كيف ستساعد أداة تحرير الجينات المبتكرة العالم على التكيف مع تغير المناخ.. تطوير أرز يمكنه تحمل الظروف الجافة

تقول جينيفر دودنا، إحدى مخترعات أداة تحرير الجينات المبتكرة كريسبر، إن هذه التكنولوجيا ستساعد العالم على التعامل مع المخاطر المتزايدة لتغير المناخ من خلال توفير محاصيل وحيوانات أكثر ملاءمة للظروف الأكثر حرارة أو جفافًا أو رطوبة أو غرابة.

وتقول دودنا، التي تقاسمت جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2020 عن دورها في هذا الاكتشاف: “إن الإمكانات هائلة، هناك ثورة قادمة الآن مع تقنية كريسبر”.

في الشهر الماضي، استضاف معهد الابتكار الجينومي (IGI)، الذي أسسته دودنا، قمة المناخ والزراعة في جامعة كاليفورنيا في بيركلي، حيث سلط المتحدثون الضوء على الدور الذي يمكن أن تلعبه تحرير الجينوم في معالجة المخاطر المتزايدة لتغير المناخ.

أول علاج طبي معتمد

ونشرت دودنا وزملاؤها بحثهم الرائد حول هذه التقنية في مجلة ساينس قبل 12 عامًا، حيث أظهروا أنه يمكن برمجة نظام المناعة البكتيري لتحديد وقص أجزاء معينة من الحمض النووي.

وقد بدأ المرضى الأوائل في تلقي أول علاج طبي معتمد تم إنشاؤه باستخدام المقص الجينومي، وهو علاج جيني لمرض فقر الدم المنجلي – وقائمة متزايدة من الأطعمة المصنعة باستخدام كريسبر تصل ببطء إلى أرفف متاجر البقالة.

وهناك المزيد من النباتات والحيوانات التي تم تعديلها باستخدام تقنية كريسبر في الطريق، وقد تم تعديل عدد منها لتعزيز السمات التي يمكن أن تساعدها على البقاء أو الازدهار في ظروف تغذيها تغير المناخ، وهو ما بدأ في تحقيق وعد طويل الأمد للهندسة الوراثية.

ويشمل ذلك ذرية اثنين من الماشية التي قامت شركة أكسيليجين، وهي شركة تربية دقيقة مقرها مينيسوتا، بتعديلها بحيث يكون لها معاطف أقصر تناسب درجات الحرارة المرتفعة بشكل أفضل.

في عام 2022، قررت إدارة الغذاء والدواء الأمريكية أن اللحوم والمنتجات الأخرى من تلك الماشية “تشكل مخاطر منخفضة على الناس والحيوانات وإمدادات الغذاء والبيئة”، ويمكن تسويقها للبيع للمستهلكين الأمريكيين.

وتستخدم شركات أخرى تقنية كريسبر لتطوير الذرة ذات سيقان أقصر وأقوى، مما قد يقلل من خسارة المحاصيل بسبب العواصف القوية على نحو متزايد؛ ومحاصيل غطاء جديدة يمكن أن تساعد في عزل المزيد من ثاني أكسيد الكربون وإنتاج الوقود الحيوي؛ والحيوانات التي يمكن أن تقاوم الأمراض الحيوانية المنشأ التي قد يساعد تغير المناخ على انتشارها، بما في ذلك إنفلونزا الطيور .

تطوير الأرز الذي يمكنه تحمل الظروف الجافة

من ناحيتها، تعمل IGI على تطوير الأرز الذي يمكنه تحمل الظروف الجافة، فضلاً عن المحاصيل التي يمكنها امتصاص وتخزين المزيد من ثاني أكسيد الكربون ، وهو الغاز الرئيسي المسبب لظاهرة الاحتباس الحراري والذي يتسبب في تغير المناخ.

لقد حققت تقنيات التعديل الوراثي القديمة، والتي تتضمن نقل الجينات من كائن حي إلى آخر، نجاحات كبيرة في المجال الزراعي، بما في ذلك المحاصيل المقاومة لمبيدات الأعشاب والذرة والبطاطس وفول الصويا ذات الحماية المعززة ضد الآفات.

وقد أثار استخدام مثل هذه الأدوات لتعديل المحاصيل مخاوف من أن ما يسمى بالأطعمة المتحولة وراثيا من شأنه أن يؤدي إلى تفاقم الحساسية والتسبب في الأمراض لدى البشر، على الرغم من أن هذه المخاوف الصحية كانت مبالغ فيها على نطاق واسع .

والأمل الكبير هنا هو أن تساعد قدرة كريسبر على إزالة أجزاء محددة من الحمض النووي داخل الجينومات الحالية للنباتات والحيوانات في تسريع وتسهيل عملية إنتاج المحاصيل والمواشي المقاومة للتغيرات المناخية، وتجنب العديد من المزالق التي قد تترتب على تقنيات التربية والتعديل السابقة.

والوعد الإضافي هنا هو أن المنتجات الناتجة قد تكون أكثر جاذبية للجمهور، لأنها غالباً ما لا تحمل الحمض النووي من كائنات حية أخرى ــ ولن يتم تصنيفها على أنها معدلة وراثياً. (ومع ذلك، يمكن استخدام كريسبر لإنتاج مثل هذه النباتات والحيوانات المعدلة وراثياً أيضاً).

وتقول دودنا، أستاذة الكيمياء الحيوية في جامعة كاليفورنيا في بيركلي: “من المثير للغاية أن نرى هذه المنتجات تخرج إلى النور، لأنها تحدث تأثيرات حقيقية في العالم الحقيقي وهي مهمة للغاية، خاصة وأننا نتعامل مع تغير المناخ ومع تزايد عدد سكاننا”.

ولكن لا تزال هناك عقبات كبيرة أمام تطوير وتسويق المحاصيل والحيوانات التحويلية الجديدة، فضلاً عن وجود حدود لمدى قدرة هذه الأداة على مساعدة المزارعين والمجتمعات المحلية في المناطق التي تصبح شديدة الحرارة أو الجفاف أو الرطوبة في العقود المقبلة.

الأطعمة التي ستخضع لعملية CRISPRed في المستقبل

في السنوات الأخيرة، خففت وزارة الزراعة الأمريكية من قواعدها المتعلقة بتنظيم ووضع العلامات على الأغذية المعدلة وراثيا بطرق تفتح الطريق أمام العديد من التعديلات باستخدام تقنية كريسبر.

ولا تزال الوزارة تشرف على النباتات والحيوانات المعدلة وراثيا وتطالب بالإفصاح عنها في كثير من الأحيان، لكنها قررت أنها لن تنظم الأغذية عندما تستخدم أدوات تحرير الجينوم مثل كريسبر لإجراء “تعديل واحد كان من الممكن إنتاجه من خلال التربية التقليدية” على مدى فترات زمنية أطول.

وتقول دودنا عن هذا التمييز التنظيمي: “نحن ببساطة نقدم سمة كان من الممكن أن تحدث بشكل طبيعي. ولكننا قمنا بتسريع هذه العملية باستخدام تقنية كريسبر”.

وأكدت وزارة الزراعة الأميركية للشركات أو مجموعات البحث أن عشرات المحاصيل التي تم تطويرها باستخدام تقنية كريسبر ستكون معفاة من التنظيم، وذلك وفقاً لمراجعة الوثائق العامة التي أجراها معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT Technology Review ).

وتقول تشافوندا جاكوبس يونج، كبيرة العلماء بوزارة الزراعة الأمريكية، إن تسخير تقنية كريسبر والتقنيات المماثلة سيكون أمرًا بالغ الأهمية لإطعام سكان العالم المتزايدين دون توسع كبير في الأراضي والأسمدة والموارد الأخرى المخصصة للزراعة.

جاكوبس يونج الأستاذة بجامعة كاليفورنيا في بيركلي، تقول: “نحن بحاجة إلى أدوات عالية التقنية، وسوف تكون هذه الأدوات بمثابة مفتاح مهم لمساعدتنا في ضمان حصولنا على إمدادات غذائية آمنة ووفيرة ولذيذة وبأسعار معقولة”.

إن أساليب التربية التقليدية ــ التي تشمل تهجين أنواع مختلفة من النباتات والحيوانات أو استخدام الإشعاع أو المواد الكيميائية لخلق الطفرات ــ عملية معقدة. فهي قد تخلق العديد من التغييرات في مختلف أنحاء الجينوم، وهي تغييرات ليست مفيدة بالضرورة، وتتطلب قدراً كبيراً من التجربة والخطأ لاستخلاص التحسينات.

تقول إيما كوفاك، المحللة الرئيسية للأغذية والزراعة في معهد بريكثرو: “الشيء المثير في تقنية كريسبر لتحرير الجينات هو أنه يمكنك إجراء التغييرات بالضبط حيث تريدها”. “إنها ضخمة للغاية من حيث توفير الوقت والمال”.

ولكن على الرغم من قوة ودقة تقنية كريسبر، فإنها لا تزال تتطلب قدراً كبيراً من العمل لاستهداف الجزء الصحيح من الجينوم، لتقييم ما إذا كانت أي تغييرات توفر الفوائد المرجوة ــ والأهم من ذلك، لضمان عدم حدوث أي تعديلات على حساب الصحة العامة للنبات أو سلامة الغذاء.

ولكن أدوات تحرير الجينات المحسنة ساعدت أيضاً في إحياء وتسريع الأبحاث الرامية إلى فهم أفضل للجينومات المعقدة للنباتات، والتي غالباً ما تكون أطول بعدة مرات من الجينوم البشري. ويساعد هذا العمل العلماء في تحديد الجينات المسؤولة عن السمات ذات الصلة والتغييرات التي قد تؤدي إلى تحسينات.

وتقول دودنا إننا سنرى المزيد من المحاصيل المعدلة لتعزيز قدرتها على التكيف مع تغير المناخ مع تقدم الأبحاث في هذا المجال، وتضيف”في المستقبل، ومع اكتشافنا للمزيد والمزيد من الجينات الأساسية للصفات، فإن تقنية كريسبر يمكن أن تكون بمثابة تطبيق عملي للغاية لإنشاء أنواع النباتات التي ستتعامل مع هذه التحديات القادمة”.

نباتات عملية وأبقار مهذبة

وتسلط جهود المعهد الدولي للزراعة لتطوير نوع من الأرز أكثر قدرة على تحمل الجفاف مقارنة بالأصناف القياسية الضوء على الوعد والتحديات التي تنتظرنا.

استخدمت العديد من مجموعات البحث تقنية كريسبر لتعطيل جين يؤثر على عدد المسام الصغيرة في أوراق النبات. تسمح هذه المسام، المعروفة باسم الثغور، للأرز بامتصاص ثاني أكسيد الكربون، وإطلاق الأكسجين، وإطلاق الماء كوسيلة للتحكم في درجة الحرارة.

والأمل هو أنه مع وجود عدد أقل من الثغور، يمكن للنباتات الاحتفاظ بمزيد من الماء من أجل البقاء والنمو في ظروف أكثر جفافًا.

 

ولكن ثبت أن تحقيق التوازن بين الأمرين عملية شائكة. فقد نجحت جهود بحثية سابقة في القضاء على ما يسمى بجين STOMAGEN.

وقد أدى ذلك إلى القضاء على ما يصل إلى 80% من المسام، وهو ما أدى بالتأكيد إلى تقليل فقدان الماء. ولكنه أدى أيضاً إلى تقويض قدرة النباتات على امتصاص ثاني أكسيد الكربون وإطلاق الأكسجين، وكلاهما ضروري لعملية التمثيل الضوئي.

ركز باحثو معهد IGI على جين مختلف، وهو EPFL10، والذي كان له تأثير أقل دراماتيكية، حيث قلل عدد المسام بنحو 20%. ووفقًا للبحث الذي نشرته المجموعة، ساعد هذا التعديل النباتات على الحفاظ على الماء ولكنه لم يؤثر على قدرتها على تنظيم درجات الحرارة أو تبادل الغازات.

وتقول دودنا عن تقنية كريسبر: “إنها ترفع مستوى تربية النباتات إلى المستوى التالي، يمكننا تعديل أعداد هذه المسام من خلال زيادة أو خفض جينات معينة .. إلى المستويات التي تدعم نمو النباتات بالفعل وتسمح للمزارعين بإنتاج الأرز بالجودة والعائد الذي يحتاجون إليه، ولكن دون فقدان المياه”.

وتستكشف المنظمة أيضًا السبل التي يمكن أن تستخدمها تقنية كريسبر لمعالجة تغير المناخ بشكل أكثر مباشرة، ويشمل ذلك برنامجًا بحثيًا يهدف إلى تقليل غاز الميثان الذي تفرزه الماشية، والذي يعد المصدر الأساسي لانبعاثات الغازات المسببة للاحتباس الحراري العالمي المرتبطة بالثروة الحيوانية.

ويعمل معهد IGI مع باحثين في جامعة كاليفورنيا، ديفيس، وأماكن أخرى لاستكشاف ما إذا كان من الممكن استخدام CRISPR والأدوات الناشئة الأخرى لتغيير الميكروبات الموجودة في معدة الماشية بطرق من شأنها أن تقلل من إنتاجها من غاز الاحتباس الحراري القوي.

وتعمل عدد من مجموعات البحث والشركات الناشئة على الحد من هذه الانبعاثات من خلال إضافات الأعلاف ، والتي غالبًا ما تكون مشتقة من نوع من الأعشاب البحرية. لكن الأمل هو أن تكون التغييرات في ميكروبيوم الأبقار دائمة وقابلة للتوريث، كما يقول براد رينجيسن، المدير التنفيذي لـ IGI.

ويقول “إذا نجحنا، فمن المحتمل أن يكون هذا شيئًا يمكن تطبيقه على كل بقرة تقريبًا في العالم”.

الوسم والسلامة

يقول كوفاك إن هناك الكثير من التحديات التي قد تعيق تطوير الحيوانات والنباتات المعدلة وراثيا باستخدام تقنية كريسبر، بما في ذلك العقبات التنظيمية المستمرة التي تواجه المنتجات التي يتم فيها إدخال الحمض النووي الأجنبي أو إجراء تعديلات أكثر تعقيدا. كما يمكن أن تكون المعارك الجارية حول الحقوق الفكرية للأداة والمتغيرات الناشئة منها، والتكاليف أو الأعباء التي يتعين على الشركات تحملها للاستفادة من هذه التكنولوجيا، سببا في ذلك.

كانت دودنا نفسها في قلب نزاع فوضوي ومرير ومعقد مع معهد برود بشأن ملكية براءات اختراع كريسبر الرئيسية. (يتبع معهد برود معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، الذي يمتلك مجلة إم آي تي ​​تكنولوجي ريفيو ). وقد حصلت كل مجموعة على العديد من براءات الاختراع في بلدان مختلفة لجوانب وأنواع معينة من الأداة.

لقد أدت المعارك القانونية المستمرة إلى خلق التعقيد وعدم اليقين للشركات التي تأمل في الاستفادة من تقنية كريسبر لتطوير المنتجات التجارية.

أسست دودنا أو شاركت في تأسيس العديد من الشركات الناشئة، بما في ذلك شركة Caribou Biosciences، التي منحت تراخيص فرعية للوصول إلى براءات اختراع معينة لـ CRISPR لاستخدامات تشمل الزراعة. ولم ترد على سؤال متابعة حول هذه القضية قبل وقت النشر.

وقال رينجيسن من IGI في رد عبر البريد الإلكتروني: “بينما شهدنا الكثير من التقدم في وقت قصير نسبيًا، فإن وجود براءات اختراع CRISPR المختلفة التي تسيطر عليها عدد قليل من الكيانات أدى في بعض الأحيان إلى إبطاء أو إيقاف بعض المنتجات الزراعية من الوصول إلى السوق”.

ولكنه يضيف أنه كان هناك تقدم مستمر في اكتشاف واستخدام أدوات تحرير الجينات ذات الصلة التي لم ترتبط بالفعل ببراءات الاختراع.

وفي الوقت نفسه، انتقد تجار الأغذية الطبيعية والمشككون في الكائنات المعدلة وراثيا وغيرهم بشدة موقف وزارة الزراعة الأميركية من إدارة الأغذية المعدلة وراثيا ووضع العلامات عليها.

ويؤكدون أن المحاصيل المعدلة وراثيا كانت لها عواقب بيئية ضارة وأن القواعد لا توفر للمستهلكين الشفافية التي يحتاجون إليها لاتخاذ خيارات مستنيرة بشأن الأغذية التي يشترونها ويستهلكونها.

وتؤكد دودنا على أهمية استخدام أداة كريسبر والأدوات المماثلة بحذر، لكنها تقول إن الولايات المتحدة حققت التوازن الصحيح في نهجها فيما يتصل بالتنظيم والتصنيف، قائلة “إنها طريقة غنية بالمعلومات، وتستند إلى العلم. فبدلاً من النظر إلى كيفية إنشاء هذا النبات أو المحصول، فإن السؤال المطروح هو: ما هو المنتج النهائي؟”

وتقول إن المعهد الدولي للجينات سعى جاهدا ليكون بمثابة “صوت العقل” في هذه القضايا، والمساعدة في مواجهة المخاوف وسوء الفهم من خلال توفير المعلومات العلمية حول كيفية استخدام CRISPR لعلاج الأمراض البشرية، ومساعدة المزارعين على التكيف مع تغير المناخ، أو معالجة التهديدات الأخرى في حياة الناس.

وتقول: “منذ البداية، كان من الواضح أن هذه الأداة ستكون أداة قوية يمكن أن يُساء فهمها أو استخدامها، لكنها تتمتع أيضًا بإمكانات هائلة لمساعدتنا في معالجة الكثير من هذه التحديات”.