البكتيريا المعدلة وراثيًا

كانت البكتيريا المعدلة وراثيًا أول الكائنات الحية التي تم تعديلها في المختبر، نظرًا لبساطة تركيبها الجيني. ^{[ 1 ]} تُستخدم هذه الكائنات الآن لأغراض متعددة، وتكتسب أهمية خاصة في إنتاج كميات كبيرة من البروتينات البشرية النقية لاستخدامها في الطب. ^{[ 2 ]}

حدث أول مثال على ذلك في عام 1978 عندما قام هربرت بوير ، الذي كان يعمل في مختبر بجامعة كاليفورنيا، بأخذ نسخة من جين الأنسولين البشري وإدخالها في بكتيريا الإشريكية القولونية لإنتاج أنسولين "بشري" اصطناعي . وبعد أربع سنوات، تمت الموافقة عليه من قبل إدارة الغذاء والدواء الأمريكية .

اليسار: بكتيريا مُحوَّلة بواسطة pGLO تحت الضوء المحيط. اليمين: بكتيريا مُحوَّلة بواسطة pGLO مُصوَّرة تحت ضوء الأشعة فوق البنفسجية.

كانت البكتيريا أول الكائنات الحية التي خضعت للتعديل الوراثي في ​​المختبر، نظرًا لسهولة تعديل كروموسوماتها نسبيًا. ^{[ 3 ]} هذه السهولة جعلتها أدوات مهمة لإنتاج كائنات معدلة وراثيًا أخرى. يمكن إضافة الجينات والمعلومات الوراثية الأخرى من مجموعة واسعة من الكائنات الحية إلى بلازميد وإدخالها في البكتيريا لتخزينها وتعديلها. تتميز البكتيريا برخص ثمنها، وسهولة زراعتها، وقدرتها على التكاثر الاستنساخي ، وسرعة تكاثرها، وسهولة تحويلها وراثيًا نسبيًا، وإمكانية تخزينها عند درجة حرارة -80  درجة مئوية لفترة طويلة جدًا. بمجرد عزل جين ما، يمكن تخزينه داخل البكتيريا، مما يوفر إمدادًا غير محدود للأبحاث. ^{[ 4 ]} كما أن العدد الكبير من البلازميدات المصممة خصيصًا يجعل التلاعب بالحمض النووي المستخلص من البكتيريا أمرًا سهلاً نسبيًا. ^{[ 5 ]}

سهولة استخدامها جعلتها أدواتٍ قيّمة للعلماء الساعين لدراسة وظائف الجينات وتطورها . تجري معظم عمليات التلاعب بالحمض النووي داخل البلازميدات البكتيرية قبل نقلها إلى كائن حي آخر. تُعدّ البكتيريا أبسط الكائنات النموذجية ، ومعظم فهمنا المبكر لعلم الأحياء الجزيئي مستمد من دراسة بكتيريا الإشريكية القولونية . ^{[ 6 ]} يستطيع العلماء بسهولة التلاعب بالجينات ودمجها داخل البكتيريا لإنتاج بروتينات جديدة أو مُعدّلة، ومراقبة تأثير ذلك على مختلف الأنظمة الجزيئية. وقد دمج الباحثون جينات من البكتيريا والعتائق ، مما أدى إلى فهم أعمق لكيفية تباعد هذين النوعين في الماضي. ^{[ 7 ]} في مجال البيولوجيا التركيبية ، استُخدمت هذه التقنيات لاختبار مناهج تركيبية متنوعة، بدءًا من تركيب الجينومات وصولًا إلى إنتاج نيوكليوتيدات جديدة . ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}

تُستخدم البكتيريا في إنتاج الغذاء منذ زمن طويل، وقد طُوّرت سلالات مُحددة منها واختيرت لهذا الغرض على نطاق صناعي. يُمكن استخدامها لإنتاج الإنزيمات والأحماض الأمينية والمنكهات وغيرها من المركبات المُستخدمة في إنتاج الغذاء. مع ظهور الهندسة الوراثية، أصبح من السهل إدخال تغييرات جينية جديدة على هذه البكتيريا. تُعدّ بكتيريا حمض اللاكتيك من أكثر البكتيريا المُنتجة للغذاء ، وهذا ما اتجهت إليه غالبية الأبحاث في مجال الهندسة الوراثية للبكتيريا المُنتجة للغذاء. يُمكن تعديل البكتيريا لتعمل بكفاءة أكبر، وتقليل إنتاج المُنتجات الثانوية السامة، وزيادة الإنتاج، وإنتاج مُركبات مُحسّنة، وإزالة المسارات غير الضرورية . ^{[ 11 ]} تشمل المُنتجات الغذائية من البكتيريا المُعدّلة وراثيًا إنزيم ألفا-أميليز ، الذي يُحوّل النشا إلى سكريات بسيطة، وإنزيم الكيموسين ، الذي يُخثّر بروتين الحليب لصناعة الجبن، وإنزيم البكتينستراز ، الذي يُحسّن صفاء عصير الفاكهة. ^{[ 12 ]}

تُستخدم البكتيريا المعدلة وراثيًا لإنتاج كميات كبيرة من البروتينات للاستخدام الصناعي. وعادةً ما تُزرع البكتيريا حتى تصل إلى حجم كبير قبل تنشيط الجين المسؤول عن ترميز البروتين. ثم تُحصد البكتيريا ويُستخلص منها البروتين المطلوب. ^{[ 14 ]} ونظرًا للتكلفة العالية للاستخلاص والتنقية، اقتصر الإنتاج على المنتجات ذات القيمة العالية فقط على النطاق الصناعي. ^{[ 15 ]}

مع ازدياد فهمنا لدور الميكروبيوم في صحة الإنسان، تبرز إمكانية علاج الأمراض عن طريق التعديل الجيني للبكتيريا لتصبح عوامل علاجية بحد ذاتها. تشمل الأفكار تعديل بكتيريا الأمعاء بحيث تقضي على البكتيريا الضارة، أو استخدام البكتيريا لاستبدال أو زيادة الإنزيمات أو البروتينات الناقصة. يركز أحد مجالات البحث على تعديل بكتيريا اللاكتوباسيلس ، التي توفر بشكل طبيعي بعض الحماية ضد فيروس نقص المناعة البشرية ، بجينات تعزز هذه الحماية. ^{[ 24 ]} وقد تم تعديل البكتيريا التي تسبب تسوس الأسنان عادةً بحيث لم تعد تنتج حمض اللاكتيك المسبب لتآكل الأسنان . [ 25 ] هذه ^{البكتيريا المعدلة وراثيًا} ، إذا سُمح لها بالتكاثر في فم الإنسان، قد تقلل من تكوّن التجاويف. ^{[ 26 ]} كما استُخدمت الميكروبات المعدلة وراثيًا في أبحاث حديثة لقتل الأورام أو تثبيط نموها، ولمكافحة داء كرون . ^{[ 27 ]}

إذا لم تُشكّل البكتيريا مستعمرات داخل جسم المريض، فسيتعين عليه تناول البكتيريا المُعدّلة بشكل متكرر للحصول على الجرعات المطلوبة. قد يُوفّر تمكين البكتيريا من تكوين مستعمرات حلاً طويل الأمد، ولكنه قد يُثير مخاوف تتعلق بالسلامة، إذ أن التفاعلات بين البكتيريا وجسم الإنسان أقل وضوحاً مقارنةً بالأدوية التقليدية.

من الأمثلة على هذه الكائنات الوسيطة، التي تُكوّن مستعمرات قصيرة الأمد في الجهاز الهضمي ، بكتيريا لاكتوباسيلوس أسيدوفيلوس MPH734 . تُستخدم هذه البكتيريا كعلاج نوعي لعدم تحمل اللاكتوز . تُنتج هذه النسخة المُعدّلة وراثيًا من بكتيريا لاكتوباسيلوس أسيدوفيلوس إنزيمًا مفقودًا يُسمى اللاكتاز ، وهو المسؤول عن هضم اللاكتوز الموجود في منتجات الألبان، أو في الأطعمة المُحضّرة منها. يتم تحفيز تكوين المستعمرة قصيرة الأمد خلال أسبوع واحد، باستخدام 21 قرصًا علاجيًا، وبعدها، يُمكن لهذه المستعمرة المؤقتة إنتاج اللاكتاز لمدة ثلاثة أشهر أو أكثر قبل أن يتخلص منها الجسم بشكل طبيعي. يُمكن تكرار نظام التحفيز العلاجي حسب الحاجة للحفاظ على الحماية من أعراض عدم تحمل اللاكتوز، أو إيقافه دون أي عواقب، باستثناء عودة الأعراض الأصلية.

تُثار مخاوف من أن يكون لانتقال الجينات الأفقي إلى أنواع أخرى من البكتيريا آثار غير معروفة. واعتبارًا من عام 2018، تُجرى تجارب سريرية لاختبار فعالية هذه العلاجات وسلامتها. ^{[ 24 ]}

استُخدمت البكتيريا في الزراعة لأكثر من قرن. فقد تم تلقيح المحاصيل ببكتيريا الرايزوبيا (ومؤخرًا الأزوسبيريلوم ) لزيادة إنتاجها أو لتمكين زراعتها خارج موطنها الأصلي . ويمكن أن يساعد استخدام بكتيريا العصوية التورنجية (Bt) وغيرها من البكتيريا في حماية المحاصيل من الإصابة بالحشرات والأمراض النباتية. ومع التقدم في الهندسة الوراثية، تم تعديل هذه البكتيريا لزيادة كفاءتها وتوسيع نطاق عوائلها. كما أُضيفت إليها علامات وراثية للمساعدة في تتبع انتشارها. وتم أيضًا تعديل البكتيريا التي تستعمر بعض المحاصيل بشكل طبيعي، وفي بعض الحالات للتعبير عن جينات Bt المسؤولة عن مقاومة الآفات. تُسبب سلالات بكتيريا الزائفة أضرار الصقيع عن طريق تكوين بلورات جليدية حول نفسها. وقد أدى ذلك إلى تطوير بكتيريا خالية من الجليد ، والتي أُزيلت منها الجينات المسؤولة عن تكوين الجليد. وعند استخدامها على المحاصيل، يمكنها منافسة البكتيريا الحاملة للجليد ومنحها بعض المقاومة للصقيع. ^{[ 28 ]}

Other uses for genetically modified bacteria include bioremediation, where the bacteria are used to convert pollutants into a less toxic form. Genetic engineering can increase the levels of the enzymes used to degrade a toxin or to make the bacteria more stable under environmental conditions.^[29] GM bacteria have also been developed to leach copper from ore,^[30] clean up mercury pollution^[31] and detect arsenic in drinking water.^[32]Bioart has also been created using genetically modified bacteria. In the 1980s artist Joe Davis and geneticist Dana Boyd converted the Germanic symbol for femininity (ᛉ) into binary code and then into a DNA sequence, which was then expressed in Escherichia coli.^[33] This was taken a step further in 2012, when a whole book was encoded onto DNA.^[34] Paintings have also been produced using bacteria transformed with fluorescent proteins.^[33][35][36]

• Insulin
• Hepatitis B vaccine
• Tissue plasminogen activator
• Human growth hormone
• Ice-minus bacteria
• Interferon
• Bt corn^[37]
• Terraforming § Other possibilities

• كارل درليكا (2004). فهم الحمض النووي واستنساخ الجينات: دليل للمهتمين (  الطبعة الرابعة). وايلي. ISBN 978-0-471-43416-0.