الميكروبات المصمّمة حسب الطلب
كيف يمكن لتغيير جينات الميكروبات الصغيرة أن تجعلها تنتج الإنسولين لمرضى داء السكري، وتقوي الإسمنت، بل تضيء الشوارع
بقلم: إيلسا هارفي
الميكروبات Microbes كائنات مجهرية متقلبة جداً، وتشمل البكتيريا والفيروسات. ودون أن تراها العين المجردة، تُجري تحولات كيميائية على نطاق ضيق، مما يبقي الكوكب حياً عن طريق إعادة تدوير المغذيات. وهي تسبب الأمراض وتقي منها، لكنها تؤدي عموماً دوراً حيوياً في كوكبنا النابض بالحياة. يزدهر بعضها في البيئات القاسية، في حين نحمل البعض الآخر معنا في معظم الأوقات. تغطي جسدك 39 تريليون خلية ميكروبية، والتي تحفظ جهازك المناعي وتنفذ عمليات يومية مثل الهضم.
كانت البكتيريا أول
كائن معدّل وراثيا
إن إمكانيات الميكروبات المصممة آخذة في التوسع، واليوم تتجاوز الأبحاث في تطبيقاتها الصناعات الطبية والغذائية إلى البناء والمنسوجات. نعرض فيما يلي بعض أكثر التطبيقات نجاحاً وإبداعاً ومستقبلاً للميكروبات المصممة حسب الطلب.
تعرف على البكتيريا المعدلة وراثياً والتي تُستدعى للمساعدة في البناء
الإشريكية القولونية (إيشيريشيا كولاي) Escherichia coli
معززة الإسمنت Cement Strengthener
يمكن تعديل الإشريكية القولونية لإنتاج المزيد من الإنزيمات المسؤولة عن تحويل أيونات الكالسيوم والكربونات إلى كربونات الكالسيوم. تعمل الإشريكية القولونية الموجودة في الخرسانة على تقوية المزيج، حيث تملأ كربونات الكالسيوم أي فجوات.
العصوية الرقيقة (باسيلوس سابتيليس) Bacillus subtilis
المعالج الذاتي للخرسانة CONCRETE SELF-HEALER
تُطلق هذا البكتيريا أبواغها Spores في الخرسانة. إذا تشققت الخرسانة الجافة، ستتمكن الرطوبة من التسرب والوصول إلى الجراثيم الخاملة فتُنبت، مما ينتج بلورات كربونات الكالسيوم التي تسد الشقوق.
السبوروسارسينا الباستورية (سبوروسارسينا باستوري) Sporosarcina Pasturii
عازل الطوب الحيوي Biobrick Insulator
السبوروسارسينا الباستورية مهندسة وراثيا لإنتاج مركبات عازلة للحرارة. تسد هذه المركبات الفجوات في الطوب الخرساني، مما يبطئ فقدان الحرارة من المباني.
المتعاقبة الحبيبية المتطاولة (سينيكوكوس إلنيغاتوس) Synechococcus elongatus
محلل مواقع البناء Building Site Decomposer
يُعد تنظيف الإنشاءات أحد تطبيقات هذه البكتيريا، فهي مُهندسة لتحسين قدرتها على تدمير الملوثات. فمثلاً، يمكنها إنتاج بروتينات ترتبط بالمعادن الثقيلة في مواقع البناء.
المكورات المخاطية الصفراء (مايكوكوكس زانثوس) Myxococcus xanthus
طبقة الغشاء الحيوي Biofilm Layer
تشكل هذه البكتيريا أغشية حيوية معقدة على الأسطح، لكن يمكن تعديلها لتحسين قدرتها على التشبث بالمواد المستخدمة في البناء. تجعل الطبقة الحية المواد أكثر التصاقاً وتساعد على منع التلف الناتج من المياه عن طريق صد الماء.
جلد ذاتي الصباغ
في محاولة لجعل إنتاج الجلود أكثر استدامة، عدّل العلماء بكتيريا لإطلاق بروتين منتج للميلانين. تُعرف هذه البكتيريا بـ”كوماغاتيباكتر ريتيكوس“ Komagataeibacter rhaeticus، والتي تعبر عن البروتين المرتبط بجين التيروزينيز 1 بعد تعديلها وراثياً. ينتج هذا الميلانين الحقيقي Eumelanin، وهي صبغة بنية داكنة أو سوداء اللون. تنتج هذه البكتيريا السليلوز Cellulose طبيعياً، وبواسطة جيناتها المعدلة، يكون هذا السليلوز بلون الجلد، مما يجعله بديلاً مثالياً لمادة الجلد الحيواني. تنتج هذه الأنواع البكتيرية السليلوز على شكل صفائح قوية ومرنة وطيعة، مما يجعلها مثالية لأغراض صنع الأنسجة.
أضواء الشوارع النباتية
ينفق 88,500 جنيه إسترليني (114,300 دولار أمريكي) سنوياً لكل ميل من إنارة الشوارع المستخدمة في المملكة المتحدة. هذه الأضواء باهظة الثمن وتستخدم الكهرباء طوال الليل. لكن تقنيات جديدة تُستكشف لتسخير خصائص الإضاءة الحيوية الطبيعية الموجودة في الطبيعة لإنتاج تنوع طبيعي أكثر لأضواء الشوارع الشائعة. تضيء البكتيريا المحتوية على إنزيم اللوسيفيريز Luciferase طبيعياً عند حدوث تفاعل كيميائي حيوي. يعمل اللوسيفيريز على أكسدة ركيزة اللوسيفيرين Luciferin في الجسم – وهو تفاعل يحتاج إلى الأكسجين ويؤدي إلى توهج الركيزة. تفعل البكتيريا المتوهجة ذلك لتساعد نفسها على الانتشار: فبوسعها عادة أن تظل على قيد الحياة في الجهاز الهضمي للحيوانات، ومن ثمَّ فإن جذب الحيوانات إليها يساعد على ابتلاعها ونقلها. أثبت العلماء إمكانية اقتطاع الجينات المسؤولة عن إنتاج اللوسيفيريز واللوسيفيرين من البكتيريا ذات الإضاءة الحيوية ومن ثم إدخالها في جينات النباتات الدائمة الخضرة. يمكن تعديل جينات البكتيريا لتغيير عملياتها الاستقلابية وإشاراتها الحسية بحيث تنتج المزيد من الضوء وتتوهج باستمرار عند حلول الظلام. يجب أن تكون النباتات التي تُدخل هذه الجينات فيها قوية لتقليل احتمال تعرضها للتلف، وأن تكون دائمة الخضرة Evergreen بحيث تتوهج أوراقها طوال العام. يعد برونوس لوسيتانيكا Prunus lusitanica أحد أنواع الأشجار الجاري استكشافها في تلك الأبحاث.
الإشريكية القولونية خلال أقل من 20 دقيقة.
تسربات نفطية
يدخل نحو 9 ملايين طن من النفط إلى محيطات العالم سنوياً، مما يلوّث البيئات البحرية. يأتي العديد من الانسكابات من منصات الحفر والناقلات ومرافق التخزين وخطوط الأنابيب. الهيدروكربونات Hydrocarbons هي الملوثات الرئيسية في هذه الانسكابات- وهي مركبات تحتوي على الهيدروجين والكربون. تبقى الهيدروكربونات في الماء لسنوات عديدة، فتقتل الحياة البرية بموادها الكيميائية السامة وتغرقها في قاع البحر لتلوث الرواسب، كما إنها سامة للبشر. يُطلق على الميكروب الضئيل المضطلع بالمهمة الجبارة لتنظيف البحار الملوثة اسم الزائفة الكريهة سودونوماس بوتيدا Pseudomonas putida. تعدّل بلازميدات هذه البكتيريا وراثياً لتغيير عملية التمثيل الغذائي، مما يمكنها من تفتيت والتغذّي على كتل الهيدروكربونات المعقدة التي تلوث البحار.
صنع الإنسولين
يمكننا إدخال جين الإنسولين البشري في الخلايا البكتيرية من إنتاج كميات كبيرة من ذلك الهرمون الحيوي لتنظيم نسبة السكر في الدم
”يمكن للعلماء تغييرها لتنفيذ سمات معينة“
1 خلية بشرية Human Cell
تحتوي الخلية البشرية على جين منفرد للإنسولين على الكروموسوم رقم 11.
2 جين معزول Isolated Gene
يُزال جين الإنسولين من الخلية البشرية.
3 خلية بكتيرية Bacterial Cell
تستخدم الإشريشيا كولاي وساكارومايسيس سيريفيسيي Saccharomyces cerevisiae لإنتاج الإنسولين.
4 بلازميد Plasmid
يُستخرج من الخلية البكتيرية شريط دائري من الحمض النووي DNA يسمى البلازميد.
5 جين مضاف Added Gene
يضاف جين الإنسولين من الخلية البشرية إلى البلازميد البكتيري.
6 بكتيريا معدلة Modified Bacteria
يُعاد إدخال البلازميد في الخلية البكتيرية مع الجين البشري.
7 مضاعفة الخلايا Multiplying Cells
تنقسم الخلية البكتيرية إلى قسمين وتستمر في التكاثر، مما يسبب تراكم الخلايا المتطابقة المنتجة للإنسولين.
8 الإنسولين الطبي Medicinal Insulin
يُستخلص الإنسولين البشري من الخلايا البكتيرية ويعالج ليكون جاهزاً للاستخدام في مرضى داء السكري.
كيف يُنتج تحوير الخميرة الإيثانول كبديل صديق للبيئة في مضخة الوقود
1 هندسة الخميرة أثناء التخمير، تحوّل الخميرة Yeast السكر من فضلات الطعام إلى إيثانول Ethanol. عدّلت هذه الخميرة وراثيا لزيادة قدرتها على تحمّل الإيثانول الذي تنتجه.
2 تخمير الوقود
تحوّل الإنزيمات الموجودة في الخميرة الغلوكوز Glucose إلى إيثانول وثاني أكسيد الكربون وماء. تتطلب هذه العملية ظروفاً محكومة، في غياب الأكسجين، وفي ظل درجات حرارة دافئة تتراوح بين 25 إلى 35 درجة سيليزية.
3 استخلاص الإيثانول
يُستخرج الإيثانول من المفاعل الحيوي Bioreactor ليضاف إلى وقود البنزين. وبفضل تعديل الخميرة، يمكن إنتاج تركيزات أعلى من الإيثانول قبل أن تتوقف الخميرة عن العمل.
إنتاج الحليب
كيف يمكن للميكروبات السيطرة على خط إنتاج الألبان
1 استخلاص الحمض النووي للبقرة Cow Dna Extraction
تُعزل الجينات المسؤولة عن إنتاج بروتينات الألبان ومكونات الحليب الأخرى من الحمض النووي DNA للبقرة الحلوب.
2 تعديل الميكروبات Modifying Microbes
تُدخل الجينات المنتجة للحليب بدقة في الحمض النووي DNA الميكروبي حتى يستطيع المضيف قراءة التعليمات الجديدة.
3 التكاثر الميكروبي Microbe Multiplication
تتكاثر الميكروبات، فيُستنسخ كل منها بحيث يحتوي على تعليمات الحمض النووي DNA لإنتاج بروتينات الألبان.
4 انكماش الخلايا Cell Shrinking
تؤدي إضافة السكر إلى الميكروبات إلى طرد البروتينات بفعل الصدمة الأسموزية Osmotic shock. يحدث هذا عندما يترك الماء الخلايا لموازنة تركيزات الركيزة Substrate، مما يسبب انكماش الميكروب.
5 تجميع البروتينات Protein Collection
استجابة للضغط الناتج من الانكماش، يُطلق الميكروب محتوياته، بما في ذلك بروتينات الألبان.
6 دخول المصنع Entering The Factory
تنقّى البروتينات وتُفصل عن بقايا الخلايا الأخرى، ومن ثم تُعالج وتمزج مع بقية مكونات الحليب.
7 المنتجات النهائية Finished Products
تتميز منتجات الألبان الناتجة بالطعم والملمس والمغذيات نفسها الموجودة في حليب البقر.
هندسة رائدة
لأول مرة، أظهر بحث نُشر في بداية عام 2024 أن العلماء تمكنوا من هندسة مييكروبيوم Microbiome أحد النباتات. مييكروبيوم الكائن الحي هو جمهرة الميكروبات التي تغطيه، مما يحميه – في النباتات – من الأمراض ويؤثر في المغذيات المتاحة له. عند تعديل مييكروبيوم نباتات الأرز، زاد العلماء أعداد البكتيريا المفيدة عن طريق تحرير جين واحد. تكون النباتات المحتوية على هذا المييكروبيوم الصحي الجديد أقل اعتماداً على المبيدات الحشرية الضارة بالبيئة. داخل جزيء معقد من جدران خلايا النبات، يسمى اللغنين Lignin، اكتشف فريق العلماء جيناً واحداً يؤثر في المييكروبيوم مباشرة. وعندما أفرطوا التعبير عن الجين، كانت النتيجة تدفق هذه الميكروبات المفيدة.
وجبات مطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد
تعمل وكالة ناسا على إيجاد طرق يمكن لرواد الفضاء من خلالها صنع مجموعة من الأطعمة الغذائية في الفضاء من الخميرة
1 كروموسوم اصطناعي Synthetic Chromosome
يُصنع كروموسوم اصطناعي من مكونات طبيعية يمكن إدخالها في خلية. وفي هذه الحالة، تحتوي الجينات على تعليمات لإنتاج خصائص غذائية محددة.
2 صفات حسية Sensory Attributes
تشمل بعض الجينات التي يلزم تعديلها الجينات المسؤولة عن تمثيل الكربون Carbon assimilation، وإنتاج المغذيات واللون والنكهة. يضمن تمثيل الكربون أن تستطيع الخميرة استخدام المركبات المحتوية على ذرة كربون واحدة لنموها بحيث يمكن استنفاد النفايات الغازية في الفضاء.
3 الخميرة Yeast
بعد ذلك، تحتاج الملامح الجديدة إلى تعديلها وراثياً وتحويلها إلى ساكارومايسيس سيريفيسيي. تكون الخميرة صالحة للأكل بالفعل ويمكنها مضاعفة كتلتها الحيوية في 90 دقيقة.
4 إعادة البرمجة الاستقلابية Metabolic Reprogramming
يجب إعادة برمجة الخميرة حتى يمكنها تعبير السمات المناسبة من جيناتها.
5 مفاعل حيوي ذكي Intelligent Bioreactor
تخزّن الخميرة في مفاعل حيوي، والذي يعدّل كيفية تعبير سمات مثل اللون والمغذيات في الخميرة لكل طعام.
6 الرؤية الغذائية Food Vision
تُرسل البيانات المتعلقة بالطعام المطلوب إلى المفاعل الحيوي.
7 منتج مطبوع بتقنية ثلاثية الأبعاد 3D-Printed Product
تضخ المركبات الغذائية التي تنتجها الخميرة من المفاعل الحيوي في ”حبر طعام“ Food ink يشبه السائل ليُطبع بدقة على صينية بشكل أطعمة معروفة. في طبقات ذات تركيبة متنوعة، يمكن إعادة إنشاء أطعمة أكثر تعقيداً.
أدوار المعززات
الحيوية المصمّمة
1 مساعد للهضم
الملبّنة الحَمِضة لاكتوباسيلوس أسيدوفيلوس Lactobacillus acidophilus هي بروبيوتيك يمكن تعديله وراثيا لإنتاج إنزيم اللاكتيز Lactase. يساعد هذا الإنزيم على تحليل اللاكتوز إلى غلوكوز وغالاكتوز Galactose لدى المصابين بعدم تحمّل اللاكتوز Lactose-intolerant.
2 استهداف الحساسية عند تحرير الشقّاء المشقوقة بيفيدوباكتريوم بيفيديوم Bifidobacterium bifidum، تصنع المعززات الحيوية بروتينات مضادة للالتهاب تسمى السيتوكينات Cytokines التي تمنع ردود الفعل التحسسية.
3 دعم المناعة يمكن هندسة الملبّنة الرامنوزية لاكتوباسيلوس رامنوسوس Lactobacillus rhamnosus وراثياً لإنتاج البيتا ديفينسين 2 Beta-defensin 2، وهو جزيء وقائي يساعد الجسم على مكافحة الجراثيم.
4 تقليل الالتهاب يمكن تعديل ميكروب الأمعاء، البكتيريا البرازية البراوسنيتزية فاسيليباكتريوم براوسينتيزي Faecalibacterium prausnitzii لزيادة إنتاج الأحماض الدهنية المضادة للالتهابات في الأمعاء.
5 إنتاج الفيتامينات عند تحرير جيناتها، تُنتج الملبّنة الرويترية لاكتوباسيلوس روتيري Lactobacillus reuteri فيتامين B12 في الأمعاء، وهو فيتامين أساسي لإنتاج كريات الدم الحمراء ولصحة الأعصاب.