الهندسة الوراثية

الهندسة الوراثية ، وتُسمى أيضًا التعديل الوراثي أو التلاعب الجيني ، هي تعديل جينات الكائن الحي والتلاعب بها باستخدام التكنولوجيا . وهي مجموعة من التقنيات المستخدمة لتغيير التركيب الجيني للخلايا، بما في ذلك نقل الجينات داخل الأنواع وعبرها لإنتاج كائنات حية محسّنة أو جديدة. يُستخلص الحمض النووي الجديد إما بعزل المادة الوراثية المطلوبة ونسخها باستخدام طرق الحمض النووي المؤتلف ، أو بتخليقه صناعيًا . عادةً ما يُنشأ تركيب جيني يُستخدم لإدخال هذا الحمض النووي في الكائن المضيف. صُمم أول جزيء حمض نووي مؤتلف بواسطة بول بيرغ عام 1972 بدمج الحمض النووي من فيروس القرود SV40 مع فيروس لامدا . بالإضافة إلى إدخال الجينات ، يمكن استخدام هذه العملية لإزالة الجينات أو " تعطيلها ". يمكن إدخال الحمض النووي الجديد عشوائيًا أو استهداف جزء محدد من الجينوم . ^{[ 1 ]}

يُعتبر الكائن الحي المُستحدث عبر الهندسة الوراثية كائنًا مُعدَّلًا وراثيًا، والكائن الناتج عنه كائن مُعدَّل وراثيًا . كان أول كائن مُعدَّل وراثيًا بكتيريا استحدثها هربرت بوير وستانلي كوهين عام 1973. وفي عام 1974، ابتكر رودولف يانيش أول حيوان مُعدَّل وراثيًا عندما أدخل حمضًا نوويًا غريبًا في فأر . تأسست شركة جينينتيك ، أول شركة تُركز على الهندسة الوراثية، عام 1976، وبدأت بإنتاج البروتينات البشرية. أُنتج الأنسولين البشري المُعدَّل وراثيًا عام 1978، وسُوِّقت البكتيريا المُنتجة للأنسولين تجاريًا عام 1982. يُباع الغذاء المُعدَّل وراثيًا منذ عام 1994، مع إطلاق طماطم فلافر سافر . صُمِّمت فلافر سافر لتتمتع بفترة صلاحية أطول، ولكن معظم المحاصيل المُعدَّلة وراثيًا الحالية تُعدَّل لزيادة مقاومتها للحشرات ومبيدات الأعشاب. تم بيع GloFish ، وهو أول كائن معدل وراثيًا مصمم كحيوان أليف، في الولايات المتحدة في ديسمبر 2003. وفي عام 2016، تم بيع سمك السلمون المعدل بهرمون النمو.

طُبقت الهندسة الوراثية في العديد من المجالات، بما في ذلك البحث العلمي، والطب، والتكنولوجيا الحيوية الصناعية، والزراعة. في مجال البحث العلمي، تُستخدم الكائنات المعدلة وراثيًا لدراسة وظائف الجينات وتعبيرها من خلال تجارب فقدان الوظيفة، واكتساب الوظيفة، والتتبع، والتعبير الجيني. ومن خلال تعطيل الجينات المسؤولة عن حالات مرضية معينة، يُمكن إنشاء نماذج حيوانية لأمراض بشرية. وإلى جانب إنتاج الهرمونات واللقاحات والأدوية الأخرى، تمتلك الهندسة الوراثية القدرة على علاج الأمراض الوراثية من خلال العلاج الجيني . وتُستخدم خلايا مبيض الهامستر الصيني (CHO) في الهندسة الوراثية الصناعية. بالإضافة إلى ذلك، تُصنع لقاحات mRNA من خلال الهندسة الوراثية للوقاية من العدوى الفيروسية مثل كوفيد-19 . ويمكن أن يكون للتقنيات نفسها المستخدمة في إنتاج الأدوية تطبيقات صناعية، مثل إنتاج الإنزيمات لمنظفات الغسيل، والأجبان، وغيرها من المنتجات.

أدى انتشار المحاصيل المعدلة وراثيًا تجاريًا إلى تحقيق فوائد اقتصادية للمزارعين في العديد من البلدان، إلا أنه كان أيضًا مصدرًا لمعظم الجدل الدائر حول هذه التقنية. وقد برز هذا الجدل منذ بدايات استخدامها، حيث قام ناشطون مناهضون للمحاصيل المعدلة وراثيًا بتدمير التجارب الميدانية الأولى. ورغم وجود إجماع علمي على أن الأغذية المشتقة من المحاصيل المعدلة وراثيًا لا تشكل خطرًا أكبر على صحة الإنسان من الأغذية التقليدية، إلا أن النقاد، بعد إجراء اختبارات على أساس كل حالة على حدة، يعتبرون سلامة الأغذية المعدلة وراثيًا مصدر قلق بالغ. كما أُثيرت قضايا أخرى محتملة، مثل انتقال الجينات ، وتأثيرها على الكائنات غير المستهدفة، والتحكم في الإمدادات الغذائية ، وحقوق الملكية الفكرية . وقد أدت هذه المخاوف إلى وضع إطار تنظيمي بدأ عام 1975، والذي أفضى في نهاية المطاف إلى اقتراح معاهدة دولية، هي بروتوكول قرطاجنة بشأن السلامة الأحيائية ، والذي اعتُمد رسميًا عام 2000. وقد طورت كل دولة أنظمتها التنظيمية الخاصة بالمحاصيل المعدلة وراثيًا، مع وجود اختلافات ملحوظة بين الولايات المتحدة وأوروبا .

الهندسة الوراثية هي عملية تُغير التركيب الجيني للكائن الحي إما عن طريق إزالة أو إدخال الحمض النووي (DNA) أو تعديل المادة الوراثية الموجودة في مكانها. على عكس التكاثر التقليدي للحيوانات والنباتات ، الذي يتضمن إجراء تهجينات متعددة ثم اختيار الكائن الحي ذي النمط الظاهري المرغوب ، فإن الهندسة الوراثية تنقل الجين مباشرة من كائن حي إلى آخر. هذه الطريقة أسرع بكثير، ويمكن استخدامها لإدخال أي جينات من أي كائن حي (حتى تلك التي تنتمي إلى نطاقات مختلفة )، كما أنها تمنع إضافة جينات غير مرغوب فيها. ^{[ 4 ]}

قد تُسهم الهندسة الوراثية في علاج الاضطرابات الوراثية الخطيرة لدى البشر عن طريق استبدال الجين المعيب بجين سليم. ^{[ 5 ]} وهي أداة بحثية مهمة تُتيح دراسة وظائف جينات مُحددة. ^{[ 6 ]} وقد تم استخلاص الأدوية واللقاحات وغيرها من المنتجات من كائنات مُهندسة وراثيًا لإنتاجها. ^{[ 7 ]} كما تم تطوير محاصيل تُعزز الأمن الغذائي من خلال زيادة الإنتاجية والقيمة الغذائية ومقاومة الضغوط البيئية. ^{[ 8 ]}

يمكن إدخال الحمض النووي مباشرة إلى الكائن المضيف أو إلى خلية يتم دمجها أو تهجينها مع المضيف. ^{[ 9 ]} يعتمد هذا على تقنيات الحمض النووي المؤتلف لتكوين تركيبات جديدة من المواد الوراثية القابلة للتوريث، يليها دمج تلك المادة إما بشكل غير مباشر من خلال نظام ناقل أو بشكل مباشر من خلال الحقن المجهري أو الحقن الكلي أو التغليف المجهري .

لا تشمل الهندسة الوراثية عادةً التكاثر التقليدي، أو التخصيب في المختبر ، أو تحفيز تعدد الصيغ الصبغية ، أو الطفرات ، أو تقنيات دمج الخلايا التي لا تستخدم الأحماض النووية المؤتلفة أو الكائنات المعدلة وراثيًا في العملية. ^{[ 9 ]} ومع ذلك، تتضمن بعض التعريفات العامة للهندسة الوراثية التكاثر الانتقائي . ^{[ 10 ]} على الرغم من أن الاستنساخ وأبحاث الخلايا الجذعية لا تُعتبر هندسة وراثية، ^{[ 11 ]} إلا أنهما وثيقا الصلة، ويمكن استخدام الهندسة الوراثية فيهما. ^{[ 12 ]} يُعد علم الأحياء التركيبي تخصصًا ناشئًا يأخذ الهندسة الوراثية خطوةً أبعد من خلال إدخال مواد مُصنّعة اصطناعيًا إلى الكائن الحي. ^{[ 13 ]}

تُسمى النباتات والحيوانات والكائنات الدقيقة التي خضعت للتغيير عبر الهندسة الوراثية بالكائنات المعدلة وراثيًا أو الكائنات المعدلة وراثيًا. ^{[ 14 ]} إذا أُضيفت مادة وراثية من نوع آخر إلى الكائن المضيف، يُسمى الكائن الناتج كائنًا مُعدَّلًا وراثيًا . أما إذا استُخدمت مادة وراثية من النوع نفسه أو من نوع قادر على التزاوج مع الكائن المضيف بشكل طبيعي، فيُسمى الكائن الناتج كائنًا مُستأصلًا وراثيًا . ^{[ 15 ]} إذا استُخدمت الهندسة الوراثية لإزالة مادة وراثية من الكائن المستهدف، يُسمى الكائن الناتج كائنًا مُستأصلًا جينيًا . ^{[ 16 ]} في أوروبا، يُستخدم مصطلح التعديل الوراثي كمرادف للهندسة الوراثية، بينما في الولايات المتحدة الأمريكية وكندا، يُمكن استخدام مصطلح التعديل الوراثي للإشارة إلى أساليب التربية التقليدية. ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}

لقد عدّل البشر جينومات الأنواع لآلاف السنين من خلال التربية الانتقائية ، أو الانتقاء الاصطناعي ^{[ 20 ] : 1 [ 21 ] : 1} ، على عكس الانتقاء الطبيعي . وفي الآونة الأخيرة، استُخدمت في تربية الطفرات تعريض الكائنات الحية للمواد الكيميائية أو الإشعاع لإنتاج معدل عالٍ من الطفرات العشوائية لأغراض التربية الانتقائية. أما الهندسة الوراثية، باعتبارها التلاعب المباشر بالحمض النووي من قِبل البشر خارج نطاق التربية والطفرات، فلم تظهر إلا منذ سبعينيات القرن العشرين. وقد صاغ مصطلح "الهندسة الوراثية" عالم الوراثة الروسي نيكولاي تيموفييف-ريسوفسكي في بحثه المنشور عام 1934 بعنوان "الإنتاج التجريبي للطفرات"، والذي نُشر في المجلة البريطانية "المراجعات البيولوجية". ^{[ 22 ]} استخدم جاك ويليامسون هذا المصطلح في روايته الخيالية العلمية " جزيرة التنين" ، التي نُشرت عام 1951 ^{[ 23 ]} - أي قبل عام واحد من تأكيد ألفريد هيرشي ومارثا تشيس لدور الحمض النووي في الوراثة ، ^{[ 24 ]} وقبل عامين من إثبات جيمس واتسون وفرانسيس كريك أن جزيء الحمض النووي له بنية حلزونية مزدوجة - على الرغم من أن المفهوم العام للتلاعب الجيني المباشر قد تم استكشافه بشكل بدائي في قصة الخيال العلمي " جزيرة بروتيوس " لستانلي جي . واينباوم عام 1936. ^{[ 25 ] [ 26 ]}

في عام 1972، ابتكر بول بيرغ أول جزيئات الحمض النووي المؤتلف بدمج الحمض النووي لفيروس القرود SV40 مع الحمض النووي لفيروس لامدا . ^{[ 27 ]} وفي عام 1973، ابتكر هربرت بوير وستانلي كوهين أول كائن حي معدل وراثيًا بإدخال جينات مقاومة للمضادات الحيوية في بلازميد بكتيريا الإشريكية القولونية . ^{[ 28 ] [ 29 ]} وبعد عام، ابتكر رودولف يانيش فأرًا معدلًا وراثيًا بإدخال حمض نووي غريب في جنينه، ليصبح بذلك أول حيوان معدل وراثيًا في العالم. ^{[ 30 ]} أثارت هذه الإنجازات مخاوف في الأوساط العلمية بشأن المخاطر المحتملة للهندسة الوراثية، والتي نوقشت لأول مرة بتعمق في مؤتمر أسيلومار عام 1975. وكان من بين التوصيات الرئيسية لهذا الاجتماع ضرورة وجود رقابة حكومية على أبحاث الحمض النووي المؤتلف إلى حين التأكد من سلامة هذه التقنية. ^{[ 31 ] [ 32 ]}

في عام 1976، أسس هربرت بوير وروبرت سوانسون شركة جينينتيك ، أول شركة للهندسة الوراثية، وبعد عام، أنتجت الشركة بروتينًا بشريًا ( سوماتوستاتين ) في بكتيريا الإشريكية القولونية . وأعلنت جينينتيك عن إنتاج الأنسولين البشري المعدل وراثيًا في عام 1978. ^{[ 33 ]} وفي عام 1980، قضت المحكمة العليا للولايات المتحدة في قضية دايموند ضد تشاكرابارتي بجواز تسجيل براءات اختراع للكائنات الحية المعدلة وراثيًا. ^{[ 34 ]} وحصل الأنسولين المُنتج بواسطة البكتيريا على موافقة إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA) في عام 1982. ^{[ 35 ]}

في عام ١٩٨٣، تقدمت شركة التكنولوجيا الحيوية "أدفانسد جينيتيك ساينسز" (AGS) بطلب للحصول على ترخيص من الحكومة الأمريكية لإجراء تجارب ميدانية باستخدام سلالة "آيس ماينس" من بكتيريا "زائفة سيرينجاي" لحماية المحاصيل من الصقيع، إلا أن جماعات بيئية ومتظاهرين أخروا هذه التجارب لمدة أربع سنوات عبر طعون قانونية. ^{[ ٣٦ ]} وفي عام ١٩٨٧، أصبحت سلالة "آيس ماينس" من بكتيريا "زائفة سيرينجاي " أول كائن معدل وراثيًا يُطلق في البيئة ^{[ ٣٧ ]} عندما رُشّ حقل فراولة وحقل بطاطس في كاليفورنيا بها. ^{[ ٣٨ ]} وتعرض كلا الحقلين لهجوم من قبل جماعات ناشطة في الليلة التي سبقت التجارب: "اجتذب أول موقع تجريبي في العالم أول مُخرب حقول في العالم". ^{[ ٣٧ ]}

أُجريت أولى التجارب الميدانية للنباتات المعدلة وراثيًا في فرنسا والولايات المتحدة عام 1986، حيث تم تعديل نباتات التبغ وراثيًا لتكون مقاومة لمبيدات الأعشاب . ^{[ 39 ]} وكانت جمهورية الصين الشعبية أول دولة تُسوّق النباتات المعدلة وراثيًا، حيث طرحت نوعًا من التبغ مقاومًا للفيروسات عام 1992. ^{[ 40 ]} وفي عام 1994، حصلت شركة كالجين على موافقة رسمية لطرح أول غذاء معدل وراثيًا تجاريًا ، وهو طماطم فلافر سافر ، المعدلة وراثيًا لزيادة مدة صلاحيتها. ^{[ 41 ]} وفي عام 1994 أيضًا، وافق الاتحاد الأوروبي على تبغ مُعدّل وراثيًا ليقاوم مبيد الأعشاب بروموكسينيل ، ليصبح بذلك أول محصول معدل وراثيًا يُسوّق تجاريًا في أوروبا. ^{[ 42 ]} وفي عام 1995، أقرت وكالة حماية البيئة سلامة بطاطس بي تي ، بعد أن كانت قد حصلت على موافقة إدارة الغذاء والدواء الأمريكية، لتصبح بذلك أول محصول منتج للمبيدات يحصل على موافقة في الولايات المتحدة. ^{[ 43 ]} في عام 2009، تمت زراعة 11 محصولًا معدلاً وراثيًا تجاريًا في 25 دولة، وكانت أكبرها من حيث المساحة المزروعة هي ^{الولايات المتحدة} والبرازيل والأرجنتين والهند وكندا وجمهورية الصين الشعبية وباراغواي وجنوب إفريقيا . [ 44 ^]

في عام 2010، ابتكر علماء في معهد جيه كريج فينتر أول جينوم اصطناعي وأدخلوه في خلية بكتيرية فارغة. استطاعت البكتيريا الناتجة، والتي سُميت ميكوبلازما لابوراتوريوم ، التكاثر وإنتاج البروتينات. ^{[ 45 ] [ 46 ]} بعد أربع سنوات، تطور هذا الإنجاز خطوةً أخرى عندما طُوّرت بكتيريا قادرة على استنساخ بلازميد يحتوي على زوج قاعدي فريد ، مما أدى إلى إنشاء أول كائن حي مُهندس وراثيًا لاستخدام أبجدية جينية موسعة. ^{[ 47 ] [ 48 ]} في عام 2012، تعاونت جينيفر دودنا وإيمانويل شاربنتييه لتطوير نظام كريسبر/كاس9 ، ^{[ 49 ] [ 50 ]} وهي تقنية يمكن استخدامها لتعديل جينوم أي كائن حي تقريبًا بسهولة ودقة. ^{[ 51 ]}

إنتاج الكائنات المعدلة وراثيًا عملية متعددة المراحل. يجب على مهندسي الوراثة أولًا اختيار الجين الذي يرغبون في إدخاله في الكائن الحي. ويستند هذا الاختيار إلى الهدف المرجو من الكائن الناتج، ويعتمد على أبحاث سابقة. يمكن إجراء فحوصات جينية لتحديد الجينات المحتملة، ثم استخدام اختبارات إضافية لتحديد أنسب المرشحين. وقد سهّل تطوير المصفوفات الدقيقة ، وعلم النسخ، وتسلسل الجينوم، العثور على الجينات المناسبة بشكل كبير. ^{[ 52 ]} كما يلعب الحظ دورًا في ذلك؛ فقد اكتُشف جين Roundup Ready بعد أن لاحظ العلماء نمو بكتيريا في وجود مبيد الأعشاب. ^{[ 53 ]}

إدخال الحمض النووي في جينوم المضيف

تُستخدم عدة تقنيات لإدخال المادة الوراثية في جينوم الكائن المضيف. بعض البكتيريا قادرة بطبيعتها على امتصاص الحمض النووي الغريب . ويمكن تحفيز هذه القدرة في أنواع أخرى من البكتيريا عن طريق الإجهاد (مثل الصدمة الحرارية أو الكهربائية)، مما يزيد من نفاذية غشاء الخلية للحمض النووي؛ ويمكن للحمض النووي الممتص أن يندمج مع الجينوم أو أن يوجد كحمض نووي خارج الكروموسومات . يُدخل الحمض النووي عمومًا إلى الخلايا الحيوانية باستخدام الحقن المجهري ، حيث يُحقن عبر الغلاف النووي للخلية مباشرةً إلى النواة ، أو باستخدام نواقل فيروسية . ^{[ 62 ]}

يمكن هندسة الجينومات النباتية باستخدام الطرق الفيزيائية أو عن طريق استخدام بكتيريا الأغروبكتيريوم لإيصال التسلسلات الموجودة في نواقل T-DNA الثنائية . في النباتات، غالبًا ما يُدخل الحمض النووي باستخدام التحويل بواسطة الأغروبكتيريوم ، ^{[ 63 ]} مستفيدًا من تسلسل T-DNA الخاص بالأغروبكتيريوم الذي يسمح بالإدخال الطبيعي للمادة الوراثية في الخلايا النباتية. ^{[ 64 ]} تشمل الطرق الأخرى القذف البيولوجي ، حيث تُغطى جزيئات الذهب أو التنجستن بالحمض النووي ثم تُقذف في خلايا نباتية صغيرة، ^{[ 65 ]} والتحفيز الكهربائي ، الذي يتضمن استخدام صدمة كهربائية لجعل غشاء الخلية نفاذًا للحمض النووي البلازميدي. ^{[ 66 ]}

بما أن المادة الوراثية تُحوَّل إلى خلية واحدة فقط، يجب تجديد الكائن الحي من تلك الخلية. في النباتات، يُنجز ذلك باستخدام زراعة الأنسجة . ^{[ 67 ] [ 68 ]} أما في الحيوانات، فمن الضروري التأكد من وجود الحمض النووي المُدخَل في الخلايا الجذعية الجنينية . ^{[ 63 ]} تتكون البكتيريا من خلية واحدة وتتكاثر استنساخياً، لذا لا حاجة للتجديد. تُستخدم علامات انتقائية للتمييز بسهولة بين الخلايا المُحوَّلة وغير المُحوَّلة. عادةً ما تكون هذه العلامات موجودة في الكائن المُعدَّل وراثياً، على الرغم من تطوير عدد من الاستراتيجيات التي تُمكن من إزالة العلامة الانتقائية من النبات المُعدَّل وراثياً الناضج. ^{[ 69 ]}

تُجرى اختبارات إضافية باستخدام تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR) والتهجين الجنوبي وتسلسل الحمض النووي للتأكد من احتواء الكائن الحي على الجين الجديد. ^{[ 70 ]} كما تُؤكد هذه الاختبارات الموقع الكروموسومي وعدد نسخ الجين المُدخل. ونظرًا لأن وجود الجين لا يضمن التعبير عنه بمستويات مناسبة في النسيج المستهدف، تُستخدم أيضًا طرقٌ للبحث عن نواتج الجين (الحمض النووي الريبوزي والبروتين) وقياسها. وتشمل هذه الطرق التهجين الشمالي ، وتفاعل البوليميراز المتسلسل الكمي العكسي (RT-PCR) ، والتلطيخ الغربي ، والتألق المناعي ، واختبار الإليزا ، والتحليل الظاهري. ^{[ 71 ]}

يمكن إدخال المادة الوراثية الجديدة عشوائيًا في جينوم الكائن المضيف أو استهداف موقع محدد. تعتمد تقنية استهداف الجينات على إعادة التركيب المتماثل لإجراء تغييرات مرغوبة على جين داخلي محدد . يحدث هذا عادةً بتردد منخفض نسبيًا في النباتات والحيوانات، ويتطلب عمومًا استخدام علامات انتقائية . يمكن زيادة تردد استهداف الجينات بشكل كبير من خلال تحرير الجينوم . يستخدم تحرير الجينوم نوكليازات مُهندسة صناعيًا تُحدث فواصل محددة في سلسلتي الحمض النووي في مواقع مرغوبة في الجينوم، ويستخدم آليات الخلية الداخلية لإصلاح الفواصل الناتجة عن طريق العمليات الطبيعية لإعادة التركيب المتماثل والالتحام غير المتماثل للنهايات . توجد أربع عائلات من النيوكليازات المُهندسة: النيوكليازات الضخمة ، ^{[ 72 ] [ 73 ]} ونيوكليازات أصابع الزنك ، ^{[ 74 ] [ 75 ]} ونيوكليازات المؤثرات الشبيهة بمنشطات النسخ (TALENs)، ^{[ 76 ] [ 77 ]} ونظام Cas9-guideRNA (المُقتبس من CRISPR ). ^{[ 78 ] [ 79 ]} يُعدّ كل من TALEN وCRISPR الأكثر استخدامًا، ولكل منهما مزاياه الخاصة. ^{[ 80 ]} تتميز TALENs بدقة استهداف أعلى، بينما يُعدّ تصميم CRISPR أسهل وأكثر كفاءة. ^{[ 80 ]} بالإضافة إلى تعزيز استهداف الجينات، يُمكن استخدام النيوكليازات المُهندسة لإدخال طفرات في الجينات الداخلية، مما يُؤدي إلى تعطيل الجين . ^{[ 81 ] [ 82 ]}

تُستخدم الهندسة الوراثية في مجالات الطب والبحث العلمي والصناعة والزراعة، ويمكن تطبيقها على نطاق واسع من النباتات والحيوانات والكائنات الدقيقة. البكتيريا ، وهي أول الكائنات الحية التي خضعت للتعديل الوراثي، يمكن إدخال الحمض النووي البلازميدي فيها، والذي يحتوي على جينات جديدة تُشفّر أدوية أو إنزيمات تُعالج الغذاء ومواد أخرى . [ ^{83 ] [ 84 ] كما} تم تعديل النباتات لحمايتها من الحشرات، ومقاومتها لمبيدات الأعشاب والفيروسات، وتحسين قيمتها الغذائية، وزيادة تحملها للضغوط البيئية، وإنتاج لقاحات صالحة للأكل . ^{[ 85 ]} معظم المحاصيل المعدلة وراثيًا المتوفرة تجاريًا هي محاصيل مقاومة للحشرات أو لمبيدات الأعشاب. ^{[ 86 ]} وقد استُخدمت الحيوانات المعدلة وراثيًا في الأبحاث، وكحيوانات نموذجية، وفي إنتاج المنتجات الزراعية والصيدلانية. وتشمل هذه الحيوانات حيوانات تم تعطيل جيناتها ، وأخرى زادت قابليتها للإصابة بالأمراض ، وأخرى أُعطيت هرمونات لزيادة نموها، وثالثة لديها القدرة على إنتاج بروتينات في حليبها. ^{[ 87 ]}

بحث

تُعدّ الهندسة الوراثية أداةً بالغة الأهمية لعلماء الطبيعة ، ويُعتبر إنتاج الكائنات المعدلة وراثيًا من أهم الأدوات لتحليل وظائف الجينات. ^{[ 112 ]} يُمكن إدخال الجينات والمعلومات الوراثية الأخرى من مجموعة واسعة من الكائنات الحية إلى البكتيريا لتخزينها وتعديلها، مما يُنتج بكتيريا معدلة وراثيًا . ^{[ 113 ]} تتميز البكتيريا برخص ثمنها، وسهولة زراعتها، وقدرتها على التكاثر السريع، وسهولة تحويلها نسبيًا، وإمكانية تخزينها عند درجة حرارة -80 درجة  مئوية لفترة طويلة جدًا. بمجرد عزل الجين، يُمكن تخزينه داخل البكتيريا، مما يُوفر إمدادًا غير محدود للأبحاث. ^{[ 114 ]}

تُجرى هندسة وراثية على الكائنات الحية لاكتشاف وظائف جينات معينة. قد يشمل ذلك تأثيرها على النمط الظاهري للكائن الحي، أو مكان التعبير الجيني، أو الجينات الأخرى التي تتفاعل معها. تتضمن هذه التجارب عادةً فقدان الوظيفة، واكتسابها، وتتبعها، والتعبير عنها.

• تُجرى تجارب فقدان الوظيفة ، مثل تجربة تعطيل الجينات ، حيث يُهندس الكائن الحي ليفتقر إلى نشاط جين واحد أو أكثر. في تجربة تعطيل الجينات البسيطة، تُعدّل نسخة من الجين المطلوب لجعلها غير وظيفية. تدمج الخلايا الجذعية الجنينية الجين المُعدّل، ليحل محل النسخة الوظيفية الموجودة. تُحقن هذه الخلايا الجذعية في الكيسة الأريمية ، التي تُزرع بدورها في رحم أمهات بديلات. يُمكّن هذا الباحث من تحليل العيوب الناتجة عن هذه الطفرة ، وبالتالي تحديد دور جينات معينة. يُستخدم هذا الأسلوب بكثرة في علم الأحياء النمائي . ^{[ 115 ]} عندما يتم ذلك عن طريق إنشاء مكتبة جينية تحتوي على طفرات نقطية في كل موضع في المنطقة محل الاهتمام، أو حتى في كل موضع في الجين بأكمله، يُطلق على هذه العملية اسم "المسح الطفري". أبسط الطرق، وأولها استخدامًا، هي "مسح الألانين"، حيث يُحوّل كل موضع بدوره إلى حمض الألانين الأميني غير المتفاعل . ^{[ 116 ]}
• تجارب اكتساب الوظيفة ، وهي النظير المنطقي لتجارب تعطيل الجينات. تُجرى هذه التجارب أحيانًا بالتزامن مع تجارب تعطيل الجينات لتحديد وظيفة الجين المطلوب بدقة أكبر. تشبه هذه العملية إلى حد كبير عملية هندسة تعطيل الجينات، باستثناء أن التركيب يُصمم لزيادة وظيفة الجين، عادةً عن طريق توفير نسخ إضافية منه أو تحفيز تخليق البروتين بوتيرة أعلى. يُستخدم اكتساب الوظيفة لتحديد ما إذا كان البروتين كافيًا لأداء وظيفة معينة أم لا، ولكنه لا يعني بالضرورة أنه ضروري، خاصةً عند التعامل مع التكرار الجيني أو الوظيفي. ^{[ 115 ]}
• تهدف تجارب التتبع إلى الحصول على معلومات حول موقع البروتين المطلوب وتفاعله. إحدى طرق تحقيق ذلك هي استبدال الجين الأصلي بجين "هجين"، وهو عبارة عن دمج الجين الأصلي مع عنصر مُبلِّغ، مثل البروتين الفلوري الأخضر (GFP)، مما يُسهِّل رؤية نواتج التعديل الجيني. مع أن هذه التقنية مفيدة، إلا أن التلاعب بها قد يُعطِّل وظيفة الجين، مُسبِّباً آثاراً جانبية، وربما يُشكِّك في نتائج التجربة. يجري حالياً تطوير تقنيات أكثر تطوراً لتتبع نواتج البروتين دون التأثير على وظيفتها، مثل إضافة تسلسلات صغيرة تعمل كعناصر ربط للأجسام المضادة وحيدة النسيلة. ^{[ 115 ]}
• تهدف دراسات التعبير الجيني إلى اكتشاف مكان وزمان إنتاج بروتينات محددة. في هذه التجارب، يُعاد إدخال تسلسل الحمض النووي (DNA) الذي يسبق الحمض النووي الذي يُشفّر بروتينًا، والمعروف باسم مُحفّز الجين ، إلى الكائن الحي مع استبدال منطقة ترميز البروتين بجين مُخبِر مثل GFP أو إنزيم يُحفّز إنتاج صبغة. وبالتالي، يُمكن رصد وقت ومكان إنتاج بروتين مُعين. يُمكن تطوير دراسات التعبير الجيني خطوةً أخرى عن طريق تغيير المُحفّز لتحديد الأجزاء الحاسمة للتعبير السليم عن الجين والتي ترتبط فعليًا ببروتينات عامل النسخ؛ تُعرف هذه العملية باسم " تعديل المُحفّز" . ^{[ 117 ]}

زراعة

يُعدّ إنتاج واستخدام المحاصيل أو الماشية المعدلة وراثيًا لإنتاج أغذية معدلة وراثيًا من أبرز تطبيقات الهندسة الوراثية وأكثرها إثارة للجدل . وقد طُوّرت المحاصيل لزيادة الإنتاج، وزيادة تحملها للضغوط البيئية ، وتغيير تركيبها الغذائي، أو لإنتاج منتجات جديدة. ^{[ 129 ]}

وفرت المحاصيل الأولى التي طُرحت تجاريًا على نطاق واسع حماية من الآفات الحشرية أو تحملًا لمبيدات الأعشاب . كما تم تطوير محاصيل مقاومة للفطريات والفيروسات، أو هي قيد التطوير. ^{[ 130 ] [ 131 ]} وهذا يُسهّل إدارة الحشرات والأعشاب الضارة في المحاصيل، ويمكن أن يزيد إنتاجية المحاصيل بشكل غير مباشر. ^{[ 132 ] [ 133 ]} كما يجري تطوير محاصيل معدلة وراثيًا تُحسّن الإنتاجية بشكل مباشر عن طريق تسريع النمو أو جعل النبات أكثر صلابة (عن طريق تحسين تحمله للملوحة أو البرد أو الجفاف). ^{[ 134 ]} في عام 2016، تم تعديل سمك السلمون وراثيًا باستخدام هرمونات النمو ليصل إلى حجمه الطبيعي عند البلوغ بشكل أسرع بكثير. ^{[ 135 ]}

طُوِّرت الكائنات المعدلة وراثيًا لتحسين جودة المنتجات الزراعية من خلال زيادة قيمتها الغذائية أو توفير خصائص أو كميات أكثر فائدة للاستخدام الصناعي. [134] تنتج بطاطا أمفلورا مزيجًا من النشويات أكثر فائدة للاستخدام الصناعي. كما عُدِّلت فول الصويا والكانولا ^{وراثيًا لإنتاج زيوت} صحية أكثر . [ 136 ^{] [ 137 ] وكان أول} غذاء معدل وراثيًا يُسوَّق تجاريًا هو الطماطم التي تأخر نضجها، مما زاد من مدة صلاحيتها . ^{[ 138 ]}

تم تعديل النباتات والحيوانات وراثيًا لإنتاج مواد لا تنتجها عادةً. تستخدم الزراعة المحاصيل والحيوانات كمفاعلات حيوية لإنتاج اللقاحات، والمواد الوسيطة للأدوية، أو الأدوية نفسها؛ حيث يُنقى المنتج المفيد من المحصول ثم يُستخدم في عملية الإنتاج الدوائي القياسية. ^{[ 139 ]} كما تم تعديل الأبقار والماعز وراثيًا لإنتاج الأدوية والبروتينات الأخرى في حليبها، وفي عام 2009 وافقت إدارة الغذاء والدواء الأمريكية على دواء مُنتج في حليب الماعز. ^{[ 140 ] [ 141 ]}

يتناول تنظيم الهندسة الوراثية المناهج التي تتبعها الحكومات لتقييم وإدارة المخاطر المرتبطة بتطوير وإطلاق الكائنات المعدلة وراثيًا. بدأ وضع إطار تنظيمي في عام 1975 في أسيلومار ، كاليفورنيا. ^{[ 151 ]} أوصى اجتماع أسيلومار بمجموعة من المبادئ التوجيهية الطوعية بشأن استخدام تقنية إعادة التركيب الجيني. ^{[ 31 ]} مع تطور هذه التقنية، أنشأت الولايات المتحدة لجنة في مكتب العلوم والتكنولوجيا ، ^{[ 152 ]} والتي أوكلت مهمة الموافقة التنظيمية على الأغذية المعدلة وراثيًا إلى وزارة الزراعة الأمريكية، وإدارة الغذاء والدواء، ووكالة حماية البيئة. ^{[ 153 ]} تم اعتماد بروتوكول قرطاجنة بشأن السلامة البيولوجية ، وهو معاهدة دولية تنظم نقل الكائنات المعدلة وراثيًا والتعامل معها واستخدامها، ^{[ 154 ]} في 29 يناير 2000. ^{[ 155 ]} يبلغ عدد الدول الأعضاء في البروتوكول 157 دولة، وتستخدمه العديد منها كمرجع للوائحها الخاصة. ^{[ 156 ]}

يختلف الوضع القانوني والتنظيمي للأغذية المعدلة وراثيًا من بلد لآخر، فبعض الدول تحظرها أو تقيدها، بينما تسمح بها دول أخرى بدرجات متفاوتة من التنظيم. ^{[ 157 ] [ 158 ] [ 159 ] [ 160 ]} تسمح بعض الدول باستيراد الأغذية المعدلة وراثيًا بترخيص، لكنها إما لا تسمح بزراعتها (روسيا، النرويج، إسرائيل) أو لديها أحكام تسمح بزراعتها حتى وإن لم يتم إنتاج أي منتجات معدلة وراثيًا بعد (اليابان، كوريا الجنوبية). معظم الدول التي لا تسمح بزراعة الكائنات المعدلة وراثيًا تسمح بإجراء البحوث عليها. ^{[ 161 ]} تبرز بعض الاختلافات بشكل واضح بين الولايات المتحدة وأوروبا. تركز السياسة الأمريكية على المنتج (وليس على عملية الإنتاج)، وتنظر فقط في المخاطر العلمية القابلة للتحقق، وتستخدم مفهوم التكافؤ الجوهري . ^{[ 162 ]} في المقابل، يمتلك الاتحاد الأوروبي ربما أكثر اللوائح صرامة بشأن الكائنات المعدلة وراثيًا في العالم. ^{[ 163 ]} تُعتبر جميع الكائنات المعدلة وراثيًا، إلى جانب الأغذية المُشعَّعة ، "أغذية جديدة" وتخضع لتقييم علمي شامل من قِبَل الهيئة الأوروبية لسلامة الأغذية ، وذلك على أساس كل حالة على حدة . وتندرج معايير الترخيص ضمن أربع فئات رئيسية: "السلامة"، و"حرية الاختيار"، و"التصنيف"، و"إمكانية التتبع". ^{[ 164 ]} يقع مستوى التنظيم في الدول الأخرى التي تزرع الكائنات المعدلة وراثيًا بين مستوى أوروبا والولايات المتحدة.

من القضايا الرئيسية التي تشغل بال الجهات التنظيمية مسألة وضع ملصقات على المنتجات المعدلة وراثيًا. وتؤكد المفوضية الأوروبية على ضرورة إلزامية وضع الملصقات وإمكانية تتبع المنتجات لتمكين المستهلكين من اتخاذ خيارات مستنيرة، وتجنب الإعلانات المضللة المحتملة ^{[ 175 ]} ، وتسهيل سحب المنتجات من الأسواق في حال اكتشاف آثار ضارة على الصحة أو البيئة. ^{[ 176 ]} بينما ترى الجمعية الطبية الأمريكية ^{[ 177 ]} والجمعية الأمريكية لتقدم العلوم ^{[ 178 ]} أن وضع الملصقات، حتى وإن كان اختياريًا، يُعدّ مضللًا ويُثير قلق المستهلكين دون داعٍ في غياب أدلة علمية على الضرر . ويُلزم القانون بوضع ملصقات على المنتجات المعدلة وراثيًا في الأسواق في 64 دولة. ^{[ 179 ]} وقد يكون وضع الملصقات إلزاميًا حتى بلوغ مستوى معين من محتوى الكائنات المعدلة وراثيًا (يختلف من دولة لأخرى)، أو اختياريًا. ففي كندا والولايات المتحدة، يُعدّ وضع الملصقات على الأغذية المعدلة وراثيًا اختياريًا، ^{[ 180 ]} بينما في أوروبا، يجب وضع ملصقات على جميع الأغذية (بما في ذلك الأغذية المصنعة ) أو الأعلاف التي تحتوي على أكثر من 0.9% من الكائنات المعدلة وراثيًا المعتمدة. ^{[ 163 ]}

اعترض النقاد على استخدام الهندسة الوراثية لأسباب عديدة، منها مخاوف أخلاقية وبيئية واقتصادية. ^{[ 181 ]} وتتمحور العديد من هذه المخاوف حول المحاصيل المعدلة وراثيًا، ومدى سلامة الغذاء المُنتج منها، وتأثير زراعتها على البيئة. وقد أدت هذه الخلافات إلى دعاوى قضائية، ونزاعات تجارية دولية، واحتجاجات، وإلى فرض قيود تنظيمية على المنتجات التجارية في بعض البلدان. ^{​​[ 182 ]}

منذ البداية، وُجهت اتهامات للعلماء بأنهم " يلعبون دور الإله " وقضايا دينية أخرى إلى هذه التقنية. ^{[ 183 ]} ​​وتشمل القضايا الأخلاقية الأخرى التي أُثيرت: براءات اختراع الحياة ، ^{[ 184 ]} واستخدام حقوق الملكية الفكرية ، ^{[ 185 ]} ومستوى وضع العلامات على المنتجات، ^{[ 186 ] [ 187 ]} والتحكم في الإمدادات الغذائية ^{، [ 188 ]} وموضوعية العملية التنظيمية. ^{[ 189 ]} ورغم وجود بعض الشكوك، ^{[ 190 ]} فقد وجدت معظم الدراسات أن زراعة المحاصيل المعدلة وراثيًا مفيدة للمزارعين من الناحية الاقتصادية. ^{[ 191 ] [ 192 ] [ 193 ]}

قد يؤدي انتقال الجينات بين المحاصيل المعدلة وراثيًا والنباتات المتوافقة معها، إلى جانب زيادة استخدام مبيدات الأعشاب الانتقائية ، إلى زيادة خطر ظهور " الأعشاب الضارة الخارقة ". ^{[ 194 ]} وتشمل المخاوف البيئية الأخرى التأثيرات المحتملة على الكائنات غير المستهدفة، بما في ذلك ميكروبات التربة ، ^{[ 195 ]} وزيادة الآفات الحشرية الثانوية والمقاومة. ^{[ 196 ] [ 197 ]} قد يستغرق فهم العديد من الآثار البيئية المتعلقة بالمحاصيل المعدلة وراثيًا سنوات عديدة، وهي واضحة أيضًا في ممارسات الزراعة التقليدية. ^{[ 195 ] [ 198 ]} ومع تسويق الأسماك المعدلة وراثيًا، تبرز مخاوف بشأن العواقب البيئية في حال تسربها. ^{[ 199 ]}

تُثار ثلاثة مخاوف رئيسية بشأن سلامة الأغذية المعدلة وراثيًا: احتمالية تسببها في رد فعل تحسسي ؛ وإمكانية انتقال الجينات من الغذاء إلى خلايا الإنسان؛ واحتمالية انتقال الجينات غير المعتمدة للاستهلاك البشري إلى محاصيل أخرى. ^{[ 200 ]} وهناك إجماع علمي ^{[ 201 ] [ 202 ] [ 203 ] [ 204 ]} على أن الأغذية المتوفرة حاليًا والمشتقة من المحاصيل المعدلة وراثيًا لا تشكل خطرًا أكبر على صحة الإنسان من الأغذية التقليدية، ^{[ 205 ] [ 206 ] [ 207 ] [ 208 ] [ 209 ]} ولكن يجب اختبار كل غذاء معدل وراثيًا على حدة قبل طرحه في السوق. ^{[ 210 ] [ 211 ] [ 212 ]} ومع ذلك، فإن عامة الناس أقل ميلًا من العلماء إلى اعتبار الأغذية المعدلة وراثيًا آمنة. ^{[ 213 ] [ 214 ] [ 215 ] [ 216 ]}

تظهر الهندسة الوراثية في العديد من قصص الخيال العلمي . ^{[ 25 ]} تصف رواية فرانك هربرت " الطاعون الأبيض" الاستخدام المتعمد للهندسة الوراثية لإنشاء مسبب مرض يقتل النساء تحديدًا. ^{[ 25 ]} كما تستخدم سلسلة روايات "ديون" ، وهي من إبداعات هربرت الأخرى، الهندسة الوراثية لإنشاء كائن "تليلاكسو" القوي . ^{[ 217 ]} وقد تناولت أفلام قليلة موضوع الهندسة الوراثية، باستثناء فيلمي " أولاد البرازيل" (1978) و "حديقة جوراسيك" (1993 )، اللذين استخدما درسًا توضيحيًا وعرضًا عمليًا ومقطعًا من فيلم علمي. ^{[ 218 ] [ 219 ]} وتُعدّ أساليب الهندسة الوراثية ممثلة تمثيلًا ضعيفًا في السينما؛ إذ يصف مايكل كلارك، في مقال له في مؤسسة ويلكوم ترست ، تصوير الهندسة الوراثية والتكنولوجيا الحيوية بأنه "مشوّه بشكل خطير" ^{[ 219 ]} في أفلام مثل " اليوم السادس" . يرى كلارك أن التكنولوجيا الحيوية عادةً ما تُمنح "أشكالاً خيالية ولكنها جذابة بصرياً"، بينما يتم تهميش العلم أو تحويله إلى عمل خيالي ليناسب جمهوراً شاباً. ^{[ 219 ]}

• الهندسة البيولوجية
• علم الجينوم الحاسوبي
• التعديلات (علم الوراثة)
• الطفرات (تقنية البيولوجيا الجزيئية)