్ వంటివి
• చరిత్ర:
  1. 1973లో స్టాన్లీ కోహెన్, హెర్బర్ట్ బోయర్ మొదటి రీకాంబినెంట్ DNA తయారు చేశారు
  2. రెస్ట్రిక్షన్ ఎంజైముల ఆవిష్కరణకు వెర్నర్ ఆర్బర్, హామిల్టన్ స్మిత్, డేనియల్ నాథన్స్‌లకు 1978లో నోబెల్ వచ్చింది
• PCR (Polymerase Chain Reaction): ఒక చిన్న DNA ముక్క నుండి లక్షలాది ప్రతులు తయారు చేసే పద్ధతి.
• కనుగొన్నది:
  1. కారీ ముల్లిస్ (Kary Mullis)
  2. 1993లో నోబెల్
• ఉపయోగించే ఎంజైమ్:
  1. Taq పాలిమరేజ్ (ఉష్ణ నిరోధక
  2. థర్మస్ ఆక్వాటికస్ బ్యాక్టీరియా నుండి)
• మూడు దశలు: డీనేచురేషన్ (సుమారు 94–95°C, DNA పోగులు విడిపోవడం) → ఎనీలింగ్ (ప్రైమర్లు అతుక్కోవడం) → ఎక్స్‌టెన్షన్ (సుమారు 72°C, కొత్త పోగు తయారు)
• ఉపయోగాలు: వ్యాధి నిర్ధారణ (కోవిడ్ RT-PCR), ఫోరెన్సిక్, జన్యు పరీక్షలు.
• జెల్ ఎలక్ట్రోఫోరెసిస్: DNA ముక్కలను పరిమాణం ప్రకారం వేరు చేసే పద్ధతి.

ప్రతి వ్యక్తి DNA లో కొన్ని భాగాలు (పునరావృత క్రమాలు) ప్రత్యేకంగా ఉంటాయి. వీటిని పరీక్షించి వ్యక్తిని గుర్తించే పద్ధతే DNA ఫింగర్‌ప్రింటింగ్ (DNA Fingerprinting). కవల పిల్లల (ఒకే అండం నుండి పుట్టినవారు) మినహా ఇద్దరి DNA ఒకేలా ఉండదు.

• ఆవిష్కర్త: సర్ అలెక్ జెఫ్రీస్ (Alec Jeffreys), 1984–85, ఇంగ్లాండ్ (లీసెస్టర్ విశ్వవిద్యాలయం).

• పద్ధతి: DNA సేకరణ → రెస్ట్రిక్షన్ ఎంజైమ్‌తో కత్తిరింపు → జెల్ ఎలక్ట్రోఫోరెసిస్ → బ్లాటింగ్ (సదరన్ బ్లాట్ – ఎడ్విన్ సదరన్) → ప్రోబ్‌తో గుర్తింపు.
• భారతదేశంలో: డా. లాల్జీ సింగ్ (CCMB, హైదరాబాద్) భారత DNA ఫింగర్‌ప్రింటింగ్ పితామహుడు. హైదరాబాద్‌లోని CDFD (సెంటర్ ఫర్ DNA ఫింగర్‌ప్రింటింగ్ & డయాగ్నోస్టిక్స్) ఈ రంగంలో ప్రముఖ సంస్థ.
• ఉపయోగాలు:
  1. నేర పరిశోధన (Forensic) – నేరస్థుల గుర్తింపు
  2. తండ్రి-బిడ్డల సంబంధం నిర్ధారణ (Paternity test)
  3. విపత్తుల్లో మృతదేహాల గుర్తింపు
  4. అంతరించే జంతువుల పరిరక్షణ
  5. వారసత్వ వ్యాధుల పరీక్షలు
• వ్యాధి నిర్ధారణ పద్ధతులు:
  1. ELISA – యాంటీజెన్/యాంటీబాడీ గుర్తింపు (HIV పరీక్షలో)
  2. RT-PCR – RNA వైరస్ గుర్తింపు (కోవిడ్-19)
  3. ప్రినేటల్ జన్యు పరీక్షలు

మూలకణాలు (Stem Cells) అంటే తమను తాము విభజించుకుని, అనేక రకాల ప్రత్యేక కణాలుగా మారగల కణాలు. శరీరంలో దెబ్బతిన్న అవయవాలను బాగు చేసే 'మరమ్మతు కణాలు' ఇవి.

• సామర్థ్యం ప్రకారం రకాలు:
  1. టోటిపొటెంట్ (Totipotent): పూర్తి జీవిని ఏర్పరచగలవు – ఫలదీకరణం చెందిన అండం (జైగోట్)
  2. ప్లురిపొటెంట్ (Pluripotent): ఎన్ని రకాల శరీర కణాలుగానైనా మారగలవు – పిండ మూలకణాలు (Embryonic stem cells)
  3. మల్టిపొటెంట్ (Multipotent): కొన్ని రకాల కణాలుగా మాత్రమే – వయోజన (Adult) మూలకణాలు, ఉదా: ఎముక మజ్జలోని రక్త మూలకణాలు
• మూలాలు: ఎముక మజ్జ (Bone marrow), బొడ్డుతాడు రక్తం (Umbilical cord blood), పిండ కణాలు, కొవ్వు కణజాలం.
• iPSC (Induced Pluripotent Stem Cells):
  1. వయోజన కణాలను తిరిగి ప్లురిపొటెంట్ స్థితికి మార్చినవి. షిన్యా యమనాకా (Shinya Yamanaka) 2006లో కనుగొన్నారు
  2. 2012లో జాన్ గర్డన్‌తో కలిసి నోబెల్ పొందారు.
• ఉపయోగాలు:
  1. ల్యూకేమియా, తలసీమియా వంటి వ్యాధులకు ఎముక మజ్జ మార్పిడి
  2. కాలిన గాయాలు, కీళ్ల చికిత్సలు
  3. పార్కిన్సన్స్, మధుమేహం వంటి వాటిపై పరిశోధన
  4. కొత్త మందుల పరీక్షలు
• నైతిక వివాదం: పిండ మూలకణాల కోసం పిండాన్ని నాశనం చేయాల్సి రావడం. iPSC లు ఈ సమస్యను తగ్గిస్తాయి.
• భారతదేశం: ICMR, DBT కలిసి మూలకణ పరిశోధనకు జాతీయ మార్గదర్శకాలు (2017) రూపొందించాయి.

ఒకే జన్యు నిర్మాణం కలిగిన జీవులు లేదా కణాలను తయారు చేయడం క్లోనింగ్ (Cloning). దెబ్బతిన్న జన్యువును సరిచేసి వ్యాధిని నయం చేసే పద్ధతి జన్యు చికిత్స (Gene Therapy).

• డాలీ (Dolly): క్షీరదంలో మొదటి క్లోన్ గొర్రె.
• పుట్టింది 1996లో
• ప్రకటన 1997లో
• శాస్త్రవేత్త: ఇయాన్ విల్ముట్ (Ian Wilmut), రాస్లిన్ ఇన్‌స్టిట్యూట్, స్కాట్లాండ్
• పద్ధతి: సోమాటిక్ సెల్ న్యూక్లియర్ ట్రాన్స్‌ఫర్ (SCNT) – పాలిచ్చే గ్రంథి (Mammary gland) కణ కేంద్రకాన్ని కేంద్రకం తీసిన అండంలోకి చేర్చారు
• 2003లో మరణించింది
• భారతదేశంలో: కర్నాల్‌లోని జాతీయ పాడి పరిశోధన సంస్థ (NDRI) 2009లో 'సంరూప' అనే మొదటి క్లోన్ గేదె దూడను తయారు చేసింది.
• క్లోనింగ్ రకాలు: పునరుత్పత్తి క్లోనింగ్ (కొత్త జీవి), చికిత్సా క్లోనింగ్ (కణాలు/కణజాలం కోసం), జన్యు క్లోనింగ్ (DNA ముక్కల కాపీలు).
• జన్యు చికిత్స: మొదటిసారి 1990లో ADA లోపం (రోగనిరోధక శక్తి లోపం) ఉన్న బాలికకు అమెరికాలో చేశారు.
• CRISPR-Cas9: జన్యువులను కచ్చితంగా కత్తిరించి సవరించే 'జన్యు కత్తెర' సాంకేతికత.
• ఇమ్మాన్యుయెల్ షార్పెంటియర్, జెన్నిఫర్ డౌడ్నా లకు 2020లో రసాయన శాస్త్ర నోబెల్
• బ్యాక్టీరియా వైరస్‌ల నుండి రక్షణకు వాడే సహజ వ్యవస్థ ఆధారం
• నైతిక ప్రశ్నలు:
  1. మనుషుల క్లోనింగ్‌పై చాలా దేశాల్లో నిషేధం ఉంది
  2. 'డిజైనర్ బేబీ' భయాలు ఉన్నాయి.

ఒక జీవిలోని మొత్తం జన్యు సమాచారాన్ని జీనోమ్ (Genome) అంటారు. మనిషి జీనోమ్ మొత్తం DNA క్రమాన్ని (Sequence) తెలుసుకోవడానికి చేపట్టిన అంతర్జాతీయ ప్రాజెక్టే హ్యూమన్ జీనోమ్ ప్రాజెక్ట్ (HGP).

• కాలం:
  1. 1990లో ప్రారంభం
  2. 2003లో పూర్తి.
• నాయకత్వం: ఫ్రాన్సిస్ కాలిన్స్ (ప్రభుత్వ కన్సార్షియం). ప్రైవేట్ సంస్థ సెలెరా జెనోమిక్స్ తరఫున క్రెయిగ్ వెంటర్ కూడా పాల్గొన్నారు.
• ముఖ్య ఫలితాలు:
  1. మనిషి జీనోమ్‌లో సుమారు 300 కోట్ల (3 బిలియన్) క్షార జంటలు ఉన్నాయి
  2. సుమారు 20,000 ప్రోటీన్ కోడింగ్ జన్యువులు (గతంలో 1 లక్ష అని అనుకున్నారు)
  3. 23 జతల క్రోమోజోములు (మొత్తం 46)
  4. అన్ని మనుషుల్లో 99% పైగా DNA ఒకేలా ఉంటుంది
• బయోఇన్ఫర్మాటిక్స్ (Bioinformatics): జన్యు సమాచారాన్ని కంప్యూటర్లతో విశ్లేషించే శాస్త్రం.
• భారతదేశం:
  1. IndiGen కార్యక్రమం (CSIR): 2019లో 1,008 మంది భారతీయుల జీనోమ్‌లు క్రమీకరించారు
  2. జీనోమ్ ఇండియా ప్రాజెక్ట్ (DBT): 2020లో ప్రారంభం; భారత జనాభా వైవిధ్యాన్ని తెలుసుకునే లక్ష్యం
• జాతీయ సికిల్ సెల్ అనీమియా నిర్మూలన మిషన్:
  1. 2023లో ప్రారంభం
  2. ఇది వారసత్వ రక్త వ్యాధి, గిరిజన ప్రాంతాల్లో ఎక్కువ.
• జెనోమిక్స్ ఉపయోగాలు: వ్యక్తిగత వైద్యం (Personalised medicine), వ్యాధి ముందస్తు గుర్తింపు, పూర్వీకుల అధ్యయనం.
• ఇతర ప్రాజెక్టులు: ఎన్‌కోడ్, 1000 జీనోమ్స్ ప్రాజెక్ట్.