السلف في علم الأحياء الاصطناعية تعزيز خصوبة التربة والنبات النمو

ومن الأمثلة البارزة على ذلك هندسة البكتيريا الخالية من النيتروجين مثل Azotobacter vinelandii] إلى الأنزيمات النيتروجينية المفرطة، والحد من حساسيتها للأكسجين، التي عادة ما تعوق تركيب النيتروجين، ويمكن لهذه السترات الهندسية أن توفر جزءا كبيرا من النيتروجين الواعد.

أجهزة ميكروبيل مصفحة

وكثيراً ما يُحبس الفوسفور في أشكال عزل في التربة، مما يجعله غير متاح للنباتات، وقد قام علماء الأحياء الاصطناعية بتصميم البكتيريا والفطريات لإنتاج الأحماض العضوية والفوسفات التي تُصبّح معادن الفوسفات، وعلى سبيل المثال، تم تعديل السترات فوق نطاق المحصول الميكروفوري():

تدهور ملوثات التربة

وتشكل التربة الملوثة تهديدا خطيرا للخصوبة والسلامة الغذائية، وتوفر البيولوجيا الاصطناعية أدوات لكسر الملوثات أو إبطالها عن طريق الميكروبات المصممة على سبيل المثال، صُممت البكتيريا لتحلل الملوثات العضوية الثابتة مثل مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور، والهيدروكربونات العطرية المتعددة التقلبات، وبعض المنتجات غير المتجانسة.

كما أن التلوث بالمعادن الثقيلة يشكل تحدياً آخر، فقد خلق علماء الأحياء الاصطناعية سلالات بكتيرية تُحْلِّي المعادن الثقيلة مثل الكادميوم والرصاص والزرنيخ باستخدام البروتينات المُعدَّنة (مثلاً، الفلوتونات المعدنية) أو عن طريق تكوين مجمعات فيزولية، ويمكن استخدام هذه الميكروبات كمواد للتربة لخفض كمية المعادن السامة في المعادن السامة.

تحسين المغذيات التي تُستخدمها النباتات

وبالإضافة إلى تعديل الميكروبات، يجري استخدام البيولوجيا الاصطناعية لتحسين احتياز المغذيات مباشرة، ويشمل أحد النهجين جذور النباتات الهندسية في الحمضات العضوية السرية أو الأنزيمات التي تحشد المغذيات في الغلاف الأهزائي، وعلى سبيل المثال، تم استحداث الأرز المحوّل والقمح لإنتاج الفيزيائي، وهو إنزيم يُطلق مادة الفوسفور من الفوسفور العضوي، وهو نوع من الفوسفور العضوي المشترك.

وثمة استراتيجية أخرى تتمثل في إقامة رابطة بين النباتات والفطريات المغرية النفعية، ويمكن أن تعزز البيولوجيا الاصطناعية مسار الإشارة الاصطناعية، مما يتيح للمصانع أن تجند وتكافأ الفطريات العريقية التي تقدم الفوسفور وغيره من المغذيات في مقابل الكربوهيدرات، وقد استخدم الباحثون في مختبر ساينسبيري المحسنة في مجال الفيزياء.

التقدم المحرز في تعزيز نمو النباتات

وبالإضافة إلى تحسين خصوبة التربة، تعزز البيولوجيا التركيبية مباشرة نمو النباتات من خلال إنتاج هرمونات النمو، وتعزيز التسامح إزاء الإجهاد، وتحسين المحاصيل الوراثية.

إنتاج المصانع

وقد قام عالمو الأحياء الصناعية بتصميم البكتريا المرتبطة بالنباتات لإنتاج هذه الهرمونات بكميات خاضعة للرقابة، مما حفز النمو الجذري، وارتفاع مستوى إطلاق النار، وتطوير الفواكه، على سبيل المثال، [العمليات الفلاحية]

ويمكن أن تشجع الجيبلينات على الارتحال الجذعي والتبريد البذور. وقد تبين أن المشتغلين Azospirillum) قد قللت من تأثيرات المواد الكيميائية التي تزيد من خامات التخثر البيولوجي في غالب الإيقاع قد تؤدي إلى زيادة الكتلة الأحيائية النباتية بنسبة تصل إلى 30 في المائة في التجارب الخاضعة للرقابة.

مقاومة الضغط من خلال الهندسة البيولوجية

وتشكل الضغوط الحيوية مثل الجفاف والملوحة والحرارة والبرد عوامل رئيسية تحد من إنتاجية المحاصيل، وتوفر البيولوجيا التركيبية استراتيجيات متعددة لتعزيز التسامح إزاء الإجهاد في النباتات، إما عن طريق هندسة المصنع نفسه أو ما يرتبط به من مجاري.

هندسة ميكروبايوم ريزوسفير للتسامح مع الإجهاد

وكثيراً ما تُستخدم النباتات التي تنمو تحت الضغط مجهراً مفيداً محدداً، ويصمم علماء الأحياء الاصطناعية مجتمعات صغيرة صناعية يمكن تطبيقها على شكل طلاءات أو رنات تربة لزراعة النباتات للإجهاد، مثلاً، تقوم لجنة مصغرة تحتوي على مهندسة Pseudomonas putida بطبقات مثبتة

وبالمثل، وفيما يتعلق بإجهاد الملوحة، تم هندسة البكتيريا لإنتاج ديمينات النسيج في لجنة التنسيق الإدارية، التي تقل مستويات الإيثيلين في النباتات، حيث يعرقل ارتفاع الإيثان تحت ضغط الملح النمو الجذري؛ ويساعد الحد من تركيزه على الحفاظ على وظيفة الجذور وارتفاع المغذيات.

محطة هندسية للنشر

(أ) إن التحول الجيني المباشر للمحاصيل هو أيضاً مجال رئيسي، وقد أنشأ الباحثون، باستخدام البيولوجيا الاصطناعية، مروجين اصطناعيين يستجيبون لاشارات الإجهاد وينشطون جينات الحماية، فعلى سبيل المثال، استخدمت فصيلة مستجيبة للآداب في شكل إجهاد متزامن مع الإجهاد الناتج عن الصدمات الحرارية في الأرز دون أن تُفرض عليه عقوبة.

تحسين الوراثة في المحاصيل والتغذوية

كما تستخدم البيولوجيا الاصطناعية لإدخال مسارات إيضائية جديدة تماما في المحاصيل، مما يتيح لها إنتاج مركبات قيمة تتجاوز قدراتها الأصلية، ومن ذلك مثلا استحداث مسار الاصطناعي الأحيائي بيتا إلى الأرز لخلق الأرز الذهبي، وهو مثال مبكر على البيولوجيا الاصطناعية في الزراعة، ويشمل العمل الأحدث إضافة مسارات للمحاصيل الفيتامينية، أو الرغاوات، أو البيوت، أو الحامض.

وثمة حدود أخرى هي هندسة تركيب النيتروجين مباشرة في النباتات الحبوب، ففي حين أن العلماء لا يزالون في مرحلة مبكرة من البحث، نجحوا في نقل جينات النيتروجينات الوظيفية من البكتيريا إلى الي شرق، ويعملون الآن على التعبير عنها في النباتات الكلوروبلات، وإذا تحقق ذلك، فإن ذلك يمكن أن يقلل بشكل كبير من الحاجة إلى الأسمدة النيتروجينية الاصطناعية، التي هي بيولوجية ذات كثافة الطاقة والمدمر البيئي.

النهج الاصطناعية في مجال البيولوجيا: الأدوات والتقنيات

ويقود التقدم السريع في البيولوجيا الاصطناعية مجموعة من الأدوات المتقدمة، ويكتسي فهم هذه الأساليب أهمية حاسمة في تقدير كيفية تحقيق الابتكارات المذكورة أعلاه.

التلقيح النووي وجمعية

وتتيح تكنولوجيات تركيب الحمض النووي الحديثة للباحثين إصدار أوامر لقطع الحمض النووي العادم التي تصل إلى عدة كيلوباسات، مما يتيح بناء جينات اصطناعية وممرات إيضائية كاملة، وأساليب جمعيات مثل جمعية جيبسون، واستنساخ البوابة الذهبية، وإدماج CRISPR-Cas9 تيسر البناء السريع لدوائر جينية معقدة، وهذه الأدوات أساسية لبناء مضيق الخلايا الحيوية الاصطناعية ومعالجات النمو في وقت سابق.

جين إيدينغ) مع (CRISPR-Cas9)

وقد أتاح نظام CRISPR-Cas9 وما يتصل به من أدوات تحرير الجينات إمكانية الوصول إليها ودقيقة، وفي الميكروبات يمكن استخدام هذا البرنامج لحذف الجينات التي تقلل من الأداء (مثل الجينات التنظيمية التي تحد من تحديد النيتروجين) أو لإدراج وظائف جديدة، وفي النباتات، يستخدم البرنامج لتحسين التسامح إزاء الإجهاد، وكفاءة استخدام المغذيات، ومقاومة الأمراض.

Metabolic Engineering and Synthetic Pathways

(د) إن هندسة الـ (ميتابليك) تنطوي على إعادة توجيه الموارد الخلوية لإنتاج مجمع مرغوب فيه، وتضيف البيولوجيا التركيبية القدرة على تصميم وبناء مسارات جديدة تماماً لا توجد في طبيعتها، فعلى سبيل المثال، قام الباحثون ببناء مسارات لتحديد الكربون التركيبية تكون أكثر كفاءة من دورة كالفين الطبيعية، ويمكن في نهاية المطاف إدخالها في محاصيل لتعزيز الصور الاصطناعية.

التصميم والتعلم في مجال الآلات

إن تصميم النظم البيولوجية الاصطناعية معقد، والأدوات الحاسوبية لنموذج دوائر الجينات، والتنبؤ بنشاط الانزيمات، والتدفقات الأيضية المثلى، هي أدوات أساسية، ويجري الآن استخدام خوارزميات التعلم الآلات للتنبؤ بما ستسفر عنه التعديلات الجينية من سمات مرغوبة، مما يعجل بدورة التصميم، وهذا مفيد بصفة خاصة للتفاعلات الهندسية بين النباتات والملابس، حيث تتوقف النتائج على العديد من المتغيرات الإيكولوجية.

التحديات والاتجاهات المستقبلية

وفي حين أن إمكانات البيولوجيا الاصطناعية في مجال الزراعة هائلة، لا تزال هناك تحديات كبيرة، تشمل مجالات تقنية وتنظيمية واجتماعية.

السلامة البيئية والحوافظ

ويثير إطلاق الكائنات المصممة في البيئة شواغل بشأن نقل الجينات الأفقي، والتعطل الإيكولوجي، والعواقب غير المقصودة، ويضع علماء الأحياء الصناعية استراتيجيات للاحتواء البيولوجي مثل الاكستروفي (يتطلب مغذيا اصطناعيا)، ويقتلون المفاتيح التي تحفز في غياب إشارة محددة، والكائنات الهندسية التي لا يمكن أن تنجو خارج البيئة المستهدفة، غير أن ضمان إجراء عمليات احتواء قوية في الميدان.

الرقابات التنظيمية

وتختلف المشهد التنظيمي لمنتجات البيولوجيا التركيبية اختلافاً واسعاً بين البلدان، ففي الولايات المتحدة، يمكن تنظيم الميكروبات المصممة المستخدمة كمنتجات بيولوجية بموجب قانون مراقبة المواد السمية، وتحتاج إلى موافقة من وكالة حماية البيئة، وتخضع النباتات المعدلة جينياً للرقابة على نظام المعلومات المسبقة عن البضائع التابع للرابطة، بل إن الأنظمة في الاتحاد الأوروبي أشد صرامة، حيث تواجه شركات عديدة تابعة للآلية العالمية عمليات موافقة طويلة أو حظراً صريحاً.

التصور العام والقبول

فالتشكيل العام نحو الكائنات المحورة وراثياً يمتد ليشمل منتجات البيولوجيا التركيبية، وقد يكون المستهلكون يحرسون مجهري أو محاصيل " مصممة " تزرع بالتربة المهندسة، كما أن الاتصال والتثقيف والمشاركة مع أصحاب المصلحة أمر حاسم لبناء الثقة، وتعمل عدة منظمات غير ربحية ومجموعات صناعية على وضع معايير طوعية وممارسات توسّع في تعريف المستهلكين مع السماح بالابتكار.

Scalability and Cost

إن تطوير منتج بيولوجي اصطناعي في المختبر هو شيء واحد، إنتاجه على نطاق واسع وبكلفة يمكن للمزارعين تحملها هو الآخر، إذ يتطلب العديد من الميكروبات الهندسية عمليات تخمير وتركيب معقدة، فعلى سبيل المثال، يجب أن يتنافس إنتاج البكتيريا الاصطناعية مع الأسمدة الاصطناعية الرخيصة، كما أن التقدم في تكنولوجيا التخمير، واستخدام النفايات الزراعية كتغذية، وتحسينات أكثر ضرورة.

التكامل مع الممارسات الزراعية القائمة

ولكي يتم اعتماد حلول البيولوجيا التركيبية على نطاق واسع، يجب أن تكون متوافقة مع الممارسات الزراعية الحالية، بما في ذلك الحراثة والري وتناوب المحاصيل، ويجب أن تكون قوية أيضاً إزاء الظروف الميدانية المتغيرة، مثل تقلب درجة الحرارة والرطوبة والتربة.

الاتجاهات المستقبلية

ويعود العقد المقبل بالتطورات المثيرة في البيولوجيا التركيبية للزراعة، ومن المرجح أن تشكل عدة اتجاهات الميدان.

الزراعة الدقيقة والهندسة المصغرة

ومع تحسن تكنولوجيات استشعار التربة، سيتسنى نشر اتحادات مجهرية مصممة خصيصا خصيصاً خصيصاً خصيصاً لتلائم أوجه النقص في المغذيات أو ظروف الإجهاد في الحقل، ويمكن أن توفر البيولوجيا التركيبية لبنات البناء لمثل هذه الجراثيم المجهرية " الافتراضية " ، وعلى سبيل المثال، قد تكشف اختبار التربة عن وجود فوسفور منخفض ومرض عال؛ وعلى أساس ذلك، فإن الاتحاد التركيبي للفولي.

Synthetic Symbioses

إن إقامة علاقات جديدة تماما بين المحاصيل والميكروبات هو هدف طويل الأجل، فعلى سبيل المثال، يعمل الباحثون على إيجاد سبيخ للعقيدات الاصطناعية في الحبوب، استنادا إلى نموذج البقالة والثيوزيوبية، وقد أحرز تقدم في بناء هياكل شبيهة بالعقيدات في الأرز، ويجري استخدام البكولوجيا الاصطناعية لتصميم الجزيئات المُشيرة.

جين درايفز لضبط الآفات والحشيش

وقد اقتُرحت حملات جينية لمكافحة الأنواع الغازية والآفات الزراعية، ومع أن هذه الأدوات ذات البيولوجيا التركيبية مثيرة للجدل، فإنها قد تُوقف الآفات المقاومة للمبيدات الحشرية أو الأعشاب المقاومة للمبيدات، إلا أن الشواغل الإيكولوجية والتنظيمية تعني أن التطبيق الميداني الواسع النطاق يُحتمل أن يمتد لسنوات عديدة.

علم الأحياء الرقمية والتصميمات

وسيؤدي الجمع بين البيولوجيا الاصطناعية والاستخبارات الاصطناعية إلى التعجيل بتصميم مضائق ومسارات جديدة، ويمكن أن يتوقّع الفريق العامل أن يكون مزيجاً أمثل من الجينات لأداء وظيفة مرغوبة، مما يقلل الحاجة إلى المحاكمة والحرق، وسيكون ذلك ذا قيمة خاصة بالنسبة للخصائص الهندسية المعقدة مثل التسامح إزاء الجفاف، التي تنطوي على العديد من الجينات.

خاتمة

إن البيولوجيا التركيبية تتحول إلى المشهد الزراعي بتوفير أدوات مبتكرة لتعزيز خصوبة التربة وتعزيز نمو النباتات، ومن المصانع المصممة للاختلالات البيولوجية والميكروبات المسببة للتلوث إلى النباتات المسببة للتقلبات والمحاصيل المدعمة بالأحياء، فإن التطبيقات متنوعة وواعدة، في حين أن التحديات المتصلة بالسلامة والتنظيم والتكلفة والقبول العام ما زالت قائمة، فإن مواصلة صقل تكنولوجيات البيولوجيا الاصطناعية والجهود التعاونية بين العلماء،