الأحياء للثانوية العامة الدرس الأول الدعامة في النبات المنهج الجديد

التقنية الحيوية و استخداماتها فى المجالات الطبية

التقنية الحيوية 

هي عملية استخدام تقنية التعديل في الحمض النووي (DNA) لتغيير التركيب الجيني للكائن الحي. و حديثا قام العلماء بالتعديل علي الحمض النووي DNA مما مكنهم بشكل غير مباشر من التحكم في التكاثر وإدخال الصفات المرغوبة التي قد تكون زيادة في الحجم أو زيادة في الإنتاجية. في أغلب الأحيان تتضمن الهندسة الوراثية المعالجة المباشرة لجين واحد أو أكثر. أو يُضاف جين من نوع آخر إلى جينوم الكائن الحي لمنحه الصفة المرغوبة التي يسعى خلفها الإنسان. 

يدرك العلماء جيدا أهمية دراسة وتطور هذا العلم ويعدونه بمثابة المفتاح السحري لفهم أسرار المادة الوراثية والتحكم فيها بما يخدم البشرية أو الأفراد والدول كلا على حسب ما يرمى إليه من دراسة هذا العلم, إن المادة الوراثية هي التي تهيمن وتتحكم في جميع العمليات الحيوية للخلايا الحية لذا فلقد تم استغلال هذه التقنيات الجديدة للاستفادة منها على المستوى العلمي والطبي وكذلك الصناعي والزراعي فمن خلال عزل بعض المورثات أو أجزاء منها بشكل نقي وبكميات وفيرة وإدخالها إلى البكتريا للقيام بعمليات ايضية مفيدة والاستفادة من ذلك.

فالتقنيةالحيوية هي أي تقنية تستخدم الكائنات الحية أو مواد منها لصنع أو تعديل منتج أو لتحسين النباتات أو الحيوانات أو لتطوير أحياء دقيقة لاستخدامات معينة كذلك لتطوير علاجات معينة لأمراض خطيرة وإنتاج مضادات حيوية. وقد كان لكل مدرسة علمية تعريف مستقل عن المدرسة الأخرى

تعريفات التقنية الحيوية المختلفة

ان التعريف البريطاني:يعرفها على أنها التطبيقات الحيوية والأنظمة ومراحل الإنتاج التصنيعية"بينما التعريف الياباني "تقنية تستخدم الظواهر الحيوية لنسخ وإنتاج منتجات حيوية مفيدة"

التعريف الأمريكي "استخدام منظم للأحياء مثل الأحياء الدقيقة أو المكونات الحيوية لأغراض مفيدة"

بينما التعريف الأوربي: "الاستخدام المتداخل لعلوم الكيمياء الحيوية والأحياء الدقيقة والهندسة للوصول إلى تطبيقات صناعية من الأحياء الدقيقة وزراعة الأنسجة أو أجزاء منها".

التقدم في علم الجينات (تـركيب الجين) وكيفية تخليق البروتين

مكن التقدم الهائل فى هذا العلم الى

1- عزل جيـن مرغـوب فيه وتكوين ملايين النسخ منه داخل خلية بكتيرية أو خلية الخميرة .

2- تحليل أي  جيـن لمعرفة تتابع النيوكليوتيدات فيه .

3-إجراء مقارنة بين جينات نفس الفرد أو جينات أفراد مختلفة .

4- معرفة تتابع الأحماض الأمينية في البروتيـن الذي يكوّنه هذا الجين .

5-نقل جينات وظيفية إلى خلايا نباتية وأخرى حيوانية .

6-بناء جينات DNA حسب الطلب ففي عام 1979م قام خورانا بإنتاج جين صناعي وإدخاله إلى داخل خلية بكتيرية .

7- إنتاج شرائط قـصيرة من DNA تحتوي على تتابع النيوكليوتيدات الذي نرغب فيه, عن طريق برمجة النظم الجينية الموجودة في العديد من المعامل .

8-استخدام DNA الصناعي في تجارب تخليق البروتين .

9-معرفة تأثير الأحماض الأمينية على وظيفة البروتين عن طريق تغيير الشفرة لاستبدال حمض أميني بحمض أميني آخر  

استخدام التقنية الحيوية في المجال الطبي

منذ أن تمكن علماء الأحياء الدقيقة والوراثة من نقل المواد الوراثية DNA,RNA وهو ما يطلق عليه الموروثات من كائن إلى آخر، لاقى هذا العمل انتشاراً واسعاً على الصعيد العملي في المجال الطبي، وصناعة الدواء و إنتاج المضادات الحيوية. مما جعل التقنيات الحيوية قادرة على مساعدة الملايين من المرضى والمصابين، و العمل على الحد من بعض الأمراض الوراثية التي لا علاج لها بالطرق التقليدية، فكان لها فضل كبير في انحسار هذه الأمراض، وساعدت هذه التقنيات أعداداً هائلة من المصابين خصوصا بمرض السكر الناتج عن الخلل في عمل هرمون الأنسولين وقصر القامة الناتج عن نقص في هرمون النمو، وكذلك الحد من بعض الأمراض الخطرة الأخرى مثل الأورام وأمراض القلب.

من الناحية التقنية فإن معالجة الخلل الجيني الذي قد ينتج عن بعض الأمراض الوراثية أو قد يكون بسبب غيرها في الأفراد البالغين قد أصبح قريب المنال، فإن عضواً أو نسيجاً بشريا لا يؤدي عمله بالكفاءة المناسبة مثلما يحدث فى بنكرياس مريض السكر مثلاً لا يفرز ما يكفي من الأنسولين Insulin اللازم لتحويل الجلوكوز الى جليكوجين, إن الأمل القادم باستخدام التقنية الحيوية يقول إننا نستطيع علاج مرضى السكر عن طريق استبدال جينات سليمة بجينات الأنسولين المقصرة في بنكرياس Pancreas المريض و من ثم استطاعة البنكرياس إفراز الأنسولين بصورة طبيعية مرة أخرى.

 مجالات استخدام التقنية الحيوية فى المجالات الطبية المختلفة

الكشف عن الأمراض

وضع الأساس لتطوير الفحوص المخبرية للكشف عن موطن وسبب العديد من الأمراض الموروثة.ساعد في ذلك عزل وتحليل أكثر من (1000) من المورثات أو الجينات المسئولة عن الأمراض وخصوصا الأمراض الوراثية، وقد عرف موضع وبنيان المورثات المعطوبة أو التالفة بالمقارنة بالمورثات السليمة.

يمكن التوصل إلى كيفية وطبيعة توارث أي صفة وراثية أو أي مرض وراثي فى عائلة ما, من خلال دراسة سلوك الصفات في هذه العائلة، ودراسة ظهور أي مرض وراثي في عائلة كل من الزوجين ورسم الشجرة العائلية لهذه العائلة محل الدراسة.

في محاولات التشخيص قبل الولادة، أمكن عزل المورثات المريضة عن طريق الحصول على عينة السائل الأمنيوسي أو خميلة من المشيمية من رحم الأنثى، يستخلص منهما الشريط الوراثي للجنين، ويجرى عليه الفحص لعزل المورث المريض. إن بإمكان تكنولوجيا الـ DNA المطعم تقديم المجسات الجينية وهي سلاسل قصيرة من DNA، وتتعرف على جينات بعينها، والتعرف على التغيرات أو الطفرة التي قد تؤدى إلى حدوث المرض  أو إلى ظهوره.

في حالة التعرف على الجين المرتبط بمرض وراثي معين، يمكن القيام مباشرة بتحديد الطفرة، بعمليات إدخال، إزالة ونسخ، أو بإعادة ترتيب الجين. ويمكن نسخ الجين بسهولة إذا أمكن التعرف على البروتين الذي يحمل شفرته الجين الطبيعي.

استخدام التقنية الحيوية في إنتاج المستحضرات الطبية

مرض الهيموفيليا, إن من أعظم المنتجات والمخرجات التي ساهمت بها الهندسة الوراثية أوالتقنية الحيوية في المجال الطبي هى إنتاج مواد قد تكون نادرة أو يصعب استخراجها من جسم الإنسان، مثل تصنيع عوامل التخثر في الدم التي يحتاجها المصاب بعدم تجلط الدم " هيموفيليا" Hemophilia عن طريق الاستعانة بالمورثات البشرية أو الجينات البشرية المعزولة التي تقوم بهذا الدور لدى غير المصابين، وهذا من شأنه أن يقي المصابين بهذا المرض الوراثي من استعمال المنتجات المشتقة من دم الإنسان التي قد تكون ملوثة بعدد من الفيروسات كفيروس الإيدز وغيره من الفيروسات التي قد تكون سبب وباء أكثر منها معاجلة.

إن إنتاج المضادات الحيوية عن طريق الأحياء الدقيقة من الأشياء التي ربما وضع عليها الكثير من الباحثين الآمال العريضة باستخدام هذه التقنية، والتي لم تخذلهم فيها, فقد سجل الباحثون نجاحاً ملحوظاً في هذا المجال، حيث تم زيادة إنتاجية السلالات من المضادات الحيوية وبدرجة كبيرة.

وسوف نتناول فيما يلي بعضاً من المستحضرات الطبية التي أمكن بالفعل إنتاجها عن طريق التقنيات الحيوية، مثل: مستحضرات الدم، الأجسام المضادة النقية، اللقاحات والأمصال، الهرمونات.

  مستحضرات الدم

جاء إعلان شركة جينيتك الأمريكية من تمكنها من إنتاج بروتين الألبيومين الموجود فى مصل الدم الآدمي في بكتريا اشريشيا  كولاي E. Coli ( تعني أن البكتيريا أصبحت تصنع البروتين بكميات صغيرة على الأرجح ), من وضع آمال عريضة في إمكانية إنتاج هذا البروتين بمقادير هائلة بهذه الطريقة، ربما باستخدام هذه البكتريا أو باستخدام بكتيريا أخرى كعائل أو باستخدام الخميرة. كذلك أصبح في الإمكان الآن أن يمرر دم مريض داخل جهاز تجهيز للدم موجود بجوار سريره، فيزيل منه أنواعاً معينة من خلايا الدم أو مكوناته كالأجسام المضادة مثلاً، كما يمكن أيضاً أن تجهز البلازما بعد فصلها من الدم الكامل، ثم تجزيئها إلى مكوناتها من البروتينات المفردة مثل العامل رقم (8) المطلوب لعلاج مرض سيولة الدم.

الأجسام المضادة النقية Monoclonal antibodies.

يوجد على سطح البكتيريا التي تغزو الأنسجة مركبات تُسمى » مولدات الضد أو المستضدات أو الانتيجينات Antigens تقوم الخلايا المناعية البائية B بالتعرف على هذه الأجسام والمكونات الغريبة عن الجسم ( الأنتيجينات ) عن طريق ارتباط  المركبات الموجودة على سطحها والتي يُطلق عليها » المستقبلات « بتلك الأنتيجينات, ثم تقوم بإنتاج مواد بروتينية يُطلق عليها الأجسام المضادة Antibodies ( أو الجلوبيولينات المناعية Immunoglobulins واختصارها Ig )

هذه الأجسام المضادة مصمّمة لتضاد هذه الأجسام الغريبة عن الجسم حيث تقوم هذه الأجسام المضادة وجزيئات » المتممات « بالالتصاق بالبكتيريا لتجعلها في متناول خلايا الدم البيضاء الأخرى كي تلتهمها  وتقضي عليها يوجد خمسة أنواع من الأجسام المضادة هي : IgA  IgE  IgD    IgM  IgG

الأجسام المضادة النقية هي أجسام مضادة مشتقة من خطوط خلايا تنمى في مزارع خُلقت خصيصاً لهذا الغرض، ولا تنتج سوى نوع واحد فقط من الأجسام المضادة، والأجسام المضادة النقية تخلق أساساً في خلايا هجينة تسمى Hybridoma الخلايا الهجينة المدمجة. إذ يُدمج سوياً نوعان من الخلايا، فالخلايا التي تنتج الأجسام المضادة لا تستطيع الحياة في مزارع اصطناعية، ويلزم زراعتها بهذه الطريقة حتى يمكن أن تنتج أجساماً مضادة معينة في حالة نقية.

ولهذا العمل الآن أشكال متعددة، فعلى سبيل المثال فقد استعملت في علاج مرض سرطان الدم عن طريق إنتاج الأجسام المضادة لأنتيجينات معينة موجودة على خلايا الدم المسرطنة، بحيث يمكن إزالة هذه الخلايا من الدم.

من الممكن من ناحية المبدأ أن تُحمل الأجسام المضادة النقية بعقاقير أو سموم قوية جداً، أو بجرعات صغيرة من كيماويات مشعة، فتقوم بنقلها مباشرة إلى الورم، ولما كانت الأجسام المضادة النقية لا تهاجم إلا خلايا السرطان، فإنها لن تؤذي أي نسيج سليم مجاور، وهذه الإستراتيجية تتجنب الآثار الجانبية للسموم.

  اللقاحات والأمصال :

 لقد استعلمت تقنية الهندسة الوراثية في إنتاج كثير من اللقاحات المهمة والمورثات التي تحمل شفرات البروتينات الموجودة في الغلاف الخارجي لهذه الفيروسات، مثل فيروس الالتهاب الكبدي Hepatitis-B، والمرض الجلدي المسمى القوباء Herpes simplex، بعد اندماجها بفيروس جدري البقر غير الضار نسبياً. فعندما يُعدى شخص ما بهذا المصل المعدل، فإنه يحفز الأجسام المضادة لسطوح فيروس القوياء، مما يجعل الشخص محصناً.

ومازالت الأبحاث تجرى, فهناك أبحاث عديدة تجرى الآن لاستعمال تقنية الهندسة الوراثية في اكتشاف أمصال ضد فيروس الإيدز (طاعون هذا العصر) وربما تنجح تلك المحاولات مما قد يمثل طفرة علمية غير مسبوقة فى هذا المجال.

الإنترفيرونات Interferon :

الانترفيرونات هي بروتينات تُبنى في جسم الإنسان وتنطلق من الخلايا المُصابة بالفيروس لتعمل على وقاية الخلايا المجاورة من مهاجمة الفيروس أي أن الانترفيرونات توقف تضاعف الفيروسات خاصة الفيروسات التي يتكون محتواها الجيني من RNA كفيروسات الأنفلونزا وشلل الأطفال وقد تفيد الانترفيرونات في علاج بعض الأمراض الفيروسية كبعض أنواع مرض السرطان.

- كان الانترفيرون المستخدم في الطب حتى عام 1970 يُستخلص بصعوبة من الخلايا البشرية, ولذلك كان نادر الوجود وغالي الثمن.

- ولقد استطاع الباحثون تكويـن بكتيريا تحتوي على جينات الانترفيرون فقد تمكنوا في الثمانينات وبمصانع الأدوية من إدخال 15 جين بشري للانترفيرون إلى داخل خلايا بكتيرية وبذلك أصبح الانترفيرون متوفر ورخيص الثمن نسبيا غير أن الدراسات المبدئية لاستخدام الانترفيرون في علاج السرطان كانت مخيبة للآمال وقد يرجع ذلك إلى مشاكل تقنية يُمكن التغلب عليها فيما بعد.

إنه من الممكن تحصين أجنة الدجاج ضد الإصابة الفيروسية عن طريق مادة تفرزها الخلايا التي سبق تعرضها للفيروسات، ويبدو أن أحد سبل دفاع الخلايا عن نفسها يكون بأن تفرز مادة تعرقل أية إصابة جديدة، وقد أطلق على هذه المادة اسم إنترفيرون، وقد بنيت الآمال في أن يكون هذا الإنترفيرون هو العقار الفيروسي المكافئ للبنسلين (المضاد الحيوي), لما له من أثراً شديد الفعالية، وقد أثارت اهتماماً مباشراً كوسيلة محتملة لعلاج الأمراض الفيروسية، كالحصبة والأنفلونزا والجدري، لكن اصطدم الباحثين بمشكلة قد تكون صعبة الحل على المدى القريب وهى صعوبة استخلاص الإنترفيرون وعلى سبيل المثال استخدام أكثر من خمسين ألف لتر من الدم لينتج 0.1 جرام فقط من الإنترفيرون النقي مما يعني أن ثمنه سيكون فلكياً، (ولو أن هذا القدر البسيط يكفي لعلاج 200 مريض مصاب بأمراض فيروسية) .

 انتاج الأنسولين  Insulin :

في عام 1982 رخّصت الولايات المتحدة الأمريكية استخدام أول بروتين يتم إنتاجه بتكنولوجيا DNA معاد الاتحاد وهو هرمون الأنسولين البشري الذي يحتاجه يوميا ملايين البشر المصابين بمرض السكر وكان يتم استخلاص الأنسولين قبل ذلك من بنكرياس المواشي والخنازير وهذه العملية طويلة ومرتفعة التكلفة. ومنذ قامت شركة ايلي ليلي Eli Lilly بتسويق أول أنسولين بشري اصطناعي synthetic، يسمى الهيومولين Humulin، في عام 1982. منذ ذلك الوقت، تم تطوير منتجات أخرى من الأنسولين المهندس وراثيا.

مرض السكر من الأمراض التي تتزايد في بعض الأقطار بصفة خاصة وفي العالم أجمع بصفة عامة, (هذا المرض الذي ينشأ نتيجة خلل في عمل البنكرياس) مما ستجعل كمية الأنسولين المتاحة حاليا و الذي يتم استخلاصه حالياً من غدد البنكرياس من ذبائح الأبقار أقل من الكمية المطلوبة و غير كافية لسد حاجة السوق في المستقبل القريب. أضف إلى ذلك أن أنسولين الأبقار ليس مطابقاً من الناحية الكيماوية لأنسولين الإنسان، الشيء الذي يجعل نسبة ليست قليلة من مرضى السكر يفرزون أجساماً مضادة للأنسولين عند حقنه والذي قد يشكل خطرا كبيرا على حياة هؤلاء المرضى، أي أن أجسامهم تعامله على أنه بروتين غريب، بمعنى أن الأنسولين قد يهدم في أجسامهم قبل أن تستخدمه، لذا كان اهتمام الباحثين حاليا هو كيفية إنتاج الأنسولين المتوافق مع حالات المرضى المختلفة والذي ليس له أثار سلبية.

كيفية انتاج الأنسولين المعدل بالتقنية الحيوية:

يتم إنتاج الأنسولين باستخدام البكتريا أو الخميرة كالأتي: تُستخرج قطعة صغيرة من DNA الدائري تُسمى البلازميد  plasmidمن خلايا البكتيريا أو الخميرة. ثم يُقطع جزء صغير من البلازميد الدائري بواسطة إنزيمات قاطعة (مقص جزيئي (

بعد ذلك يتم إدخال جين الأنسولين البشري في الفجوة الموجودة في البلازميد مكان الجزء المقطوع سلفا، من ثم يُعتبر هذا البلازميد معدلًا وراثيًا. ويُدخل البلازميد المعدل وراثيًا إلى بكتيريا جديدة أو خلية خميرة جديدة، إذ تنقسم هذه الخلية بسرعة وتبدأ في صنع الأنسولين.

ولإنتاج كميات كبيرة من هذه الخلايا، تُزرع البكتيريا أو الخميرة المعدلة وراثيًا في أوعية تخمير كبيرة تحتوي على كل المغذيات التي تحتاجها، وكلما انقسمت الخلايا أكثر، أنتجت المزيد من الأنسولين.

وعند اكتمال التخمر، يُصفّى الخليط لتحرير الأنسولين ثم يُنقّى ويُعبَّأ في زجاجات وأقلام الأنسولين لتوزيعها على مرضى السكري 

هرمون النمو  Growth hormone :

اتضح أن المريض الواحد الذي يعاني من تأخر النمو بسبب نقص هرمون النمو يحتاج إلى سبعين غدة لتوفي احتياجاته من الهرمون في السنة. إن الطريقة البديلة هي أن تنقل الجينات التي تحدد الهرمون إلى بكتيريا مثل إ. كولاي E. Coli ، ثم يستخلص الهرمون من المزارع البكتيرية، وقد تم هذا بالفعل.

و كان لأثر نجاح التقنية الحيوية في استخلاص (Recombinant Growth Hormone، r-GH or r-STH) تجارياً دوراً فاعلاً في الاستفادة منه في عديد من التطبيقات الحيوية الصيدلانية في الإنسان والحيوان.

ومن أهم التطبيقات التي لاقت استحساناً وقبولا كبيرا في الأوساط العلمية هو استخدام هذا الهرمون المتحور جينياً (r-STH) في عمليات إنتاج الألبان من الأبقار وخاصة العالية الإدرار مما أعطى زيادة في إنتاج الحليب في الأبقار والذي يطلق عليه بهرمون النمو البقري (b-STH) ومن الآثار الإيجابية لهذا الهرمون إحداث زيادة في إنتاج الحليب تقدر بحوالي 2،5 – 5،5 لتر/اليوم وزيادة كفاءة التحويل الغذائي من 2،7 إلى 9،3% و فى البداية كانت هناك بعض الشكوك التي صاحبت استخدام هذا الهرمون من حيث أثره على صحة الحيوان والإنسان إلا ان معظم الدراسات أشارت إلى سلالة استخدام هرمون النمو في الحيوانات المدرّه للبن على صحة الإنسان وأنه لم تسجل أية مضاعفات أو آثار سلبية لهذا الاستخدام على الإنسان وتم اعتماد استخدامه من المنظمات العالية التي تهتم بالغذاء والصحة.

د/ محمد مبروك سلامة

***********************

***********************