التقانات الحيوية

تقانات حيويه

-



التقانات الحيوية

عبد الكريم دقه

استعمل المهندس الهنغاري كارل إيريكي Ereky Karl (1878-1952) مصطلح التقانة الحيوية biotechnology أول مرة عام 1919م للدلالة على عمليات تحول المواد الأولية إلى منتجات مفيدة كتلك التي تقوم بها الكائنات الحية لتقديم منتج مثل عمليات التخمر. وفي الواقع بدأت التقانة الحيوية عندما قام الإنسان بزراعة المحاصيل وتدجين الحيوانات واكتشاف تخمر عصير الفواكه إلى نبيذ، وتحول الحليب إلى الجبن أو اللبن وكذلك الحصول على البيرة من تخمر الشعير، وصناعة الخبز الطري باستعمال خميرة الخبز..... وغير ذلك.  ويتألف مصطلح التقانة الحيوية من جزأين bio وتعني biology إشارة إلى علم الأحياء وtechnology وتشير إلى التطبيق application؛ لذلك يمكن صياغة مصطلح التقانة الحيوية بعبارة " تطبيق علم الأحياء" the application of biology.

    ويتضمن التعريف الحالي للتقانة الحيوية أيَّ تطبيق تقني يَستعمِل النظم الحيوية أو الكائنات الحية أو منتجاتها (الإنزيمات-الجينات) لتصنيع منتج أو تعديله بهدف استعمالات معينة مثل: تصنيع الغذاء، والمنتجات الصيدلانية، والطب والزراعة. وقد ظهر علم التقانة الحيوية بإمكاناته الهائلة لرفاهية الإنسان، ابتداءً من تحسين غذائه والعناية بصحته إلى حماية البيئة التي يعيشها. ويمكن تطبيق التقانة الحيوية من طريق:

- تقنية المعالجات الحيوية bioprocessing technique :

تعد هذه التقنية جزءاً حيوياً من التقانة الحيوية التي تتعامل مع العمليات التي تجمع بين المادة الحية الكاملة أو مكوناتها والعناصر الغذائية لصنع مواد كيميائية متخصصة وكواشف ومعالجات حيوية. وتشكل العمود الفقري لترجمة اكتشافات علوم الحياة إلى منتجات صناعية مفيدة. وتُعد الكائنات الحية الدقيقة الوحيدة الخلية -مثل البكتريا والخميرة- الخلايا الحية شائعة الاستعمال؛ إضافة إلى إمكان استعمال خلايا معزولة من النباتات أو الحيوانات وزراعتها في المختبر للحصول على المنتج المطلوب؛ أو أن يُستعمل كامل النبات أو الحيوان. أما أكثر جزيئات الخلية الحيوية استعمالاً في التقانة الحيوية فيكون معظمها من الإنزيمات، وهي بروتينات تُحفِّز التفاعلات الكيميائية الحيوية.

- الهندسة الوراثية genetic engineering:

وهي مجموعة من التقنيات التطبيقية لعلم الوراثة والتقانة الحيوية المستخدمة في التعامل مع المادة الوراثية لواحد أو أكثر من الكائنات الحية بغية تغيير واحد أو أكثر من خصائصها. وهي تلاعب متعمد ومباشر في جينات الكائن الحي لأغراض تطبيقية.

وتعتمد على المعرفة المتزايدة لعلم الوراثة والجينات؛ فيمكن الحصول على كائنات معدلة وراثياً تستعمل للحصول على بعض المنتجات المهمة؛ وكمثال على ذلك استحصل على نبات الذرة المعدل وراثياً والمقاوم لمبيدات الأعشاب، وبذلك يتمكن المزارع من التخلص من الأعشاب الضارة من دون إلحاق الأذى بمحصول الذرة.

 وقد ازداد اهتمام المنظمات الحكومية والقطاع الخاص بأبحاث التقانة الحيوية ليصبح القرن الحادي والعشرين قرن التقانة الحيوية، والتي من أهم مجالاتها الآتي:

التقانة الحيوية والطب

سمحت التقانة الحيوية بإجراء بحوث جديدة للكشف عن كيفية عمل الأجسام السليمة، وما يحدث من أخطاء في عملها عندما تظهر الأمراض في الجسم؛ ممّا أدى إلى ابتكار طرائق وتحسينها لمعالجة الأمراض أو منع حدوثها؛ وهكذا نشأت معظم التطورات في التقانة الحيوية لتطبيقاتها المحتملة في الرعاية الصحية، حيث تُستعمل كثيراً في المجال الطبي لتشخيص الكثير من الأمراض ومعالجتها بسرعة كبيرة ودقة عالية وتكلفة أقل. فمثلاً يمكن الحصول على نتائج اختبارات التهاب الحنجرة والكثير من الإصابات الجرثومية الأخرى خلال عدة دقائق، إلى عدة ساعات؛ وهذا يُمكِّن من البدء في المعالجة مباشرةً بدلاً من التأخر يومين أو ثلاثة أيام مقارنة بالاختبارات التقليدية. وهناك أمراض أكثر خطورة وتعقيداً مثل مرض الإيدز والسرطان وداء لايم Lyme disease، حيث يُستعمل تفاعل البوليمراز المتسلسل Polymerase Chain Reaction (PCR) أو اختبار الفحص المناعي بهدف تحديد وجود الإصابات بوقت مبكر.

     وتُستعمل التقانة الحيوية العلاجية -المصدقة من إدارة الأغذية والأدوية الأمريكية Food and Drug Administration (FDA)، حتى الآن- لمعالجة كثير من الأمراض؛ حيث تتضمن: مرض السكري والجلطة الدماغية وفقر الدم والتليف الكيسي ونقص النمو والتهاب المفاصل الرثوي (الروماتيزمي) والتهاب الكبد والسرطان. فمثلاً أنتج الأنسولين البشري المهندس وراثياً من الإِشْريكِيَّة القولونِيَّة  Escherichia coli غير الممرضة  والمعدلة وراثياً؛ بعد أن كان يؤخذ من بنكرياس الخنازير والأبقار المذبوحة، وكان يسبب الحساسية وبعض ردود الأفعال عند مرضى داء السكري. وكذلك حصل على الإنترفيرون interferon البشري من خلايا مبيض الهامستر الصيني المعدل وراثياً، واستُعمل -بعد تنقيته- دواءً لمعالجة تصلب النسج المتعدد الذي يُعد من أمراض الجهاز العصبي المركزي الخطرة. كما أمكن الحصول على البروتينات البشرية العلاجية من حليب الحيوانات المعدلة وراثياً كالأبقار والماعز؛ حيث استُعملت لتغذية الأطفال الخدج أو لمعالجة الالتهابات المعوية أو أمراض نقص المناعة مثل الإيدز. وتتضمن منتجات التقانة الحيوية الحديثة أوعية دموية اصطناعية من أنابيب كولاجينية مغطاة بطبقة مضادة للتخثر من الهيبارين heparin.

 ويُعد العلاج الجيني Gene therapy للأمراض-بتعديل المادة الوراثية داخل خلايا الكائن الحي- من أكثر الأبحاث الواعدة في مجال التقانة الحيوية؛ وبذلك يمكن إدخال جينات سليمة في الجسم لتحلّ مكان الجينات المتضررة. وثمة محاولات لعلاج الأطفال الذين يولدون مع مرض وراثي؛ أو العمل على تصحيح خلل الجينات التي شخصت في الجنين في مراحل مبكرة من تناميه؛ إذ يتضمن تصحيح الخلل المورثي إدخال الجين الطبيعي في الفرد أو الجنين ليتولى وظيفته ويعوض عن الجين غير الوظيفي.

    وقد استخدم العلاج الجيني أول مرة عام 1990 لطفلة عمرها أربع سنوات تعاني نقص إنزيم نازع أمين الأدينوزين (Adenosine Deaminize (ADA؛ إذ يؤدي هذا الإنزيم دوراً حيوياً وحاسماً في عمل جهاز المناعة. وينشأ هذا المرض بسبب غياب الجين المسؤول عن إنتاج هذا الإنزيم، ويمكن علاجه عند بعض الأطفال بزرع نقي العظام أو إعطاء المريض حقن إنزيم وظيفي ADA؛ إلا أن هذه الطرائق لا تحقق شفاءً تاماً من هذا المرض. في حين أنه في العلاج الجيني تزرع الخلايا اللمفاوية من دم المريض على أوساط زراعية خارج الجسم -كخطوة أولى على طريق العلاج- ثم يُدخَل الدنا المتمم cDNA (بوساطة ناقلات فيروسية) للإنزيم الوظيفي إلى اللمفاويات، والتي تعاد لاحقاً إلى المريض، ويسمى هذا العلاج بالعلاج الجيني خارج الجسم ex vivo؛ لأن الخلايا تُعدَّل وتُعالَج خارج الجسم ثم تعاد إليه.

وظهرت مؤخراً تقانة جديدة تدعى تقانة كريسبر Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPR)، وهي تقنية يمكن استخدامها لتعديل جينات الكائنات الحية بصورة انتقائية تعتمد على أنظمة التصحيح  Cas9-CRISPR الموجود لدى البكتريا بصورة طبيعية؛ إحدى آليات الدفاع المضاد للفيروسات.

وإن قدرة هذه التقانة الحديثة على تعديل تسلسلات دنا DNA معينة تجعلها أداة ذات إمكان واعد لأجل إصلاح الطفرات المسببة للأمراض.

التقانة الحيوية في الطب الشرعي

     أصبح استعمال التقانة الحيوية في مجال التحقيق للكشف عن المجرمين في هذه الأيام من أكثر التطبيقات العملية والواسعة، وذلك بالاستعانة بالبصمة الوراثية؛ حيث تؤخذ عينات من الدنا من الشعر أو سوائل الجسم أو الجلد من ساحة الجريمة، وتُقارن بعينات من المشتبه بهم. كما تُستعمل البصمة الوراثية لإثبات الأبوة؛ لأن المادة الوراثية للطفل موروثة، نصفها من الأم والنصف الآخر من الأب، ولتحقيق ذلك تجري مقارنة البصمة الوراثية للطفل والأم والأب المحتمل؛ فتُستبعد السلاسل المتشابهة بين الأم والطفل من البصمة الوراثية للطفل، وما تبقى يكون من الأب الحقيقي، وتُقارَن بسلاسل الأب المحتمل. كما يستعمل اختبار الدنا لتسليط الضوء على تاريخ نشوء الإنسان والأسلوب الذي عاش فيه أسلافه في أجزاء مختلفة من العالم، وذلك بدراسة المستحاثات البشرية وتحديد الصلة بينها بحسب توزعها الجغرافي والجيولوجي.

التقانة الحيوية والأحياء الدقيقة

      تُستعمل طرائق التقانة الحيوية الآن لإنتاج الكثير من البروتينات باستعمال البكتريا في الصناعات الدوائية؛ لكفاءتها العالية اقتصادياً في إنتاج مواد كيميائية حيوية مثل الإنزيمات والبروتينات، كما يمكن أن تُعدَّل الكائنات الحية الدقيقة لإنتاج إنزيمات هضم، حيث يمكن في المستقبل وضع هذه الكائنات في القناة المعوية للأشخاص المصابين بحالات قصور إنزيمات الهضم. كما استُعملت الكائنات الحية الدقيقة على نطاق واسع لإنتاج الكحول والصادات الحيوية؛ وتُنتَج حتى اليوم مجموعة من الأدوية والمواد الكيميائية الصيدلانية بتقانة الهندسة الوراثية بغرض تحسين نوعها وكميتها، مثل حمض اللبن والغليسرين.

التقانة الحيوية والحيوانات

     يعتمد الإنسان على الحيوانات مثل الأبقار والخراف والخنازير والأسماك لأغراض متعددة مثل الحليب واللحم والبيض والصوف. وقد جرى –سابقاً- تحسين الصفات الوراثية لهذه الحيوانات باستعمال طرائق التربية الاصطفائية التي تتضمن اختيار الحيوانات ذات الصفات الوراثية المرغوبة بالتهجين، ومع ظهور التقانة الحيوية الحديثة أصبح بالإمكان الحصول على هذه الصفات المرغوبة.

  وقد أصبح بالإمكان إجراء تغييرات على المستوى الجيني للحصول على الصفات المرغوبة في الحيوانات؛ وذلك بإدخال جينات خارجية إلى مجين genome الحيوانات والحصول على حيوانات معدلة وراثياً بصفات ثابتة ومستقرة. ويمكن الاستفادة من الحيوانات المعدلة وراثياً في عدة من المجالات، منها:

أ‌- تصبح الحيوانات أداة قوية لدراسة التعبير الوراثي وتطوير عملياته في الكائنات الراقية.

ب‌- تعد مثالاً جيداً لفهم الأمراض التي تصيب الإنسان والتحقّق من علاجها مثل أمراض السرطان والتهاب المفاصل الروماتيزمي والألزهايمر.

ج-  تبدو مجموعة من البروتينات المنتَجة بوساطة هذه الحيوانات مهمة للتطبيقات الدوائية والصناعية؛ فقد أنتجت أول بقرة معدلة وراثياً –وهي روزي "Rosie"- عام 1997 الحليب الغني بالبروتينات البشرية (2.4 غرام لكل لترٍ واحدٍ). حيث احتوى الحليب على ألفا ألبومين اللبن alpha-lactalbumin البشري، وكان هذا الحليب مغذياً للأطفال بمستويات أكبر من الحليب المُنتج من البقر الطبيعي (الشكل 1).

الشكل (1) التحوير الوراثي.

   د- طورت الفئران المعدلة وراثياً لتُستعمل في اختبار اللقاحات قبل تطبيقها على الإنسان بهدف استعمالها لاختبار لقاحات شلل الأطفال.

  هــ - طورت الخنازير المعدلة وراثياً للاستفادة من أعضائها، حيث يمكن زرع هذه الأعضاء داخل جسم الإنسان من دون مخاطر لرفض هذه الأعضاء.  وقد أجريت أول عملية زرع لقلب خنزير معدل وراثياً في كانون الثاني عام 2022، لرجل يبلغ من العمر 57 عاماً مصاباً بمرض قلبي عضال. عاش المريض بعدها لمدة 61 يوماً فقط.

   و‌-   طورت الخنازير والأبقار والخراف بهدف تقليل إنتاج الدهون وزيادة إنتاج العضلات الطرية.  

استنساخ الحيوانات

    تُعد تقنية استنساخ الحيوانات cloning من أكثر طرائق التربية الانتقائية تطوراً، ويمكن الاعتماد عليها لاستنساخ جينات الماشية المرغوبة وضمان الحفاظ عليها بأعلى مستوى من الأمان. والاستنساخ شكل من أشكال التكاثر، وليس تلاعباً بالصفات الوراثية أو تغيير الحمض النووي للحيوانات المُستنسخة، حيث يسمح الاستنساخ لمربي الثروة الحيوانية في إنشاء نسخة وراثية مطابقة تماماً للحيوان المرغوب، وبعبارة أخرى يحصل على توائم متطابقة يمكن بواسطتها الحفاظ على صحة النسل وقوته.

    وتنحصر عملية الاستنساخ الحيواني بنقل نواة الخلية الجسمية إلى الخلية البيضية بعد استبعاد نواتها، وهكذا تُجمع الخلايا الجسمية المحتوية على الحمض النووي من الحيوان المراد استنساخه الذي يسمى بالمعطي الجيني genetic donor، وتُجمع الخلايا البيضية من إناث الحيوان التي تسمى بمعطي البيوض egg donor، ثم يجري التخلص من نواتها المحتوية على الحمض النووي، وتُدخل نواة الخلية الجسمية إلى الخلية البيضية، ثم تُنقل البيوض الناتجة إلى إحدى الأمهات لتتابع تناميها development، وبعد نهاية فترة الحمل تلد الأم الحيوان المشابه تماماً للمتبرع الجيني بصورة طبيعية.

 ويوفر استنساخ الحيوانات فوائد كثيرة، منها:

أ‌- يسمح الاستنساخ للمزارعين ومربي الماشية بتسريع تكاثر حيواناتهم التي هي أكثر إنتاجية بغرض إنتاج غذاء صحي وأكثر أماناً.

ب‌- استنساخ أفضل الحيوانات وأكثرها صحة؛ وهذا يؤدي إلى التقليل من استعمال الصادات الحيوية والهرمونات والمواد الكيميائية الأخرى.

ج- يستفيد المستهلكون من حليب الحيوانات المستنسخة ولحومها لأنها أكثر صحة وأماناً. 

د- يُمكِّن استعمال الاستنساخ من حماية الأنواع المهددة بالانقراض.

الشكل (2) الاستنساخ.

التقانة الحيوية والبيئة

     ازدادت مستويات التلوث البيئي ازدياداً كبيراً في العقد أو العقدين الماضيين، ويرجع في معظمه إلى نشاطات الإنسان بطريقة مباشرة أو غير مباشرة، وقد تزامن ذلك وزيادة  حالات السرطان، وأمراض المناعة، والالتهابات التي تسببها الكائنات الحية الدقيقة المقاومة للصادات الحيوية. وأصبحت السيطرة على التلوث البيئي والمحافظة على البيئة والتنوع البيولوجي ومكافحة التلوث البيئي من مجالات التركيز الرئيسة لجميع البلدان في جميع أنحاء العالم. فقد استُعملت التقانة الحيوية البيئية في معالجة المشكلات البيئية مثل التخلص من النفايات ومنع التلوث، كما استعملت مبيدات الحشرات الحيوية للتحكم بالحشرات والأمراض. وكانت هناك مخاوف جدية بشأن استعمال منتجات التقانة الحيوية وتقييم تأثير هذه المنتجات نظراً لتفاعلها مع العوامل البيئية. وهكذا بُذلت جهود لاستعمال التقانة بهدف حماية البيئة من التلوث والحفاظ على الموارد الطبيعية. وتُعرف الكائنات الحية الدقيقة باسم الكاسحين، الكانسين، الطبيعيين natural scavengers؛ حيث تعيش بعض البكتريا على المكونات الكيميائية للفضلات، وتأخذ ما يلزم من المواد الغذائية لاستمرار حياتها؛ لذلك يمكن استعمال البكتريا - سواء الطبيعية منها أم المهندسة وراثياً-  للتخلص من المواد الخطرة المهدِّدِة للبيئة.

1-  حماية البيئة باستعمال التقانة الحيوية:

أ‌- في مجال صناعة الورق: استبدلت بطرائق تبييض عجينة الورق طرائق أكثر صداقة للبيئة باستعمال التقانة الحيوية، حيث تتطلب عمليات التبييض إزالة الخشبين lignin -من دون إلحاق الضرر بالألياف السلولوزية القيمة- تكاليف باهظة واستعمال طاقة كبيرة، ينتج من هذه العمليات مواد خطرة بالبيئة مرتبطة بالنفايات السائلة الناتجة من التبييض؛ لكن باستعمال التقانة الحيوية جرى عزل إنزيم معالجة الخشبين وتعديله Lignin Degrading Modifying Enzyme (LDM)  من فطر تحلل الخشب فانيروشات Phanerochaete chrysosporium واستعماله في عمليات تصنيع الورق، حيث يساعد على تخفيض تكاليف الطاقة من جهة، ويقلل من خطر النفايات السائلة من جهة ثانية.

ب‌- في مجال صناعة اللدائن (البلاستيك): تتطلب الطرائق التقليدية لصناعة البلاستيك استعمال المواد النفطية الخام للحصول على الإتلين والبروبيلين التي تُحوَّل إلى أكاسيد ألكين alkene oxides ثم بلمرتها لتشكيل البلاستيك مثل بولي بروبلين polypropylene وبولي إتلين polyethylene، ومن مخاطر هذه الطرائق تسرب هذه المواد إلى الجو وتلوث البيئة. أما التقانة الحيوية فتمكِّن من استعمال مواد خام أكثر أماناً مثل السكريات (الغليكوز)، حيث تتحول إلى أكاسيد ألكين بوساطة الإنزيمات أو مباشرة باستعمال الكائنات الحية الدقيقة مثل الميتيلية الكبسولية Methylococcus capsulatus.

2-  المعالجة الحيوية:

     يقصد بالمعالجة الحيوية bioremediation استعمال الكائنات الحية الدقيقة لإزالة الملوثات البيئية ومن ثمَّ تنظيف البيئة، حيث تُحلِّل الكائنات الدقيقة ما يسمى زينوبيوتيك (أجنبيات بيولوجية) xenobiotics، ومن ثمَّ تقلل من تلوث البيئة. ويشير هذا المصطلح إلى المواد الكيميائية الغريبة أو غير الطبيعية المصنَّعة مثل: المبيدات الحشرية ومبيدات الأعشاب والمواد المستعملة للتبريد وبعض المركبات العضوية الأخرى. فعلى سبيل المثال تُحلِّل الزوائف Pseudomonas - وهي كائنات حية دقيقة تعيش في التربة- الزينوبيوتيك بطريقة فعالة، وقد تم تحديد سلالات مختلفة من الزوائف قادرة على إزالة سموم أكثر من 100 مركب عضوي مثل: الفينول ومركبات ثنائي الفينيل والفسفات العضوية والنفتالين. وهناك كائنات حية دقيقة أخرى قادرة على إزالة الأجنبيات مثل: بكتريا المُتَفَطِّرَة Mycobacterium، المُقَلِّيَة Alcaligenes، نوكارديا Nocardia. وفي بعض الحالات تكون المنتجات الثانوية من تفكيك الكائنات الحية الدقيقة للملوثات مفيدةً؛ فمثلاً يمكن استعمال الميتان -الناتج من تحليل البكتريا للفضلات الناتجة من تصنيع الورق- وقوداً أو في عمليات صناعية أخرى. ويَستعمل المهندسون البيئيُّون المعالجة الحيوية في طريقتين أساسيَّتين: فإما أن تقدَّم المواد المغذية لتحفيز نشاط البكتريا الموجودة أساساً في التربة في مكان التلوث؛ وإمّا أن تُضاف بكتريا جديدة إلى التربة حيث تعمل على هضم الفضلات في موقع التلوث، وتحولها إلى منتجات ثانوية غير مؤذية.

3-  استعمال الهندسة الوراثية لزيادة مقدرة المعالجة الحيوية:

   بُذلت في السنوات الأخيرة جهود للحصول على كائنات دقيقة مهندسة وراثياً لتعزيز المعالجة الحيوية، وذلك للتغلب على بعض أوجه القصور والمشكلات؛ منها: أنها تمنع أو تقلل من نمو الكائنات الدقيقة؛ إذ لا يمتلك نوع واحد من الكائنات الحية الدقيقة القدرة على تحليل جميع الزينوبيوتك تحليلاً طبيعياً؛ إضافة إلى أن عملية التحلل بطيئة جداً، ولما كانت معظم الجينات المسؤولة عن تركيب الإنزيمات القادرة على التحليل الحيوي موجودة على البلاسميدات؛ أمكن تحقيق التحوير الوراثي والحصول على سلالات بكترية بمسارات تحلل مختلفة. وقد تمكَّن العالم الهندي كاكرابارتي  A. M. Chakrabarty وفريق عمله عام 1970 من نقل بلاسميد إلى بكتريا الزوائف، وحصلوا على سلالة جديدة سميت سوبربغ superbug قادت إلى تحليل عدد من الهدروكربونات البترولية في وقت واحد، مثل الأوكتان octane والزيلين xylene والكافور camphor، ومَنحت الولايات المتحدة الأمريكية براءة اختراع لهذا العمل عام 1980 لتكون أول براءة اختراع للكائنات الحية الدقيقة المعدلة وراثياً. وكذلك طُوِّرت سلالة جديدة من الزوائف (سلالة ATCC 1915) قادرة على تحليل الفانيلات vanillate (وهي ناتج نفايات من صناعة الورق).

4-  التقليل من غاز ثنائي أكسيد الكربون CO₂ باستعمال التقانة الحيوية:

  يعد غاز CO₂ المسبب الرئيس للاحتباس الحراري، وقد ازداد مستوى هذا الغاز خلال الـ 100 - 150 سنة المنصرمة نحو 25% مع زيادة حرارة الغلاف الجوي 0.5%، وهناك زيادة مطردة لغاز CO₂ بسبب تعدد مصادره، وخصوصاً مع تعدد الصناعات المختلفة. ولهذه الأسباب وغيرها استُعملت التقانة الحيوية للتقليل من محتوى الغلاف الجوي من CO₂؛ وذلك اعتماداً على ما يلي:

أ‌-     تتفوق بعض الطحالب - مثل الكلوريلا pyrenoidosa Chlorella  والسبيرولينا  Spirulina maxima - على النباتات الراقية بقدرتها العالية على استعمال غازCO₂  لعملية التركيب الضوئي  وتحرير كمية من غاز الأكسجين  O₂ أكبر من كمية CO₂  المستهلكة. وإن نمو هذه الطحالب بالقرب من المناطق الصناعية ومحطات توليد الطاقة، حيث يكون انبعاث  CO₂ في الغلاف الجوي مرتفعاً جداً؛ سيساعد على الحد من تأثيرات التلوث التي يسببها هذا الغاز. وتُجرى محاولات كثيرة لتطوير سلالات جديدة من هذه الطحالب باستعمال الهندسة الوراثية التي يمكن أن تتحمل تراكيز عالية من CO₂.

ب‌- تختزن بعض الكائنات الحية التي تعيش في أعماق البحار- مثل الشعاب المرجانية والطحالب الخضراء والحمراء- غاز CO₂ خلال عمليات التكلس الحيوي biological calcification، وتُشكل كربونات الكلسيوم CaCO₃.  

5-  معالجة مياه الصرف الصحي باستعمال الكائنات الدقيقة:

تُعرَّف مياه الصرف الصحي بأنها المياه العادمة الناتجة من مختلف الأنشطة البشرية، مثل الزراعة والصناعة. وتحتوي هذه المياه – في الأساس- مركبات عضوية وغير عضوية ومواد سامة ومعادن ثقيلة وكائنات حية مسبِّبة للأمراض. وتُعالج مياه الصرف الصحي للتخلص من هذه المواد -غير المرغوب فيها- بإخضاع المواد العضوية إلى التحلل الحيوي بوساطة الكائنات الحية الدقيقة. ويتضمن التحلل الحيوي تحطيم المواد العضوية إلى جزيئات أصغر (CO₂، NH₃⁺،PO₄^-3 )، ويتطلب ذلك إمداداً ثابتاً من الأكسجين.  ولما كانت عملية تزويد الأكسجين مكلفة وشاقة وتتطلب الكثير من الخبرة والقوى العاملة؛ فإن التغلب على هذه المشكلات يكون بزراعة الطحالب في الأحواض والخزانات، وتُعالج فيها مياه الصرف الصحي. تحرِّر الطحالب O₂ في أثناء قيامها بعملية التركيب الضوئي الذي يضمن إمدادات مستمرة من الأكسجين للتحلُّل الحيوي. وتستطيع الطحالب تكثيف بعض المعادن السامة بسبب الشحنات السالبة على سطح خلاياها التي تمتص المعادن الموجبة الشحنة. ومن أمثلة الطحالب المستعملة في معالجة الصرف الصحي: الكلوريلا Chlorella، الأوغلينا Euglena، الكلاميدوموناس Chlamydomonas، السينيدوسموس Scenedesmus، الإيلوتريكس Ulothrix، التريبونيما Tribonema.

سلامة البيئة والتقانة الحيوية:

 أتاحت التقانة الحيوية إمكان تطوير المحاصيل وإكسابها صفات جديدة مثل مقاومة الحشرات والأمراض وتحمل مبيدات الأعشاب والإجهادات غير الحيوية وزيادة القيمة الغذائية لبعض المحاصيل. غير أن زيادة إنتاجية هذه المحاصيل باستعمال التقانة الحيوية قد يؤدي إلى بعض المخاطر على الإنسان والبيئة. وتُعالج عدة دول -في جميع أنحاء العالم- مثل هذه المخاوف بوضع سياسات وضوابط لنوعية منتجات التقانة الحيوية قبل طرحها في الأسواق؛ لتنامي الشعور بالقلق فيما يخص سلامة البيئة وصحة الإنسان. وللوقوف عند معالجة هذه المخاوف يبحث الآتي:

1- تأثير الزراعة في البيئة: تحافظ الزراعة على علاقات معقدة ووثيقة الصلة بالبيئة الطبيعية. ولا بد من وضع نهج محدد لمعالجة بعض التأثيرات الزراعية – البيئية، ومعالجة قضايا السلامة البيئية للمحاصيل المعدلة وراثياً، ذلك أن قضايا السلامة البيئية لا تقتصر على المحاصيل المعدلة وراثياً؛ فلكل تقنية جديدة بعض المخاطر والفوائد على حد سواء. ومن أجل معالجة قضايا السلامة لابد من كفاءات لتقييم المخاطر البيئية وإدارتها جنباً إلى جنب مع الإقرار بضرورة أخذ كل حالة على حدة؛ وذلك بحسب بيولوجيا المحاصيل وخصائص الجينات والخصائص البيئية للموقع الذي تزرع فيه المحاصيل. وقد تمكنت بعض الدول من إجراء التجارب الميدانية من دون مخاطر لإنتاج المحاصيل المعدلة وراثياً وتسويقها؛ مما ساهم في زيادة الإنتاجية والحد من الآثار السلبية في البيئة.

ويمكن تحديد أبرز المخاوف فيما يخص المحاصيل المعدلة وراثياً بما يلي:

أ‌- أن تقوم النباتات المعدلة وراثياً بنقل الجين gene (التدفق الجيني gene flow) المدخل فيها إلى نباتات أخرى بريّة أو مزروعة وما ينجم عن ذلك من عواقب.

ب- أن تؤدي المواد الجديدة في الأنواع المعدلة وراثياً إلى آثار سلبية في الكائنات الحية غير المستهدفة مثل النحل.

ج- أن تستطيع الحشرات والآفات أو الأعشاب الضارة تطوير مقاومتها للمبيدات الحشرية التي تنتجها بعض النباتات المعدلة وراثياً؛ ومن ثمّ تخرج عن السيطرة كلياً.

د- الأثر المترتب على الممارسات الزراعية والنظم البيئية–الزراعية agro-ecosystems، وبعض المخاوف غير البيئية المتعلقة بالمنتجات المعدلة وراثياً وسلامة الأغذية إضافة إلى الجوانب الاقتصادية والاجتماعية والأخلاقية ethical والقانونية  .legal

2- الإجراءات المتبعة لمعالجة النقاط الأربع السابقة:

- التدفق الجيني هو تبادل طبيعي للجينات بين النباتات المتوافقة جنسياً sexually compatible  والمزروعة بعضها بالقرب من بعض؛ مما يؤثر في التركيبة الجينية لجماعة نباتية population of plants. أما على مستوى التجارب الحقلية فقد وُضعت استراتيجيات لمنع تدفق الجينات؛ ولا سيّما تلك المعدلة وراثياً، وذلك بوساطة عزلها وترك مسافة كافية بينها وبين الأقارب الآخرين أو بإزالة البنى التكاثرية، وهي الاستراتيجيات نفسها التي تعتمد في نظم إنتاج البذور الموثقة certified، وتعتمد على المواصفات البيولوجية لأنواع المحاصيل المختلفة، والتي طورت وفق الدليل الخاص الصادر عن مجموعة من المؤسسات العامة والمنظمات الدولية، وفي مقدمتها منظمة التعاون الاقتصادي والتنمية (OECD) Organisation for Economic Co-operation and Development  ومنظمة الأغذية والزراعة Food and Agriculture Organization (FAO). وقد استعملت بنجاح على مدى عشرين عاماً لإجراء التجارب الميدانية للمحاصيل المعدلة وراثياً في عدد من دول العالم.

- في ما يخص التأثير في الكائنات غير المستهدفة؛ فإن إدخال الجينة الخاصة بعصية الـ  Bacillus Thuringiensis  (BT) المشفرة للتوكسين المبيد للحشرات في بعض النباتات مثل نبات القطن BT (BT cotton) والذرة BT (BT maize) يجعل هذه النباتات المعدلة وراثياً تنتج المادة المبيدة للحشرات في نسجها طبيعيّاً لحماية نفسها من الكائنات المفترسة التي تتغذى عليها. فالقطن BT مثلاً ينتج بروتينات تعمل ضد حشرات محددة مثل يرقات حرشفيات الأجنحة Lepidopteran larvae، ولا تؤثر سلباً في كائنات أخرى كالنحل والطيور أو دودة الجذر. وقد تأكد ذلك في عدد من الدراسات، ووُثقت النتائج، واستُعملت المركّبات BT بأمان في الزراعات العضوية.

-  تطوير المقاومة :development of resistance  تعريض حشرات أو أعشاب ضارة لكائنات معدلة وراثياً متحملة للحشرات insect tolerant أو متحملة للمبيدات الحشرية insecticide، حيث تطور الحشرات مقاومتها كما تفعل مع المبيدات الحشرية الاصطناعية أو مبيدات الأعشاب؛ وهو الأمر الذي يدعو إلى العودة لاستعمال المبيدات السابقة. ويقترح  خبراء التقانة الحيوية وضع الاستراتيجيات التي تؤخر حدوث مقاومة؛ وإشراف المزارعين على تطبيق ذلك.

 -    الآثار الزراعية البيئية agro-ecological impacts: كما هي الحال مع إدخال أصناف جديدة؛ فإن اتساع زراعة المحاصيل المعدلة وراثياً يمكن أن يؤثر في زراعة المحاصيل البينية والمختلطة، ويقضي بذلك على السلالات المحلية landraces  من الأنواع المزروعة المتأقلمة مع البيئة؛ وقد كان المزارعون يراكمون خبراتهم على مدى فترات طويلة تؤهلهم للحفاظ على نقاء السلالات المحلية بنجاح على الرغم من زراعة أنواع جديدة أو محسنة. وستطبق الاستراتيجيات نفسها لزراعة المحاصيل المعدلة زراعياً. وكان المزارعون يتشاركون في الأنواع المفضلة ومن ثمّ تهجينها، وجرى – منذ بداية تعديل المحاصيل وراثياً- تطوير المحاصيل المقاومة لآفات رئيسة محددة، ومن ثمّ يمكن لآفات ثانوية أن تؤدي إلى مشكلة بعد التخلص من الآفة الأولية.

التقانة الحيوية والصناعة

     يتطلب تصنيع مواد كيميائية مثل بوليمر الأكريلاميد acrylamide كميات كبيرة من الطاقة يرافقها إنتاج مركبات غير مرغوب فيها، مثل حمض كلور الماء. ويمكن إنتاج هذه المواد نفسها بوساطة التقانة الحيوية، حيث تكون أكثر ملاءمة من الناحية الاقتصادية والبيئية. ويجري إدخال إنزيم البروتياز في المنظفات ليكون أحد العناصر الأساسية في المنظفات الحديثة لتحطيم البروتينات والنشاء والحموض الدسمة الموجودة على الشيء المراد غسله. ومن المتوقع أن يزداد تزويد العالم من المواد الكيميائية والوقود - بطرائق التقانة الحيوية - بما يتجاوز  %30 من احتياجاته؛ وذلك في النصف الأول من القرن القادم.

التقانة الحيوية والحاسوب

    يحاول العلماء الآن في جميع أنحاء العالم مزاوجة تقنية الحاسوب مع علم الأحياء باستعمال التصميم الخاص للطبيعة لمعالجة المعلومات، حيث استطاع باحثون تصنيع حاسوب حيوي جزيئي هدفه تخزين المعلومات ضمن جزيئات الدنا DNA التي وجدوها بديلاً من السليكون المستعمل لصناعة رقائق معالجات الحاسوب. وهكذا انبثقت فكرة حوسبة الدنا من قبل عالم الحاسوب ليونارد أدلمان Leonard Adleman  عام 1994م؛ وذلك بعد قراءته كتاب "البيولوجيا الجزيئية للجين" الذي كتبه جيمس واطسون J. Watson. وأشار أدلمان إلى أن حجم ذاكرة التخزين المعتمدة على الدنا 1 بت لكل نانو متر مكعب تعادل تريليون مرة من البيانات المخزنة على القرص المضغوط العادي CD. وبعد ثلاث سنوات من تجاربه طوَّر باحثون في جامعة روشيستر Rochester بوابات منطقية معتمدة على الدنا؛ فالبوابات المنطقية في الحواسيب الإلكترونية ضرورية لتحويل البيانات الثنائية إلى إشارات ذات معنى لتنفيذ العمليات؛ في حين تعتمد بوابات الدنا على قطع محددة من المخطط الوراثي (الخريطة الوراثية) بصفتها مدخلات، كما تعتمد على ارتباطها لتشكيل المخرجات.

ويعمل الحاسوب بآلية كيميائية حيوية مستعملاً الإنزيمات التي تؤثر في الدنا مسببة سلسلة من التفاعلات التي تعطي في النهاية الحلَّ الصحيح، وكشفت تجارب العلماء على الحمض النووي DNA للجسم البشري عن إمكانه إجراء العمليات الحسابية ومعالجتها بسرعة تفوق أسرع المعالجات المتضمنة في أجهزة الحاسوب العملاقة، وكذلك تستطيع تخزين بيانات تفوق مليارات المرات ممّا تقوم بتخزينه الحواسيب الشخصية المستعملة حالياً. ويمكن للقرص المدمج CD أن يخزن معلومات بحجم 800 ميغا بايت على حين يمكن  لـغرام واحد من الدنا أن يخزن معلومات بما يعادل 145 تريليون من الأقراص المدمجة. واستطاع العلماء تصنيع حاسوب دنا صغير جداً يستطيع إجراء بليون عملية في الثانية الواحدة وبدقة 99.8%. ومن المحتمل أن يتحقق-بعد مدة- التواصل مع الحاسوب بوساطة إعطائه أوامر صوتية بدلاً من استعمال أطراف الأصابع.

التصنيف : الوراثة والتقانات الحيوية

النوع : الوراثة والتقانات الحيوية

المجلد: المجلد التاسع

رقم الصفحة ضمن المجلد : 0

آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية