مستقبل تكنولوجيا كريسبر في التكنولوجيا الأحيائية الزراعية

تكنولوجيا الأشعة السينية قد أعادت تشكيل المشهد الطبيعي للهندسة الوراثية، وزودت الباحثين بمحاكاة جزائية غير مسبوقة من أجل تحرير الحمض النووي،

دال - التقدم المحرز في تكنولوجيا مبادرة باريس

ومنذ أن كانت هذه الابتكارات بمثابة أداة تحرير الجينوم في عام 2012، شهدت عملية صقل سريعة، مما جعل النظام أكثر دقة وتنوعاً، وأسهل نشره في نظم النبات، وتبرز الأجزاء الفرعية التالية أهم المنجزات التقنية التي تشكل مستقبله في الزراعة.

القاعدة والتحرير

ومن أكثر التطورات تحولا تحرير القاعدة، الذي يسمح للعلماء بتحويل زوج قاعدة من الحمض النووي إلى آخر دون إحداث كسر مزدوج، وهذا الأسلوب يقلل من خطر الإدخال أو الخروج غير المقصود، ويفيد بشكل خاص تصحيح مسارات النوتاتر المميتة أو إدخال البوليمورفات ذات النواة الواحدة التي تعطي صفات مفيدة.

وهذه الأدوات توسع بشكل كبير في مجموعة أدوات نظام تقييم المخاطر المؤسسية، فعلى سبيل المثال، استخدم تحرير القاعدة لتطوير أنواع الأرز المتسامحة بمبيدات الأعشاب، في حين أن التحرير الأولي يوفر مساراً لتعديل المناطق التنظيمية للجينات التي تتحكم في الاستجابات للإجهاد.() ويواصل الباحثون في معهد برود صقل هذه النظم لتحسين كفاءتها عبر الأنواع النباتية.

تحسين أساليب التنفيذ

فالتوصيل التقليدي لمكونات CRISPR إلى خلايا نباتية يعتمد في كثير من الأحيان على [(FLT:0]) أو على مادة زراعية () أو على التحول الوسيط أو القصف الجسيمي، اللذين يمكن أن يكونا غير فعالين أو يسببان أضرارا في الأنسجة، كما أن أساليب التسليم الجديدة تتغلب على هذه القيود.

وثمة نهج واعد آخر ينطوي على استخدام جسيمات النانوبويدات الشحيحة أو البتيدات التي تستخدمها الخلايا لنقل النفاثات النباتية إلى خلايا النباتات، وتبرز دراسة منشورة في أن نظم التسليم غير المدمجة يمكن أن تولد نماذج رقابة تنظيمية أكثر صرامة على الوجه المتحول.

Multiplex Editing and Synthetic Biology Integration

ولا يمكن للباحثين أيضاً، باستخدام صفائح من نظم التشخيص الوطنية، أن يحرروا عدة أنواع من الجينات في نفس الوقت، وهي قدرة قوية بوجه خاص على معالجة السمات الهندسية المعقدة مثل التسامح في الغلة أو الإجهاد، ولا يمكن للباحثين أيضاً، باستخدام مجموعات من الأدلة في الامتحانات الوطنية، أن يحرروا عدة أماكن في حدث تحول واحد، وقد حقق العمل مؤخراً تزامناً بين التعددية في قابلية الإصابة بالأمراضرار في القمح، مما يخلق من مقاومة ذات منظور واسع النطاقات ذات الصلة بالإصابة بالإصابة بالمرض.

التطبيقات المحتملة في الزراعة

والاستخدامات العملية للبرنامج في مجال الزراعة متنوعة وتشمل حماية المحاصيل وتحسين التغذية والتكيف مع تغير المناخ، كما أن هذه المجالات هي المجالات الرئيسية التي يحدث فيها البرنامج أثراً كبيراً أو سيؤثر فيه.

تحسين المحاصيل لليلد والارتقاء

ويتيح هذا البرنامج للمربيات تعزيز الصفات التي كان من الصعب تحسينها من خلال التوالد التقليدي، فعلى سبيل المثال، يمكن أن يؤدي تحرير الجينات التي تتحكم في بنية النباتات إلى زيادة غلة الحبوب، وفي الأرز، يُعدّل جين IPA1 من خلال محطات إنتاج CRISPR التي تنتج عددا أقل من المحركات والأهلي الثقيلة، مما يعزز من العائد بنسبة تصل إلى 10 في المائة في التجارب الميدانية.

ويشكل الجفاف والإجهاد الملوحة قيوداً كبيرة على إنتاج المحاصيل العالمية، وقد استخدم البرنامج المركزي لبحوث المناخ لضرب المنظمين السلبيين للتسامح مع الإجهاد، مثل جينة OsRR22 في الطماطم، مما أدى إلى محطات تحافظ على غلات أعلى تحت ظروف الملح، وهذه التحسينات حيوية بالنسبة للمناطق التي تواجه ندرة المياه وتدهور التربة.

تعزيز الدعم البيولوجي والتغذية

(أ) يمكن أن تزيد دائرة حقوق الإنسان وحقوق الإنسان مستويات الفيتامينات والمعادن وغيرها من مركبات تعزيز الصحة في المحاصيل الأساسية. (الذهب الأرز، الذي طور باستخدام الهندسة الوراثية التقليدية لإنتاج الكاروتين، يقدم دليلاً على المفهوم؛ ويمكِّن البرنامج الوطني لبحوث المناخ الآن من زيادة الضوابط على المواد الكيميائية القابلة للاختيار.

وفي الصويا، زاد تركيز مادة الحامض الولي في إطار مبادرة CRISPR، مع خفض الدهون غير الصحية وتحسين نوعية النفط، وقد قام فريق في دائرة البحوث الزراعية التابعة لمؤسسة التنمية الزراعية ((FLT:1)) بتحرير العديد من مسارات الوقود الواعدة (]FAD2) لخلق خطوط طبخية مجهزة بالزيوت.

تخفيض المدخلات الكيميائية

Pesticides and fertilizers impose environmental and economic costs. CRISPR can create crops with built-in resistance to pests and diseases, reducing reliance on chemical sprays. For instance, editing the eIF4E] gene in cucumber resulted in broad resistance to potyviruses, a major group of plant viruses. In citrus, scientists used CFkerT

كما أن مقاومة الفطريات تمثل محوراً آخر، ففي القمح، يمكن تحرير ثلاثة من هذه المواد في نفس الوقت [(FLT:0]TaMLO) مما يُعطي مقاومة لجرعات صغيرة من الأرز، وهو مرض يمكن أن يقلل من العائدات بنسبة تصل إلى 30 في المائة، وبالمثل، يمكن تحرير من حيث مقاومة الأرز الجيني 92[FLT enhanced fun3].

Climate Change Adaptation

ونظراً لأن التحولات المناخية تؤدي إلى حدوث ظواهر جوية بالغة التواتر، فإن المحاصيل يجب أن تتكيف، إذ توفر هذه الظروف طريقة سريعة لإدخال سمات للتسامح في الحرارة، والتسامح في مجال المياه، والقدرة على التكيف مع الفيضانات، وقد قام الباحثون بتحرير الجيل الأول من الطبخ () ) في مجال تراكم السكر في مرحلة ما بين مراحل التراكم والتسامح بين الأنواع النخبأة باستخدام البرنامج القطري.

وثمة مجال آخر هو تعديل حساسية الفوتوبريوم، إذ يمكن للناسل، من خلال تحرير الجينات التي تتحكم في وقت الازهار، أن يطور أنواعاً مكيفة مع تغير طول النهار ومواسم النمو، وهذا أمر ذو قيمة خاصة لضمان إمكانية زراعة المحاصيل مثل الصويا والذرة في خطوط العرض الجديدة مع تحول المناطق التقليدية المتنامية.

التحديات والنظر في المسائل الأخلاقية

وعلى الرغم من إمكاناتها الهائلة، فإن تكنولوجيا البرنامج في مجال الزراعة تواجه عقبات تقنية وتنظيمية وأخلاقية، ومن الأهمية بمكان التصدي لهذه التحديات بالنسبة للنشر المسؤول والثقة العامة.

الآثار غير المستهدفة والسلامة الجينية

ورغم أن نظام " CRISPR " أكثر دقة من التقنيات السابقة، فإن الطبقات غير المستهدفة لا تزال مصدر قلق، خاصة عندما تتضمن الجينوم تسلسلات مماثلة للهدف المقصود، ويمكن لهذه التغييرات غير المقصودة أن تعطل الجينات الحيوية أو المناطق التنظيمية، مما يؤدي إلى ظهور نواة غير مقصودة، كما أن التقدم المحرز في تصميم البرمجيات، مثل استخدام أدوات التنبؤ بالارتفاع غير المنفذ، وتساعد على التخفيف من مخاطر الاختلال الشامل.

غير أن الآثار غير المستهدفة قد تكون أقل إشكالية في النباتات منها في الطب البشري، لأن النباتات لديها مستويات أعلى من الحواف والمسارات الزائدة عن الحاجة، ومع ذلك، فإن الوكالات التنظيمية تتطلب التحديد الدقيق لخصوصية التحرير قبل الإفراج عن الحقل، ويجب على المطورين تقديم أدلة على عدم إدخال تغييرات غير مقصودة.

تصريف الأراضي التنظيمية والتنسيق العالمي

وتختلف الحالة التنظيمية للمحاصيل التي حررها معهد الدراسات والبحوث الزراعية اختلافاً واسعاً بين الولايات القضائية، وقد قررت وزارة الزراعة في الولايات المتحدة أن بعض النباتات التي لا تحتوي على حمض نووي أجنبي لا تخضع للتنظيم بموجب قواعدها المتعلقة بالتكنولوجيا الحيوية، شريطة أن تكون قد أنتجت من خلال التوالد التقليدي، وعلى النقيض من ذلك، حكمت محكمة العدل الأوروبية في عام 2018 بأن الكائنات الحية التي يتم الحصول عليها بواسطة تقنيات تحرير الجينوم ينبغي أن تخضع لنفس العمليات التنظيمية.

وهذا التناقض يخلق حواجز أمام التجارة الدولية ويثبط الاستثمار في تنمية المحاصيل القائمة على أساس المبادرة، ولا سيما بالنسبة للمشاريع الصغيرة والمتوسطة، وتتواصل الجهود الرامية إلى تحقيق المواءمة التنظيمية من خلال منظمات مثل منظمة الغذاء والزراعة ، التي تدعو إلى الرقابة القائمة على العلم والمتناسبة، واعتمدت بلدان مثل اليابان والأرجنتين والبرازيل أنظمة تمكينية أكثر، تصنف العديد من المحاصيل غير المهيأة جينيا.

المناقشات الأخلاقية والتصور العام

وتشتمل الشواغل الأخلاقية حول برنامج الإصلاح الزراعي الشامل في مجال الزراعة على قضايا التنوع البيولوجي والإنصاف والتحكم، وتقلق المجموعة أن الشركات الكبيرة ستهيمن على التكنولوجيا، وتبرئة المبادلات الرئيسية، وتقييد وصول صغار المزارعين إلى المحاصيل المحررة، كما أن هناك قلقاً من أن الاعتماد الواسع النطاق للمحاصيل المحررة يمكن أن يقلل التنوع الجيني إذا أصبحت البستنة أكثر انتشاراً، بالإضافة إلى تعديل الأنواع البرية أو الأصلية، على سبيل المثال، التحكم في الآثار الضارة بالحراجية أو الهندسية في المنتجات الحرجية.

ويتأثر التصور العام بمزيج معقد من القيم والثقة والتفاهم، وتبين الدراسات الاستقصائية أن المستهلكين في أمريكا الشمالية وآسيا يقبلون عموما تحرير الجينات أكثر من قبولهم في أوروبا، وأن الاتصال عبر الحدود، ووضع علامات واضحة عند الاقتضاء، وعمليات الإدارة الشاملة للجميع يمكن أن يساعد على بناء الثقة، وأن إشراك المجتمعات المحلية الزراعية وجماعات السكان الأصليين في وقت مبكر من التنمية يكفل النظر في مختلف وجهات النظر.

الملكية الفكرية والوصول إليها

وتكتنف المشهد الخاص باختراعات برنامج البحوث الزراعية الشاملة ومعارضة، وتحتفظ المؤسسة العامة وجامعة كاليفورنيا ببراءات اختراع رئيسية في نظام كاس 9 الأساسي، مع شروط الترخيص التي تؤثر على الاستخدام التجاري، وبالنسبة للتطبيقات الزراعية، تعتبر تحليلات الحرية والتشغيل أساسية، غير أن نظما جديدة من نظم البحوث المتعلقة باليتامى مثل كاس12أ (Cpf1) و Cas13 آخذة في الظهور في إطار حافظات مختلفة من البراءات، مما قد يؤدي إلى إيجاد طرق بديلة للربح.

"الطريق الأمامي"

وسيشكل مسار البرنامج في مجال التكنولوجيا الحيوية الزراعية من خلال التقدم العلمي المستمر، والسياسات الداعمة، والجهود التعاونية في جميع القطاعات، والمجالات التالية حاسمة لتحقيق إمكانات التكنولوجيا.

التحسينات الدقيقة والخصوصية

وستركز البحوث المقبلة على تعزيز خصوبة الناموسيات من نوع CRISPR، كما أن المتغيرات العالية القيمة من نوع Cas9، مثل Cpf1, قد أظهرت بالفعل انخفاض الآثار غير المستهدفة مع الحفاظ على النشاط على أساس الهدف، كما أن المحررين الجدد الهندسيين الذين لديهم دقة محسنة، والاعتراف بعامل التبريد المتوازي، سيوسع نطاق الحد الأدنى من مواقع الارتداد، ولا سيما نظم التحرير التي تقطع الوعود.

نظم إيصال المواد غير النموذجية

وهناك محاصيل هامة كثيرة، مثل الكاسافا والموز واليام، تُسترجع إلى أساليب التحول الحالية، وقد تُفتح الابتكارات في مجال التكنولوجيا النانوية والناقطات الفيروسية إمكانيات جديدة، وقد يُظهر التصفير المولد للجيل المستخرج من الجينات، والتسليم المبني على المواد النانوية للناتجية، إمكانية تحويل مسارات الاختراق دون تحول مستقر، مما قد يُبسط المشهد التنظيمي.

إدماج برنامج " CRISPR " في الزراعة الرقمية والتنفس

وسيؤدي الجمع بين مبادرة " CRISPR " وبين عملية التنميط العالية المخرجات، والاختيار بين الجنسين، والتعلم الآلي إلى تسريع وتيرة تحسين المحاصيل، ويمكن للمنتمين استخدام " CRISPR " للتحقق من جينات المرشحين التي حددتها " GWAS " (دراسات الرابطة على نطاق العالم) ثم نشر جميع العوامل المفيدة في نهوج النخبة.

التعاون العالمي ودعم السياسات

ولضمان وصول فوائد البرنامج إلى أكثر من يحتاج إليها، فإن التعاون الدولي ضروري، إذ أن مبادرات مثل برنامج البحوث المتعلق بالبيانات الضخمة في الزراعة، واعتماد برامج بديلة عن التكنولوجيا في مجال الثروات في أفريقيا، واعتماد نماذج تقنية متغيرة في النسيج، هي مبادرات تؤدي إلى تحرير الجيل من أجل تحسين المحاصيل مثل البطاطا الحلوة، وبرمجيات الخلق، ونموذج الإبداع في مجال التكنولوجيا المميزة بين البلدان المانحة والصناعات.

ويمكن للتنسيق مع تعاونيات المزارعين ونظم البذور المحلية أن يساعد صغار المزارعين على الوصول إلى أنواع أفضل دون أن يُسجنوا في اتفاقات الملكية، كما أن أدوات نظام " كريسبس " وقواعد بيانات إرشادية متاحة بالفعل، مما يضفي الطابع الديمقراطي على إمكانية الحصول على التكنولوجيا، ولا يكمن مستقبل البرنامج في الزراعة في الانجازات العلمية فحسب، بل في بناء أطر حكم منصفة تعطي الأولوية للسيادة الغذائية والإدارة البيئية.

وفي الختام، تمثل تكنولوجيا " كريسبار " تحولاً في النموذج في قدرتنا على تكييف المحاصيل مع احتياجات عدد متزايد من السكان وكوكب متغير، فدقتها وقابليتها للتنوع وإمكانية الوصول إليها نسبياً مقارنة بأدوات الهندسة الوراثية السابقة تجعل من الضروري تحقيق مستقبل التكنولوجيا الحيوية الزراعية، وبوجود قيادة مسؤولة، واستمرار الابتكار، والحوار الشامل، يمكن أن يساعد برنامج البحوث الزراعية على إيجاد نظام غذائي عالمي أكثر مرونة ومغذية ومستدامة.