فيديو الدرس: تطبيقات الهندسة الوراثية الأحياء

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سنتناول تطبيقات الهندسة الوراثية. أولًا، سنستعرض الحمض النووي ‪(DNA)‬‏ معاد الاتحاد، ثم نرى كيف يمكن استخدامه لعلاج الأمراض عن طريق إنتاج أدوية مثل الإنسولين، وتعديل الكائنات الحية مثل المحاصيل والحيوانات لكي تحمل صفات مرغوبًا فيها. وسنتناول مميزات هذه التطبيقات وعيوبها. وأخيرًا، سنناقش الاعتراضات الأخلاقية والعلمية على الهندسة الوراثية.

ترتب معلوماتنا الوراثية في صورة جينات في جزيء ‪DNA‬‏. تتحكم هذه الجينات في تطور صفات مختلفة، وهي ما يجعل الإنسان إنسانًا والنبات نباتًا. على مدار التاريخ الإنساني، عدلنا جينات كائنات حية مختلفة للاستفادة منها. على سبيل المثال، ثمرة الموز اللذيذة التي ربما تكون قد أحضرتها لغداء اليوم، كانت في البداية ثمرة مكتنزة ممتلئة ببذور سوداء كبيرة، ولعل مذاقها لم يكن جيدًا مثل الموز الموجود اليوم. هل تتساءل أحيانًا عن سبب كون الترجمة الحرفية لاسم الباذنجان بالإنجليزية «نبات البيض»؟ يرجع السبب في ذلك إلى أنه كان في البداية أصغر حجمًا، وأبيض اللون، وشبيهًا ببيض الدجاج أو الإوز. حتى الذرة لم تكن تصلح لصنع الفشار قديمًا. وكان مذاق حباته على الأرجح شبيهًا بمذاق البطاطس.

استغرقت كل هذه الأمثلة آلاف السنوات من التكثير الانتقائي للحصول على هذه النتائج المرغوب فيها. وهذا وقت طويل جدًّا لانتظار وجبة خفيفة. بفضل الهندسة الوراثية، وهي التعديل الاصطناعي لجينات الكائنات الحية باستخدام التكنولوجيا الحيوية، تصبح هذه العملية أسهل بكثير لأنه يمكننا التحكم في الصفات التي نريد أن يعبر عنها الكائن الحي. لنفترض أن ثمرة الذرة الموضحة هنا قد استهدفتها آفة معينة. بدلًا من تكثير نبات الذرة لإكسابه مقاومة، وهو ما قد يستغرق وقتًا طويلًا جدًّا، يمكننا تعديل النبات بالهندسة الوراثية لكي يحتوي على جينات لمقاومة الحشرات، ما يجبر هذه الحشرة على البحث عن طعامها في مكان آخر. وهذا الجين تحديدًا، كما سنتناوله بمزيد من التفصيل لاحقًا في هذا الفيديو، يأتي من نوع معين من البكتيريا.

في الغالب، تتضمن الهندسة الوراثية دمج ‪DNA‬‏ من مصدرين مختلفين على الأقل، وهما ‪DNA‬‏ بكتيري و‪DNA‬‏ نبات الذرة في هذا المثال، لإنتاج معلومات جديدة. وهذا يسمى ‪DNA‬‏ معاد الاتحاد. من خلال تعديل نبات الذرة بالهندسة الوراثية عن طريق إدخال جين مقاومة الحشرات، ننتج ما يسمى الكائن الحي المعدل وراثيًّا. يوجد العديد من التطبيقات المختلفة للهندسة الوراثية. دعونا نستعرض بعض الأمثلة على كل من هذه التطبيقات في الطب، والنباتات والزراعة، والحيوانات. سنبدأ بتناول بعض التطبيقات الطبية للهندسة الوراثية.

في الطب، يمكن استخدام الهندسة الوراثية لإنتاج أدوية مختلفة لمعالجة أمراض متنوعة. على سبيل المثال، في مرض السكري، لا ينتج الجسم هرمون الإنسولين بمستويات كافية لأداء وظيفته. في الحالة الطبيعية، يرسل الإنسولين إشارات إلى الخلية لامتصاص الجلوكوز. لكن في حالة مرضى السكري، تكون مستويات الإنسولين أقل، ما يعني أن الخلية لا تمتص الجلوكوز بصورة مناسبة، ومن ثم لا تستطيع الخلية تلبية احتياجاتها من الطاقة. لذا، يجب توفير الإنسولين في صورة دواء للتغلب على ذلك.

تتمثل إحدى طرق إنتاج الإنسولين في استخدام خلايا بكتيرية لتكون مصانع مجهرية لتصنيعه. لا تنتج البكتيريا الإنسولين عادة. لذا لتحقيق ذلك، يجب إدخال جين الإنسولين البشري في الخلية البكتيرية. وينفذ ذلك باستخدام ‪DNA‬‏ معاد الاتحاد، حيث يدخل جين الإنسولين البشري في نوع خاص من ‪DNA‬‏ بكتيري يسمى البلازميد. يمكن بعد ذلك نقل ‪DNA‬‏ معاد الاتحاد إلى داخل البكتيريا. وبمجرد دخول ‪DNA‬‏ معاد الاتحاد إلى الخلية، يمكن التعبير عنه لإنتاج بروتين الإنسولين الذي يمكن استخلاصه واستخدامه دواء. هذه العملية، التي تتمثل في إنتاج ‪DNA‬‏ معاد الاتحاد يحتوي على جين مفيد طبيًّا ثم نقله إلى البكتيريا، هي عملية شائعة جدًّا.

الإنترفيرون بروتين له عدة استخدامات علاجية، مثل استخدامه مضادًّا للفيروسات لعلاج السرطان والتصلب المتعدد. والعملية هي نفسها المتبعة في مثال الإنسولين، حيث يدخل جين الإنترفيرون إلى ‪DNA‬‏ بلازميدي للبكتيريا ثم ينقل إلى خلايا بكتيرية تصنع البروتين. على الرغم من وضوح فوائد هذه التكنولوجيا، فإن أحد عيوبها يتمثل في احتمالية مقاومة البكتيريا للمضادات الحيوية. يحتوي ‪DNA‬‏ البلازميدي عادة أيضًا على جينات مقاومة للمضادات الحيوية. وتستخدم هذه الجينات أداة انتقائية لمساعدة العلماء على إنتاج بكتيريا تحتوي على ‪DNA‬‏ معاد الاتحاد؛ إذ إن هذه البكتيريا تنمو في ظل وجود المضادات الحيوية، في حين تموت تلك التي لا تحتوي على ‪DNA‬‏ معاد الاتحاد.

المشكلة المحتملة هنا هي أن هذا البلازميد الذي يحتوي على جين مقاومة المضادات الحيوية يمكن أن ينتقل إلى بكتيريا أخرى قد تكون مسببة للأمراض. فتصبح هذه البكتيريا المسببة للأمراض مقاومة لمضاد حيوي معين، وهو ما قد يزيد صعوبة علاج أي مرض ناتج عن هذه البكتيريا. لهذا السبب، يخضع استخدام هذا النوع من التكنولوجيا لضوابط صارمة لضمان عدم حدوث مثل هذا الأمر.

لنلق نظرة على بعض أمثلة الهندسة الوراثية في النباتات. يعد نقص فيتامين أ من المشكلات الكبرى في العالم؛ إذ يتسبب في أكثر من مليون حالة وفاة كل عام، لا سيما بين الأطفال. وإحدى الطرق المبتكرة للحصول على المزيد من فيتامين أ في النظام الغذائي هي تعديل نبات الأرز وراثيًّا لإنتاج المزيد منه. التخليق الحيوي لفيتامين أ معقد، ويحمل نبات الأرز بشكل طبيعي بالفعل بعض الجينات اللازمة لفعل ذلك. أدخلت سلائف فيتامين أ الناقصة بالهندسة الوراثية في نبات الأرز كي تتيح إنتاج فيتامين أ في حبوب الأرز. ينتج هذا الأرز مستويات عالية من فيتامين أ، ونتيجة لذلك فإن لونه ذهبي، وهذا أيضًا سبب تسميته عادة الأرز الذهبي. من خلال تناول كمية كافية من الأرز الذهبي، يصبح بإمكان الأشخاص تلبية متطلباتهم الغذائية من فيتامين أ. وفي هذه الحالة، ينقذ الأرز حياة الناس بالمعنى الحرفي للكلمة.

ثمة مثال آخر، وهو المثال الذي رأيناه سابقًا. تعد الذرة محصولًا رئيسيًّا في المجال الزراعي، ولا تستخدم فقط لتغذية البشر، وإنما هي أيضًا علف مهم للماشية. وتهاجم الذرة آفات عديدة، منها يرقة بعض أنواع الفراشات أو العث، والمعروفة أيضًا باسم الأساريع. لحماية المحصول من هذه الحشرة الجائعة، يمكننا استخدام الهندسة الوراثية لتوفير المقاومة. أحد الأمثلة على ذلك سم تنتجه بكتيريا ‪Bacillus thuringiensis‬‏، والمعروف بسم ‪Bt‬‏. عدل العلماء نبات الذرة وراثيًّا ليتضمن جين سم ‪Bt‬‏. بهذه الطريقة، أنتجت خلايا نبات الذرة هذا السم. ومن ثم، تموت الآفة عندما تأكله.

سم ‪Bt‬‏ مفيد للغاية لأنه ينشط فقط في القناة الهضمية للحشرات حيث تكون البيئة قاعدية. أما القناة الهضمية للثدييات، فبيئتها حمضية. لذلك، لا ينشط السم فيها. وكما هو متوقع، هذا النوع من الكائنات المعدلة وراثيًّا يمكن أن يقلل استخدام المبيدات الحشرية، الأمر الذي قد يساعد على خفض التكاليف. يتمثل أحد عيوب هذه التكنولوجيا في احتمالية انتقال هذه الجينات إلى أنواع نباتية غير مرغوب فيها، مثل الأعشاب الضارة. في هذه الحالة، النبات الذي كانت الحشرات تقضي عليه بصورة طبيعية قد ينتشر بصورة خارجة عن السيطرة.

ثم عيب محتمل آخر، وهو انخفاض التنوع الوراثي. فإذا كان العديد من المزارعين يستخدمون المحصول نفسه الذي له الصفات الوراثية نفسها في جميع أرجاء العالم، والمشار إليه هنا بهذه النقاط البرتقالية، فقد يمثل ذلك مشكلة إذا ظهر مرض جديد وكان هذا المحصول عرضة للإصابة به. فدون تنوع وراثي، قد يقضى على كل المحاصيل. على الجانب الآخر، إذا استخدمت محاصيل مختلفة وراثيًّا فيما بينها، فمن المستبعد أن يقضي مرض واحد عليها كلها؛ لأن بعضها قد يحمل جينات تمنحها الحماية. في هذا المثال، لنفترض أن جميع النقاط الزرقاء والبرتقالية تمثل محاصيل معرضة لمرض جديد، في حين تمثل النقاط الوردية محصولًا يتمتع بحماية طبيعية.

هذا ما يجعل التنوع الوراثي في المحاصيل مهمًّا. تثير هذه المشكلات التخوف لدى مجموعات المزارعين وغيرهم بشأن الكائنات المعدلة وراثيًّا. ومع ذلك، يعتقد الكثيرون أن إمكانات هذه التكنولوجيا تفوق هذه المشكلات بكثير، ويبذل العلماء جهدًا كبيرًا لتقليل الأخطار المحتملة. حسنًا، لنلق نظرة الآن على بعض أمثلة الهندسة الوراثية في الحيوانات. لا يخفى على أحد أن السلمون من الأسماك اللذيذة. تستغرق عادة أسماك السلمون الأطلسي في المزارع السمكية ما بين 28 و 32 شهرًا تقريبًا لتصل إلى حجم مناسب لبيعها في الأسواق، وهو نحو أربعة إلى خمسة كيلوجرامات. أما أسماك السلمون الأطلسي المعدلة وراثيًّا التي تسمى سلمون «أكوا أدفانتج»، فيمكن أن تصل إلى الحجم نفسه في نصف هذا الوقت تقريبًا.

تتوقف أسماك السلمون الأطلسي عن النمو في أشهر الخريف والشتاء عندما يكون الجو باردًا لدرجة تحول دون إيجاد الطعام الذي تحتاج إليه لتنمو. وفي أثناء هذه الفترة، ينخفض تعبير جينات هرمون النمو لديها انخفاضًا طبيعيًّا. أما سلمون «أكوا أدفانتج»، فيدخل إليه جين يزيد إنتاج هرمون النمو على مدار العام. وبهذه الطريقة، يمكن أن تنمو أسماك السلمون دون توقف وتصل إلى الحجم المطلوب في الأسواق على نحو أسرع بكثير. من الأمثلة الأخرى للحيوانات المعدلة وراثيًّا الفئران المستخدمة في الأغراض البحثية. على مر السنين، طورت عدة سلالات جديدة من الفئران عن طريق الهندسة الوراثية. وهذه السلالات يمكن أن تكون مفيدة في دراسة الجانب الحيوي لأمراض مختلفة، مثل السرطان أو التهاب المفاصل أو السكري أو أي مرض آخر في الواقع.

ومع ذلك، لا يوجد الكثير مما يمكننا تعلمه من النظام الحيوي للفئران. فهي في النهاية فئران ونحن بشر، ويوجد الكثير من الاختلافات بيننا، ليس من الناحية البدنية فحسب، بل على المستوى الجزيئي أيضًا. لذلك، في بعض الحالات، يمكن إضفاء الطابع البشري على الفئران. ولا أقصد هندستها لتبدو مثل البشر، بل لتحمل المكافئ البشري لجينات معينة. على سبيل المثال، يمكن هندسة فأر ليحتوي على عناصر من نظام المناعة البشري، وهو ما قد يفيد في دراسة الأمراض التي تصيب البشر. بمناسبة الحديث عن البشر والتعديل الوراثي، هل تستخدم الهندسة الوراثية على البشر؟ بوجه عام، لا. وهذا ينقلنا إلى موضوع الاعتبارات الأخلاقية للهندسة الوراثية.

حسنًا، هل يجب أن نكون قادرين على تعديل ‪DNA‬‏ بشري؟ يمكن أن تكون الفوائد الطبية لذلك مثيرة للغاية؛ إذ إنه يفتح الباب أمام علاجات جديدة لأمراض مثل مرض القلب والزهايمر والسرطان. لكن مع التطورات في هذه المجالات المشروعة تمامًا، يأتي التشكك من استخدام تعديلات تتعلق أكثر بأهداف جمالية. هل يجب أن نكون قادرين على تعديل لون العينين؟ ماذا عن لون الشعر؟ قد يبدو هذا النوع من التعديلات وضيعًا. ولكن ماذا عن زيادة الكتلة العضلية أو الذكاء؟ هذا النوع من التعديلات لا يغير طبيعة الأفراد فحسب، بل المجتمع أيضًا. إضافة إلى ذلك، فإن معرفتنا المستقاة من الدراسات المجراة باستخدام الحيوانات قد لا تنطبق بصورة جيدة على النظام الحيوي البشري، ومن ثم فنحن لا نعرف فعليًّا التأثيرات الطويلة المدى لمثل هذه التعديلات.

لهذا السبب، امتنع المجتمع العلمي بوجه عام عن إجراء الهندسة الوراثية على البشر. ومع ذلك، في عام 2018، خالف أحد الباحثين ذلك وطبق الهندسة الوراثية على جنينين بشريين. ونتج عن هذين الجنينين ولادة طفلين معدلين وراثيًّا. عدل الجنينين كي يكتسبا مقاومة ضد فيروس نقص المناعة البشرية والجدري والكوليرا. ولد الطفلان بصحة جيدة. لكن التأثير البعيد المدى لم يتضح بعد. الآن بعد أن رأينا العديد من التطبيقات المختلفة للهندسة الوراثية، دعونا نلق نظرة على سؤال تدريبي.

أي من الآتي ليس مثالًا لكائن معدل عن طريق الهندسة الوراثية؟ (أ) فول صويا أنتج ليفرز إنزيمًا يساعده على تحمل مبيدات الأعشاب. (ب) نوع من الذرة يحتوي على جين ينتج بروتينًا سامًّا للحشرات أدخل إلى حمضه النووي ‪(DNA)‬‏، وهذا يعني أنه أصبح مقاومًا للآفات. (ج) العنب الخالي من البذور المرشوش بمحاليل تحتوي على هرمون الجبريلين لزيادة حجمه. (د) نوع من الطماطم يحتوي على جين مضخة ملح متخصصة، أدخل إلى حمضه النووي ‪(DNA)‬‏، وهذا يعني أنه قادر على النمو في تربة شديدة الملوحة.

يتعلق هذا السؤال بالهندسة الوراثية. فما المقصود بها بالضبط؟ دعونا نمسح الخيارات لكي نفسح مساحة أكبر للحل. الهندسة الوراثية هي التعديل الاصطناعي لجزيء ‪DNA‬‏ خاص بالكائن الحي، ويكون ذلك عادة بهدف إنتاج صفات معينة مفيدة. من الأمثلة الجيدة على ذلك تعديل البكتيريا بالهندسة الوراثية لإنتاج هرمون الإنسولين. الإنسولين هرمون يتحكم في مستويات السكر في الدم. ويمكنه فعل ذلك بتوجيه إشارة إلى الخلايا لامتصاص الجلوكوز. وهذا الجلوكوز يمكن أن يتحول بعد ذلك إلى طاقة في الخلايا، وهو لازم للوظائف الفسيولوجية للخلايا. وفي مرض السكري، لا ينتج الجسم الإنسولين بمستويات كافية، ومن ثم لا يمتص الجلوكوز وتنخفض مستويات الطاقة في الخلايا. ودون طاقة كافية، لا يمكن للخلية أداء وظائفها بنفس القدر من الفاعلية.

لذلك في حالة مرض السكري، يجب توفير الإنسولين في صورة دواء. ويكون إعداد الإنسولين في الغالب باستخدام بكتيريا معدلة وراثيًّا. في حالة هذه البكتيريا، يدخل جين الإنسولين البشري في جزء خاص من ‪DNA‬‏ بكتيري يسمى البلازميد. وينقل بعد ذلك إلى البكتيريا. وداخل الخلية البكتيرية، يحدث التعبير عن جين الأنسولين البشري لإنتاج بروتين الأنسولين. ويمكن بعد ذلك استخلاص الأنسولين واستخدامه لعلاج مرض السكري. إذن في هذا المثال، عدلت البكتيريا وراثيًّا لتتضمن جين الأنسولين. الآن دعونا نعد إلى الخيارات ونستعرضها لنرى أيًّا منها ليس مثالًا على الهندسة الوراثية.

في الخيار الذي يشير إلى فول صويا أنتج ليفرز إنزيمًا يساعده على تحمل مبيدات الأعشاب، تشير فكرة إنتاج فول الصويا لإفراز إنزيم إلى أنه قد عدل اصطناعيًّا لكي يحمل جينًا يتيح التعبير عن هذا الإنزيم. إذن، هذا مثال على الهندسة الوراثية. هذا يعني أن هذا الخيار غير صحيح. في الخيار الذي يشير إلى نوع من الذرة يحتوي على جين ينتج بروتينًا سامًّا للحشرات أدخل إلى حمضه النووي ‪(DNA)‬‏، وهذا يعني أنه أصبح مقاومًا للآفات، تشير فكرة إدخال الجين في ‪DNA‬‏ لهذا النوع من الذرة إلى حدوث تعديل اصطناعي لجزيء ‪DNA‬‏ في هذا الكائن، وهذا مثال على الهندسة الوراثية. لذا، هذا الخيار غير صحيح أيضًا.

في الخيار الذي يشير إلى العنب الخالي من البذور المرشوش بمحاليل تحتوي على هرمون الجبريلين لزيادة حجمه، لا يوجد ما يشير إلى الهندسة الوراثية لأن ‪DNA‬‏ لهذا الكائن لم يعدل بأي طريقة. يستخدم فقط في هذه الحالة محلول يحتوي على هرمون، وهو ما يؤدي إلى زيادة حجم العنب. إذن هذا ليس مثالًا على الهندسة الوراثية، وهو ما يسألنا عنه هذا السؤال، ومن ثم فإنه خيار صحيح.

لكن قبل أن ننتهي، دعونا نلق نظرة على الخيار الأخير للتأكد. في هذا الخيار الذي يشير إلى نوع من الطماطم يحتوي على جين مضخة ملح متخصصة، أدخل إلى حمضه النووي ‪(DNA)‬‏، وهذا يعني أنه قادر على النمو في تربة شديدة الملوحة، أدخل جين مضخة ملح في ‪DNA‬‏ الطماطم، وهو تعديل اصطناعي لجزيء ‪DNA‬‏ لهذا الكائن الحي. ومن ثم، فهذا مثال على الهندسة الوراثية، ولذا فإنه خيار غير صحيح.

الآن، لنراجع بعض النقاط الرئيسية التي تعلمناها في هذا الفيديو. الهندسة الوراثية هي التعديل الاصطناعي لجزيء ‪DNA‬‏ في الكائن الحي. توجد مميزات وعيوب للهندسة الوراثية. على سبيل المثال، يمكن استخدام البكتيريا لإنتاج الأنسولين. ومن عيوبها خطر انتقال مقاومة المضادات الحيوية إلى بكتيريا مسببة للأمراض. من المميزات الأخرى استخدام الأرز الذهبي لإنتاج طعام غني بالعناصر الغذائية. أما أحد العيوب الأخرى، فيتمثل في أنه إذا كان الجميع يستخدم المحصول نفسه، فسيؤدي ذلك إلى تقليل التباين الوراثي. وأخيرًا، تثير الهندسة الوراثية العديد من القضايا الأخلاقية، لا سيما في سياق استخدام هذه التكنولوجيا على البشر. ويتعين التفكير في هذه القضايا بعناية.