كل ما تريد معرفته عن التكنولوجيا الحيوية

التكنولوجيا الحيوية هي استخدام الكائنات الحية (مثل البكتيريا والنباتات)، أو مكوناتها (مثل البروتينات والحمض النووي)، بغرض إنتاج منتجات صناعية، أو تشخيص الأمراض، أو علاج الأمراض.

وأهم مجال للتكنولوجيا الحيوية هو إنتاج البروتينات العلاجية والأدوية من خلال الهندسة الوراثية.

اقرأ أيضاً أبرز التقنيات الحديثة في مجال التكنولوجيا الحيوية

تطبيقات التكنولوجيا الحيوية

1- يمكن استخدام الهندسة الوراثية لإنتاج نباتات تحتوي على صفات محسَّنة (مثل النباتات التي تتحمل الجفاف أو الملوحة أو الحرارة أو الملوثات)، والتحكم في شكل وحجم النباتات، أو إنتاج كميات أكبر من النباتات، أو إضافة عناصر غذائية إلى النباتات، مثل إنتاج الأرز الذهبي، وهو نوع من الأرز المعدَّل وراثيًّا ليحتوي على فيتامين A.

2- الإنتاج الحيواني: تطوير الحيوانات التي تنتج منتجات مفيدة مثل الحليب والبيض واللحم بصورة أفضل.

3- تشخيص الأمراض: استخدام الميكروبات أو الخلايا أو الإنزيمات المعدَّلة وراثيًاّ لإنتاج مواد ذات قيمة عالية، مثل الإنزيمات الصناعية والأحماض الأمينية والفيتامينات والهرمونات، التي يمكن استخدامها في التشخيص أو الوقاية أو العلاج.

4- استخدام تقنيات التكنولوجيا الحيوية، مثل تحرير الجينات والعلاج الجيني والهندسة الوراثية، لإنتاج أدوية ولقاحات وعلاجات جديدة وفعَّالة لمعالجة بعض الأمراض الوراثية أو المناعية أو السرطانية، مثل الإنسولين وهرمون النمو والعقاقير المضادة للالتهابات والعقاقير المضادة للسرطان، أو استخدامها في زرع أعضاء جديدة باستخدام المحتوى الوراثي للمريض بدلًا من نقل الأعضاء من متبرعين.

5- الإنتاج الصناعي: تُستخدم التكنولوجيا الحيوية في عدة صناعات باستخدام الكائنات الحية أو المكونات الحيوية، مثل إنتاج الكحول والإنزيمات والبروتينات والمواد الكيميائية والمستحضرات التجميلية والمطهرات والمطاط والورق والمنسوجات والجلد والبلاستيك القابل للتحلل.

6- إنتاج الوقود الحيوي: استخدام التكنولوجيا الحيوية لإنتاج مصادر بديلة للطاقة من المصادر الحيوية، مثل إنتاج الإثانول من قصب السكر وإنتاج وقود الديزل من زهور عباد الشمس، أو من النفايات العضوية، مثل إنتاج غاز الميثان من الفضلات الحيوانية أو النباتية.

7- إنتاج بكتيريا مفيدة للبيئة (مثل البكتيريا المساعدة على تحويل النيتروجين الجوي إلى مواد غذائية للنباتات، أو البكتيريا التي تساعد في تنقية المياه من الملوثات أو التخلص من المخلفات العضوية).

8- استخدام التكنولوجيا الحيوية في مجال الطب الشرعي وإجراء تحاليل DNA.

اقرأ أيضاً التكنولوجيا الحيوية

أهمية استخدام تقنيات التكنولوجيا الحيوية

 1- أهمية علمية وتقنية، عن طريق اكتشاف وابتكار وتطوير منتجات وخدمات جديدة ومفيدة تستند إلى النظم البيولوجية أو المشتقة منها.

 2- أهمية إقتصادية، عن طريق توليد ربحية للمنتجات والخدمات التي تستهدف احتياجات المستهلكين، وكذلك جذب التمويل والاستثمار من مصادر مختلفة.

 3- أهمية قانونية وأخلاقية، عن طريق المساهمة في صياغة وتطبيق القوانين والتوجيهات التي تضمن استخدام آمن للتكنولوجيا الحيوية في مختلف المجالات، وكذلك حماية حقوق الملكية الفكرية والخصوصية والسلامة والأمان للمشاركين أو المستهلكين.

 4- أهمية اجتماعية وثقافية، عن طريق تعزيز التعاون والتبادل بين الباحثين والمبتكرين من مختلف التخصصات والقطاعات والبلدان، وكذلك تحسين جودة حياة الإنسان والبيئة من خلال حل بعض التحديات العالمية، مثل الأمراض أو التغير المناخى.

اقرأ أيضاً تخصص التكنولوجيا الحيوية

شركات تعمل في مجال التكنولوجيا الحيوية

إنفيتا (Invitae):

 شركة تقدِّم خدمات الوراثة الطبية للمرضى والمقدمين لتقديم معلومات وراثية دقيقة وفعَّالة باستخدام التكنولوجيا الرقمية.

ميرك (Merck):

 شركة عالمية تعمل في مجال الأدوية والتكنولوجيا الحيوية وتقدِّم منتجات لعلاج ومنع بعض الأمراض المزمنة والخطيرة.

تاكيدا (Takeda):

شركة يابانية تعمل في مجال الأدوية والتكنولوجيا الحيوية وتركِّز على تطوير علاجات مبتكرة لبعض الأمراض النادرة أو المعقدة.

اقرأ أيضاً بيوتكنولوجي ماذا تعني؟

بعض المصطلحات المتعلقة بالتكنولوجيا الحيوية

- الهندسة الوراثية: تعديل الجينات أو الحمض النووي في كائن حي لإضافة صفة معينة أو إنتاج مادة معينة.

- الكائن المعدل وراثيًّا: كائن حي يحتوي على جين أو حمض نووي أُدخل أو أُزيل أو غُيِّر بواسطة الهندسة الوراثية.

 - تحرير الجينات: تقنية تسمح بإضافة أو حذف أو تغيير جزء من جين أو حمض نووي في كائن حي بدقة عالية.

- CRISPR-Cas9: تقنية تحرير جينات شائعة تستخدم نظامًا من البروتينات للقطع والإصلاح في مكان محدد من الجين أو الحمض النووي.

 - خلية جرثومية: خلية جسمية بدائية تسهم في إنتاج خلايا البويضات والحيوانات المنوية.

 ما هى الهندسة الوراثية Genetic Engineering؟

الهندسة الوراثية هي التلاعب الاصطناعي والتعديل وإعادة تركيب جزيئات الحمض النووي بهدف تعديل كائن أو مجموعة من الكائنات.

تقنيات الهندسة الوراثية

 1- استنساخ الجينات، هي عملية استخلاص المادة الوراثية من كائن وإدخالها في خلية مضيفة أخرى لعمل مستنسخ من هذا الكائن.

 2- نقل الجينات، هي عملية نقل جزء من الحمض النووي من كائن إلى آخر.

3- تحرير الجينات: هي عملية تغيير أزواج قاعدية محددة (A-T - C-G) أو حذف منطقة من الحمض النووي أو إضافة قطعة جديدة إلى الحمض النووي.

أهمية الهندسة الوراثية في المجالات المختلفة:

 1- في مجال الطب، يمكن أن تساعد الهندسة الوراثية في إنتاج منتجات طبية مهمة مثل الإنسولين البشري وهرمون النمو البشري والألبيومين البشري ولقاح فيروس التهاب الكبد B، وكذلك في إجراء علاج جيني لمعالجة بعض الأمراض الوراثية أو المناعية.

2- في مجال البحث، يمكن أن تساعد الهندسة الوراثية في دراسة وظائف الجينات والبروتينات والخلايا والأنسجة والكائنات الحية، وكذلك في تطوير أدوات وتقنيات جديدة للتحليل والتشخيص، وأيضًا دراسة بعض الأمراض التي تصيب الإنسان مثل السرطان وأمراض القلب والسمنة والسكر والتهاب المفاصل والشيخوخة ومرض باركنسون.

 3- في مجال الصناعة، يمكن أن تساعد الهندسة الوراثية في إنتاج مواد ذات قيمة عالية من خلال استخدام الميكروبات أو الخلايا أو الإنزيمات المعدَّلة وراثيًّا، مثل الإنزيمات الصناعية والأحماض الأمينية والفيتامينات والهرمونات والوقود.

 4- في مجال الزراعة، يمكن أن تساعد الهندسة الوراثية في تحسين إنتاجية أو جودة المحاصيل، وكذلك في تطوير مقاومة للأعشاب الضارة أو الحشرات أو الأمراض أو التغيرات المناخية. كما يمكن أن تساعد في إعادة إحياء بعض الأنواع المهددة بالانقراض أو إحداث تغييرات جذرية في بعض الخصائص المورفولوجية أو الفسيولوجية للنباتات.

مخاطر الهندسة الوراثية

 1- يمكن أن تسبب منتجات الهندسة الوراثية آثارًا جانبية غير متوقعة أو خطيرة على الصحة البشرية، مثل حدوث ردود أفعال تحسسية أو تغيرات وراثية غير مرغوب فيها أو انتقال جينات غريبة إلى الخلايا البشرية.

 2- يمكن أن تسهم الهندسة الوراثية في إنشاء مسببات أمراض قاتلة أو مقاومة للمضادات الحيوية، والتي يمكن استخدامها كأسلحة بيولوجية أو إرهابية. كما يمكن أن تؤدي إلى خسارة التنوع الوراثي أو التدخل في التوازن البيئي.

 3- يمكن أن تؤدي الهندسة الوراثية إلى حدوث تلوث بيولوجي أو كيميائي نتيجة لانتشار الميكروبات أو الخلايا أو الإنزيمات المعدَّلة وراثيًّا في البيئة. كما يمكن أن تؤدي إلى حدوث احتكار اقتصادي أو سياسي للشركات أو الدول المستفيدة من هذه التقنية على حساب الشركات أو الدول الأقل تطورًا.

 4- يمكن أن تؤدي الهندسة الوراثية إلى حدوث انتقال للجينات المعدَّلة وراثيًّا إلى أنواع أخرى غير مستهدفة، ما قد يسبب ضررًا بيولوجيًّا أو صحيًّا أو اقتصاديًّا. كما يمكن أن تؤدي إلى حدوث مشكلات أخلاقية أو دينية أو اجتماعية بسبب التلاعب بالحياة والطبيعة.

 تحرير الجينات Genome Editing

تحرير الجينات هو عملية تغيير أزواج قاعدية محددة (A-T - C-G) أو حذف منطقة من الحمض النووى أو إضافة قطعة جديدة إلى الحمض النووي لإعادة كتابة المادة الوراثية لأي كائن حي. تحرير الجينات يتم باستخدام إنزيمات، خاصة (النيوكلييزات) التي صُمِّمت لاستهداف تسلسل حمض نووي معين، فتحدث قطعًا في سلاسل الحمض النووي، ما يتيح إزالة الحمض النووي الموجود وإدخال الحمض النووي البديل.

تقنيات تحرير الجينات

1- إحدى أهم التقنيات المستخدمة في تحرير الجينات هي أداة جزيئية تسمى CRISPR-Cas9، وهي تقنية قوية اكتشفتها العالمتان جنيفر دودنا وإيمانويل شاربانتيه في عام 2012 وطوَّرها العالم فنج زانج.

وتعمل تقنية CRISPR-Cas9 بدقة، ما يتيح للباحثين إزالة وإدخال الحمض النووي في المواقع المرغوبة.

 آلية عمل CRISPR-Cas9:

 يتكون CRISPR-Cas9 من جزأين رئيسين؛ جزء RNA الدليل (gRNA)، وجزء إنزيم  Cas9.

يتصل gRNA بتسلسل حمض نووي مستهدف، ويتصل Cas9 بـ gRNA ويقطع سلاسل الحمض النووي على مسافة قصيرة من gRNA في مكان يعرف باسم  protospacer adjacent motif (PAM).

يترك هذا قطعًا ثنائي السلسلة في التسلسل المستهدف، يتم إصلاحه من خلال: الإصلاح غير المتجانس (NHEJ)، أو الإصلاح المتجانس (HDR).

 NHEJ: هي عملية سريعة وغير دقيقة، تُلصق فيها سلاسل الحمض النووي المقطوعة معًا دون استخدام قالب. وهذا قد يؤدي إلى حدوث طفرات إدخال أو حذف في التسلسل المستهدف، ما قد يؤدي إلى تعطيل وظائف الجين. 

HDR: هي عملية بطيئة ودقيقة، يُستخدم  فيها قالب حمض نووي لإصلاح سلاسل الحمض النووي المقطوعة. وهذا يتيح إدخال تغييرات محددة في التسلسل المستهدف، مثل تصحيح طفرة أو إضافة جين جديد.

2- إنزيمات القطع restriction enzymes: أول محررات الجينوم، وهي بروتينات تقطع الحمض النووي في مواقع محددة بناءً على تسلسله.

3- النوكلييزات الزنكية: تقنية تستخدم بروتينات ذات أصابع زنكية مصممة للارتباط بتسلسلات حمض نووي محددة وقطعها.

بعض الأمثلة على تحرير الجينات في مجالات مختلفة

1- في مجال الطب، يمكن استخدام تحرير الجينات لإنتاج أدوية ولقاحات وعلاجات جينية لمعالجة بعض الأمراض الوراثية أو المناعية أو السرطانية. مثال على ذلك استخدام CRISPR-Cas9 لتصحيح طفرة في جين BCL11A لزيادة إنتاج الهيموجلوبين في خلايا دم مرضى فقر الدم المنجلي.

 2- في مجال البحث، يمكن استخدام تحرير الجينات لدراسة وظائف وتفاعلات الجينات والبروتينات والخلايا والأنسجة في الكائنات الحية، وكذلك لتطوير نماذج حيوانية لبعض الأمراض، مثال على ذلك استخدام CRISPR-Cas9 لإدخال طفرات في جين BRCA1 في خلايا سرطان الثدي البشرية لدراسة دوره في تطور المرض.

 3- في مجال الصناعة، يمكن استخدام تحرير الجينات لإنتاج مواد ذات قيمة عالية من خلال استخدام الميكروبات أو الخلايا أو الإنزيمات المعدَّلة وراثيًّا، مثل الإنزيمات الصناعية والأحماض الأمينية والفيتامينات والهرمونات. مثال على ذلك استخدام CRISPR-Cas9 لزيادة إنتاج حمض الجلوتاميك في بكتيريا Corynebacterium glutamicum.

4- في مجال الزراعة، يمكن استخدام تحرير الجينات لتحسين إنتاجية أو جودة المحاصيل، وكذلك لتطوير مقاومة للأعشاب الضارة أو الحشرات أو الأمراض أو التغيرات المناخية. مثال على ذلك استخدام CRISPR-Cas9لإزالة جزء من جين EPSPS في نبات الذرة لإضفاء مقاومة للمبيد الحشري جلايفوسات.

5- في مجال البيئة، تحرير الجينات يمكن أن يستخدم لحماية وتحسين الأنظمة البيولوجية، مثل حفظ وإعادة إحياء بعض الأنواع المهددة بالانقراض أو التخلص من بعض الأنواع الغازية أو تحسين قدرة بعض الكائنات على التحلل. مثال على ذلك تحرير جين MC1R في الفئران السوداء لتغيير لونها إلى الرمادي وتقليل قدرتها على التكاثر والانتشار.