تطبيقات الهندسة الوراثية

حاليا، أكثر من 25% من سكان المملكة العربية السعودية (10% منهم أطفال) لديهم مرض السكري diabetes، وهو مجموعة من الأمراض الناتجة عن ارتفاع مستويات الجلوكوز glucose في الدم بشكل غير طبيعي. أحد الأسباب هو عدم قدرة الجسم على إنتاج مستويات كافية من الأنسولين insulin (يشار إليه بأسم سكري الأطفال juvenile diabetes أو السكري المعتمد على الأنسولين insulin-dependent diabetes أو السكري من النوع الأول type I diabetes) للتحكم في مستوى الجلوكوز في الدم. هذا يعني أن المصاب بالسكري يجب أن يتلقى حقن يومية daily injections من الأنسولين من أجل البقاء على قيد الحياة. قبل عام 1982، تلقى مرضى السكري الأنسولين المنقى المستخرج من بنكرياس pancreas الماشية cattle والخنازير pigs، أو حتى الجثث cadavers. هذا يمكن أن يمثل مشكلة لأن الأنسولين الحيواني animal insulin يمكن أن تسبب تفاعلات تحسسية allergic reactions، وربما يحتوي على فيروسات مجهولة قد أصيب بها الحيوان. كان الحل إنتاج الأنسولين باستخدام تقنيات الهندسة الوراثية genetic engineering. قامت شركة ايلي ليلي Eli Lilly بتسويق أول أنسولين بشري إصطناعي synthetic، يسمى الهيومولين Humulin، في عام 1982. منذ ذلك الوقت، تم تطوير منتجات أخرى من الأنسولين المهندس وراثيا genetically engineered. كانت هذه النجاحات التجارية للتقنية الحيوية biotechnology دلالة على أشياء مقبلة.

أفضل طريقة لفهم كيفية عمل الهندسة الوراثية هو متابعة إجراء فعلي لإنتاج الأنسولين البشري. يصف MICROINQUIRY 9 إحدى هذه الطرق—عن طريق استنساخ الجين البشري للأنسولين في الخلايا البكتيرية.

هذا يتضمن:

1. عزل قطعة من DNA تحتوي على جين الأنسولين insulin gene البشري وقطع الجين بدقة؛

2. ربط جين الأنسولين في بلازميد بكتيري bacterial plasmid؛

3. وضع البلازميد معاود الإرتباط recombinant في خلايا بكتيرية لتشكل نسائل clones؛

4. فحص البلازميدات معاودة الإرتباط؛

5. تحديد وعزل النسائل التي تحمل جين الأنسولين.

إلى جانب الأنسولين، تم إنتاج عدد من البروتينات proteins الأخرى ذات القيمة الدوائية المهمة للإنسان عن طريق الأحياء الدقيقة المهندسة وراثياً genetically engineered microorganisms.

تنتج العديد من هذه البروتينات بكميات منخفضة نسبيا في الجسم، مما يجعل التنقية purification مكلفة للغاية. لذا، الحل الاقتصادي الوحيد للحصول على كميات كبيرة من المنتج هو من خلال الهندسة الوراثية.

صناعة الألبان dairy industry كانت أول من أدرك التأثير الكبير لتقنية DNA الجديدة. في عام 1982، رخصت إدارة الغذاء والدواء الأمريكية U.S. Food and Drug Administration (FDA) السوماتوتروبين البقري معاود الإرتباط recombinant bovine somatotropin (rBST)، وهو بروتين يمكن أن يعزز إنتاج الحليب في الأبقار الحلوب بنسبة 40٪.

تطبيق مبكر آخر من الهندسة الوراثية للاضطرابات disorders والأمراض diseases البشرية كان إنتاج هرمون نمو آخر، هرمون النمو البشري human growth hormone (HGH). يستبدل هرمون النمو البشري المهندس وراثيا الشكل الذي يستخرج من الغدة النخامية pituitary من الجثث البشرية human cadavers. مع ترخيصه من إدارة الغذاء والدواء الأمريكية في عام 1985، استخدم هرمون النمو البشري لعلاج الحالات التي تنتج قصر القامة short stature، لتحسين قوة العضلات المرتبطة ببعض الإضطرابات الوراثية genetic disorders، وللحفاظ على كتلة العضلات في المرضى الذين يعانون من الإيدز AIDS. بالطبع، يمكن أن تستخدم وقد استخدمت كنوع من التعزيز الرياضي لبناء كتلة العضلات لبناء الاجسام.

في 2010، تعمل مئات من شركات التقنية الحيوية في جميع أنحاء العالم على التطبيقات التجارية والعملية للهندسة الوراثية. العديد من المنتجات المهندسة وراثيا هي إما بروتينات تعبر بواسطة DNA معاود الإرتباط في الخلايا البكتيرية أو DNA معاود الإرتباط من البلازميد المستنسخ. في الصناعة الدوائية، منتجات البروتين عديدة ومتنوعة.

علم الأحياء البيئي Environmental Biology

تمثل البكتيريا Bacteria والأركيا Archaea مستودع ضخم، غالبا غير مستغل من الجينات genes تمثل عمليات مختلفة أيضيا metabolically. أمثلة مثل المعالجة الحيوية bioremediation حيث توفر خلايا معاودة الإرتباط وراثيا genetically recombined أو مهندسة وراثيا genetically engineered مع جينات محددة من شأنها أن تفكك الملوثات السامة toxic pollutants ، تنظف مواد النفايات waste materials، أو تحلل التسربات النفطية oil spills في محاولة لإعادة البيئة environment إلى حالتها الأصلية. نحن بالكاد نخدش السطح للاستفادة من التنوع الأيضي metabolic diversity الذي توفره هذه الميكروبات microbes.

الطب Medicine

وجود أو خطر الأمراض المعدية infectious diseases يمثل طلب مرتفع على المضادات الحيوية antibiotics في المجال الطبي. على الرغم من أنه يتم إنتاج المضادات الحيوية في الطبيعة nature, الكائنات البكتيرية أو الفطرية غالبا لا تنتج هذه المركبات في كمية عالية. هذا يعني أنه يجب أن تكتشف مصادر جديدة للمضادات الحيوية والميكروبات microbes يجب أن تهندس وراثيا genetically engineere لإنتاج كميات أكبر من المضادات الحيوية و/أو لإنتاج مضادات حيوية معدلة لم تظهر الميكروبات المعدية مقاومة resistance لها بعد.

منتج آخر من الهندسة الوراثية هو الانترفيرون interferon، مجموعة من ثلاثة عوامل مضادة للفيروسات antiviral agents تنتج بشكل طبيعي بواسطة الجسم البشري، اثنان منها تعيق التضاعف الفيروسي viral replication. كما هو الحال مع الأنسولين وهرمون النمو، ينتج الجسم كميات صغيرة من هذه المواد الكيميائية chemicals، لذلك قبل إدخال الهندسة الوراثية كانت هناك حاجة إلى الآلاف من وحدات الدم البشري للحصول على إنترفيرون كافي لعلاج المريض. بالهندسة الوراثية، يمكن أن تنتج كميات أكبر بكثير من البروتين النقي لمساعدة المرضى الذين يعانون من التهاب الكبد ب، ج hepatitis B and C وكذلك بعض أشكال السرطان cancer.

إنتاج اللقاحات Vaccine production الآن أكثر أمانا كنتيجة للهندسة الوراثية. بصنع لقاح يحتوي على جزء فقط من العامل الميكروبي، أو عزل الجين gene الذي سيحفز الجهاز المناعي immune system لتوليد مناعة وقائية protective immunity، يجعل اللقاح أكثر أمانا لأن المريض لا يتعرض للبكتيريا أو الفيروس النشط active virus or bacterium التي يمكن أن تسبب المرض. على سبيل المثال، التهاب الكبد ب، عدوى فيروسية viral infection خطيرة تنتقل عن طريق الاتصال بالدم المصاب infected blood، تقتل مليوني شخص حول العالم سنوياً. صنع أول لقاح ضد التهاب الكبد ب عن طريق استخلاص الفيروس من الدم المصاب لحاملين مزمنين chronic carriers ومن ثم عزل البروتين السطحي الفيروسي viral surface protein. كان هذا الإجراء معقد ويشكل خطر تلوث محتمل بالعوامل المعدية الأخرى. في عام 1986، وافقت ادارة الغذاء والدواء على أول لقاح مؤتلف لالتهاب الكبد ب (^®Recombivax HB) الذي تم صنعه عن طريق إدخال الجين للبروتين السطحي الفيروسي في خميرة الخباز baker’s yeast الشائعة، ساكروميسيس سيريفيسي Saccharomyces cerevisiae. كان البروتين المنتج بواسطة الخميرة مطابق للبروتين الفيروسي الطبيعي وصنع لقاح أكثر أمانا للبشر. تم ترخيص لقاح مؤتلف ثاني لالتهاب الكبد ب (^®Engerix-B) في عام 1989. لقاح مؤتلف recombinant vaccine حديث، ^®Gardasil، الذي يولد مناعة وقائية protective immunity ضد العديد من فيروسات الورم الحليمي papilloma viruses المسؤولة عن سرطان عنق الرحم cervical cancer والثآليل التناسلية genital warts في النساء، رخص من قبل ادارة الغذاء والدواء الأمريكية في 2006. في 2009، تم ترخيص اللقاح للاستخدام في الرجال للوقاية من سرطان القضيب الذكري penile cancer والثآليل التناسلية.  

أخيرا، تجدر الإشارة إلى أن المنتجات المهندسة وراثياً genetically engineered products ليست دائما "بسيطة no brainer" من حيث تطويرها. هذا ليس أكثر وضوحا منه في محاولات تطوير لقاح للإيدز AIDS. منذ عام 1987، حاول العلماء وخبراء الهندسة الوراثية genetic engineers تحديد الوحيدات الفيروسية viral subunits التي يمكن استخدامها لتطوير لقاح للايدز. ومع ذلك، لا يمكن أن تنجز الهندسة الوراثية الكثير لأن الفيروس يبدو أنه يجد سبل للتحايل على اللقاح والمناعة المطورة في المريض. ومع ذلك، يأمل العلماء أن يتم تطوير لقاح مهندس وراثيا آمن وفعال.

التطبيقات الزراعية Agricultural Applications

امتدت الهندسة الوراثية إلى العديد من مجالات العلم. في الزراعة agriculture، على سبيل المثال، أظهرت جينات genes مقاومة مبيدات الأعشاب herbicide المزروعة من الخلايا البكتيرية المستنسخة في نباتات التبغ tobacco plants، على أن هذه النباتات المعدلة وراثياً transgenic plants تتحمل بشكل أفضل مبيدات الأعشاب المستخدمة لمكافحة الاعشاب الضارة weed (معدل وراثياً transgenic: كائن حي يحتوي على جين ثابت من كائن حي آخر). لمزارعي الطماطم tomato، تحقق تقدم ملحوظ عندما ربط باحثين في جامعة واشنطن جينات من فيروس ممرض pathogenic virus في خلايا نبات الطماطم وأثبتوا أن الخلايا ستنتج البروتينات الفيروسية viral proteins على سطحها. البروتينات الفيروسية أعاقت العدوى الفيروسية، مما يوفر مقاومة لنباتات الطماطم المعدلة وراثيا.

تم إدخال مقاومة هجوم الحشرات insect في النباتات أيضاً باستخدام بلازميد plasmid يحمل جين بكتيري سام toxic ليرقات الخنافس والذباب beetle and fly larvae.

ما يصل الى 60٪ من الطعام الذي نأكله اليوم لديه بعض الاتصال بالهندسة الوراثية. من خلال أخذ الصفات من كائن حي وإدخال تلك الصفات في كائن حي آخر، يمكن أن يتغير الغذاء بحيث يكون مذاقه أفضل، ينمو بشكل أسرع وأكبر، أو لديه عمر تخزيني (فترة صلاحية) shelf life أطول. لتجارب نقل الجينات gene transfer في النباتات، DNA الناقل vector DNA المستخدم غالبا هو بلازميد plasmid من بكتيريا اجروباكتيريوم توميفاسينس Agrobacterium tumefaciens. هذا الكائن يسبب ورم نباتي plant tumor يسمى التدرن التاجي crown gall، والذي يتطور عندما يدخل DNA من الخلايا البكتيرية نفسه في كروموسومات chromosomes الخلية النباتية. أزال الباحثون الجين المستحث للورم tumor-inducing gene (Ti) من البلازميد ثم ربطوا الجين المطلوب في البلازميد وسمحوا للخلايا البكتيرية لتصيب النبات. يعمل النظام المستحث للورم Ti system بشكل جيد مع ذوات الفلقتين dicots (النباتات عريضة الأوراق broadleaf plants) مثل الطماطم tomato, البطاطس potato, فول الصويا soybeans, والقطن cotton.