كيفية عمل الجينات

والان يأتي السؤال الهام وهو كيف يمكن لعلماء البيولوجيا الجزئية من فهم كيفية عمل الجينات ؟

استخدم مهندسى الوراثة تقنية سميت استبدال الجينات المستهدفة Gene targeting وفية يتم استحداث لطفرة واستبدالها بجين سوى داخل إحدى الخلايا الجنينية الجذعية المصدر Embryo - derived stem cells من أجنة الفار ثم إدخالها فى خلايا جنين الفأر فتكون بذلك اجنة معطلة الجين المستهدف knocked out فأذا أدى ذلك الى إحداث تشوه فى مخ الفأر كان ذلك دليل على مسئولية هذا الجين عن تكوين المخ 
اصبح الاستهداف الجينى تقنية مثيرة وهامة عندما استخدم فى مشروع الجينوم البشرى لكشف أسرار الجينات المسئولة عن الأمراض الوراثية حيث ان دراسة تسلسل النيكلوتيدات للجين لا يفسر وظيفته فى حياة الكائن الحى .
تبدأ التقنية بعزل جين من خلايا Embryo - derived stem cells ( ES ) والمراد دراسة وظيفته ويحور ذلك الجين لانتاج جين طافر يتم استبداله بالجين السوى ويكون ذلك عن طريق إيلاج جين مقاوم للنيوميسين neomycin ( resistance ( neo r وذلك لتسهيل امر العثور عن الخلايا التى تم الايلاج فيها ويسمى هذا الجزء من الجين بالواسم الموجب , كما يضاف للجين جزء آخر من فير يسمى الجين جين الثياميدين كيناز tk ويعتبر واسم ثانى ويعرف بالواسم السلبى حيث ان هذا الجين يسبب حساسية للخلايا الحاوية علية ضد المضاد الحيوى الكانسيكلوفير بعد تصميم الجين الطافر هذا يتم تحميلة على ناقل مناسب مثل بلازميد القولون يتم إدخال الناقل الى خلايا جنين الفأر ES فيقوم الناقل 

· اما بنقل الجين الطافر بدلا من الجين السوى ( المستهدف ) على كر وموسوم من كروموسومات خلايا الفأر الجنينية وفى هذه الحالة سوف يتم استبدال الجين السوى بجين مشابه مع احتوائه على الجزء الخاص بجين neo r فى منتصفة دون الجزء الخاص بال tk وذلك لان انزيم القطع المحدد سوف يتعرف على الجين المستهدف فقط بمعنى معرفة تسلسل البداية والنهاية له

· او بنقل الجين المستهدف بطريقة عشوائية فسوف يتم نقل الجين الطافر كله اى بالواسمة الثانية والخاصة بال tk

· او لا يتم الإيلاج من أصلة فى الخلايا 

ولعزل الخلايا التى تحمل الطفرة المستهدفة يتم وضع الخلايا كلها فى وسط يحتوى على عقارين أحدهما مضاد المينوميسين المعروف G418 والثانى مضاد الكانسيكلوفير يقوم المضاد الأول بقتل الخلايا التى لا تحتوى على الجين الطافر فيقضى على الخلايا التى لم يحدث لهل انتقال للجين المستهدف اما العقار الثانى فهو مميت للخلايا التى انتقل اليها الجين الطافر عشوائيا الحاوي على الوسيمة الثانية الخاصة بالجين tk والمسببة للحساسية للمضاد الحيوى الثانى .

وعليه يتم الحصول على الخلايا المطلوبة والتى هندست وراثيا فاذا كانت مأخوذة من فأر بنى اللون , يتم إيلاج تلك الخلايا داخل خلايا جنينية وهى فى طور الكيسية الاريمية ( البلاستولة ) لأنثى فأر اسود اللون ثم ننقل الخلايا الجنينية الى رحم ام بديلة حيث تنمو وتكون النسل وتفحص الفئران للحصول على الفأر المحتوى على ظلال بنية ممزوجة باللون الأسود لتشير تلك الصفة على انة الفأر المطلوب والحاوى على خلايا ES المهندسة وتعرف تلك الفئران بالفئران الكيميرية Chimeras , بعد ذلك يتم تزاوج الذكور الكيميرية مع إناث سود ويختبر النسل Progeny بحثا عن الطفرة المستهدفة ويستبعد الفار الأسود والبنى ويستمر فى تزاوج الذكور والإناث الباقية لتلد فئران تحمل الطفرة بصورة نقية اى نسختين من الجين الطافر فتظهر عندئذ الشذوذ الجسدى او المرضى لنتعرف على وظيفة الجين المستهدف .

فوائد الهندسة الوراثية :

لقد اصبح للهندسة الوراثية اهداف عظيمة تحقق بعضها والعمل جارى على قدم وساق لتحقيق الباقى ولن تنتهي الطموحات التى فتحها هذا العلم لخدمة البشرية فى كافة المجالات والتى نجملها فى التالى 

أولا في مجال تطوير المحاصيل الزراعية
إنتاج نباتات مقاومة للأمراض الفيروسية : هي أهم الصفات الواعدة التى تقدمها الهندسة الوراثية لتحسين الإنتاج النباتي حيث لا يوجد وسيلة مباشرة لعلاج المحاصيل المصابة بالفيروسات سوى الوقاية من الإصابة بها عن طريق الممارسات الزراعية الجيدة مثل استخدام دورة زراعية مناسبة , التخلص من الحشائش وبقيا المحصول السابق التى تكون عائلا ثانيا للفيروس في فترة عدم وجود العائل الأساسي , استعمال مبيدات الحشرات القاتلة للحشرات الناقلة للفيروس .
وتعتمد فكرة هندسة النباتات المقاومة للأمراض الفيروسية على الدراسات السابقة في مجال الوقاية المضادة Cross protection والتي وجدت أن عدوى النباتات بفيروسات ضعيفة تحصن النباتات إذا ما أصابها بالسلالات الأكثر ضراوة وعندما تمكن بيتش وزملاءه سنة 1990 في جامعة واشنطن من نقل الجين المسئول عن إنتاج الغلاف البروتيني لفيروس الدخان الموازيكى ( TMV ) في نباتي الطباق والطماطم حيث عبر هذا الجين عن نفسه وانتج بروتين الغلاف الفيروسي وجد أن النباتات قاومت الإصابة الفيروسية بشدة وبذلك اثبت بتشى صحة نظريته الافتراضية القائلة أن بروتين غلاف ( TMV ) يضفي المقاومة على سلالات هذا الفيروس وغيرة من الفيروسات القريبة الصلة به , وبتلك التقنية أمكن هندسة اكثر من أثنى عشر نباتا مقاوم للفيروسات .

2- نباتات مقاومة للحشرات
اعتمدت فكرة مقاومة الحشرات خلال الثلاثون عاما الماضية على إنتاج بروتين تنتجه بكتريا Bacillus thuringiensis لتقوم تلك البروتينيات على قتل الحشرات . استخدمت تلك المستخلصات البروتينية Bt على نطاق واسع في مقاومة الحشرات حرشفية الأجنحة ( الفراشات وأبى دقيق ) والتي تعتبر آفات رئيسية حيث تقوم تلك البروتينات بالارتباط بأغشية أمعاء الحشرات المستهدفة بأن يتم انتقال الأيونات من البروتينات Bt إلى الخلايا الطلائية بالأمعاء فتتعطل قدرة الحشرات على التغذية فتموت . تلك المبيدات الحشرية ليس لها تأثير سام على الثدييات بل ولا على الأنواع الحشرية الأخرى وفاعليتها لا تدوم إلا وقتا قصيرا وبالتالي فهي آمنة بيئيا .
ولقد تمكن المهندسون الوراثيون فى كل من شركة كنت البلجيكية وشركة اجروجين تكس ويسكونسين واكراسيتوس ومنسانتو من عزل جينات تخص بروتينات المبيدات الحشرية واستخدموا Gene gun او بكتريا A. tumefaciens فى ايلاج الجينات فى كل من الطماطم والبطاطس والقطن .
ولقد ثبت ان وجود جينات Bt داخل نبات القطن قد جعلها مقاومة لكل الآفات اليرقية الرئيسية بما فيها دودة اللوز وعلية يمكن ان يؤدى استخدام تلك النباتات المهندسة الى خفض كميات المبيدات الحشرية بنسبة 40-60 % 
ولقد تم البحث عن جينات Bt اخرى لتؤثر على حشرات غير يرقية وقد امكن تصميم جين فعال ضد خنفساء كلورادو التى تصيب البطاطس . كما امكن تصميم جين Bt اخر فى شركة ميكوجين بسان دييجو بكاليفورنيا لمقاومة النيماتودا , كما صمم جين فعال ضد البعوض الناقل للملاريا .
وقد اكدت الاختبارات ان بروتينات Bt انها آمنة بيئيا فضلا على ان نسبة وجودها فى النباتات المهندسة وراثيا لا تتعدى 0.1 % من البروتين الكلى فى النبات المحور وهذا البروتين يتحلل تماما كأى بروتين فى القناة الهضمية .

3-نباتات مقاومة لمبيدات الحشائش 
نظرا لمنافسة الحشائش للنباتات الاقتصادية فى كل من الماء والغذاء وضوء الشمس فأن المحصول عادة ما يقل بنسبة 70 % كما انها تشكل مأوى للامراض والآفات , كما ان تواجد بذورها مع غلا المحاصيل الاقتصادية يقلل من قيمتها النوعية ويزيد من تكاليف التنظيف والتنقية لذلك فالممارسات الزراعية تضطر ان يكون من ضمن برامجها استخدام مبيدات الحشائش.

تعتمد فكرة هندسة نباتات مقاومة لمبيد الحشائش كما قامت بها شركة مونسانتو وشركة كالجين بديفز بكاليفورنيا بتمكين النباتات من تحمل مادة Glyphosate وهى المادة الفعالة فى مبيد الحشائش المسمى بالراوند اب الواسع الانتشار فى مقاومة الحشائش عريضة الاوراق وهو من المبيدات الآمنة بيئيا حيث لا يؤثر على الحيوانات التى لا تمتلك مسالك للاحماض الامينية العطرية ثم انة يتحلل بسرعة فى البيئة الى مركبات طبيعية غير ضارة , وتقوم المادة الفعالة فى هذا المبيد بتثبيط فعل انزيم EPSP وهو انزيم ضرورى لانتاج الاحماض الأمينى العطرية التى تحتاجها النباتات فى النمو . ولقد قام كل من Comai , Stocker بشركة كالجين و Rogers , Chesor بشركة مونسانتو بعزل جينات تخليق انزيم EPSP من البكتريا والنبات ثم اولجت تلك الجينات فى الطماطم وفول الصويا والقطن وغيرها من المحاصيل لتتمكن تلك النباتات من تحمل الراونداب .

بنفس الاسلوب تم فى شركة دوبون انتاج نباتات تتحمل انواع من المبيدات سلفونيل يوريا Sulfonylurea . اما شركة نظم وراثة النبات الالمانية فقد انتهجت نهجا اخر بأن عزلت جين من ميكروب Streptomyces hygroscopicus له القدرة على تثبيط المادة الفعالة فى مبيد الحشائش المسمى Basta الواسع الانتشار والذى يؤثر على الحشائش من خلال تأثيره على مسار انتاج انزيم الجلوتاميك الهام Pathway of glutamine synthase فيؤثر فى نموها ويؤدى الى موتها . 

4-ثمار اجود وتقاوم التلف
طور الباحثين طريقتين لاطالة عمر الثمرة 
الاولى: هى ايلاج جينات تسمى مضادات الاحساس Antisense لجينات النضج والمسئولة عن انتاج الاثيلين والأنزيمات الاخرى بأن تنتج بروتينات تقوم بالارتباط مع RNA الخاص بالنضج فيمنعه من نسخ البروتينات الخاصة بالنضج فتؤخر النضج وتقاوم الرخاوة .
ثانيا: اما الاتجاه الاخر هو ايلاج جين يقوم بتصنيع انزيم يقوم بتحليل مركبات الطليعة Precursor التى تكون الاثيلين وبذلك يتأخر التلف .
امكن لشركه كالجين من ايلاج جين عرف High pigment gene وهو المسئول عن انتاج الصبغات الملونة فى الطماطم مثل الانثوسيانين بكمية كبيرة ليرفع تركيز الصبغة فى ثمار الطماطم لكى تتمكن ربة المنزل من استخدام عدد اقل من الثمار .

5-نباتات ذات خصائص غذائية فائقة
امكن تكوين نباتات تستطيع تثبيت الازوت الجوى بنقل الجين المسمى nife والموجود فى بكتريا Azetobacot التى تتطفل عل جذور النباتات البقولية وقد امكن سابقا نقلها الى Proteus vulgaris , Agrobacterium tumefaciens , Esherichia coli 
وهناك محاولات فى الفلبين واليابان من نقل الجين المسبب لخصوبة المخصب البيولوجى المسمى سرخس الماء Azolla pinnata الى نبات الارز .
ونظرا لافتقار البروتين النباتى لبعض الاحماض الامينية الهامة مثل الليسين والتربتوفان كما فى الحبوب والذى يعد السبب الرئيسى لسوء التغذية فى بلاد العالم الثالث لذلك سعى مهندسو الوراثة الى انتاج نباتات تتوفر بها تلك الاحماض الامينية الهام والتى يعجز الانسان والحيوانات وحيدة المعدة مثل صغار الحيوانات المجترة والدواجن من تخليقها فى اجسامها لذا يتعين علية توافرها فى غذائها . ولقد تم عزل الجينات المسئولة عن انتاج مثل تلك الاحماض وايلاجها فى بعض النباتات لكن لم يتم نقاها الى الحبوب الى الان .

6-إنتاج نباتات رباعية الكربون مهندسه وراثيا
لزيادة كفاءة التمثيل الغذائي بها بنقل الجين المسئول عن إنتاج انزيم PEPC ase والذى يؤدى الى زيادة كفاءة تمثيل ثانى اكسيد الكربون بالتالي زيادة المحصول .

7- تحسين مواصفات التيلة للقطن والألياف الطبيعية


ثانيا فى مجال الانتاج الحيوانى :
1. انتاج حيوانات معدلة وراثيا ذات قدرة على مقاومة الأمراض خاصة الفيروسية مثل الأرانب والأسماك والأبقار والخنازير 
2. المعاجلة الجينية للحيوانات لزيادة سرعة نموها بتزويدها بالجين الخاص بهرمون النمو السريع وقد تم بالفعل إنتاج عدد من الخنازير الامريكيه والأسترالية وحيوانات المزرعة بهدف سرعة نموها ولزيادة قدرتها على إنتاج اللحم وتحسين خواصة وزيادة القدرة على ادرار اللبن . 
3. إنتاج أغنام ذات صوف عالي الجودة 
4. تقسيم جنين الماشية والحصول على توائم ثنائية وثلاثية ورباعيه لزيادة النتاج الثروة الحيوانية

ثالثا فى مجال التصنيع الزراعى :
1. إنتاج الأنزيمات المستخدمة فى صناعه الألبان
2. إنتاج المبيدات الحيوية لمقاومة الكثير من الحشرات 
3. إنتاج الهرمونات والأنزيمات لتحويل النشا الى سكر وانتاج عصير ذرة سكرى
4. إنتاج الصبغات الطبيعية ومكسبات النكهة والطعم والرائحة 
5. إنتاج لقاحات ضد الأمراض الدواجن مثل النيوكاسل والحمى القلاعية فى الحيوان 
6. استخدام الحيوانات والنباتات والبكتريا كمصانع حيوية لتصنيع الدواء والبروتينيات والهرمونات والأنزيمات
7. الاستفادة من مخلفات المزرعة وتحويلها الي سماد عضوي ومخلفات الغابات من قلف ونشارة خشب وكذلك نفايات مصانع السكر وتحويلها باستخدام بكتريا معدلة وراثيا الى بروتين يمكن تصنيعه فى صناعات اللحوم كذلك إنتاج الغاز الحيوى من مخلفات المزرعة أيضا الاستفادة من بروتين شرس اللبن 
8. استنباط الطاقة من النفايات ببكتريا تحول السيلولوز الى مواد عضوية نيتروجينية وأخرى تحول الأحماض العضوية الى ميثان كذلك استخدام بكتريا مثل Zymononas mobilis التى تحول النشا الى ايثانول

رابعا فى مجال العلاج الطبى : 
1. إنتاج لقاحات ضد الأمراض فى الانسان مثل والملاريا فى الإنسان
2. توصل العلماء الي تكوين بكتريا تحتوى على جينات الانترفيرونات البشرية Inter Ferones وهى عبارة عن بروتينيات تعمل على وقف تضاعف الفيروسات مثل الفيروسات المسببة لللانفلونزا وشلل الأطفال وهى تنتج داخل جسم الإنسان وتنطلق لمهاجمه الفيرس وهى قد تكون مفيدة فى علاج الإيدز والسرطان 
3. العلاج الجينى : لعل الحلم الذي أصبح حقيقة فى سبتمبر عام 1990 عندما أجريت أول تجربة للعلاج الجيني علي الطفلة ( أشانتي ديسيلفيا ) و التي قام بها فريق من العلماء الأمريكيين بقيادة (فرنش أندرسون ) هو الذي فتح آفاق هذا المجال الجديد في الطب و الذي يفتح الأمل أمام المرضي بالعديد من الأمراض الوراثية التي ليس لها علاج . و قد كانت هذة الطفلة تعاني من نقص موروث في انزيم ADA و هو أحد الأنزيمات المهمة لعمل الجهاز المناعي و الذي يؤدي غيابة الي فقد قدرة الجهاز المناعي عن العمل فيصبح الطفل بدون جهاز مناعة و يموت قبل أن يبلغ الخامسة من عمرة تماما مثل مريض الأيدز و لكن بدون عدوي بالفيروس . و يحدث هذا العلاج الجيني من خلال اصلاح الجين المعيوب من خلال علم الهندسة الوراثية و اعادة حقنة مرة أخري في خلايا نخاع العظام الأم STEM CELLS بعد أن يحمل علي الحامض النووي لنوع من الفيروسات الغير ضارة و بذلك ينتج الجهاز المناعي هذا الأنزيم و يعود الي العمل مرة أخري . و حتي عام 1995 كان هناك أكثر من مائة عملية في خلال الخمس سنوات الماضية لعلاج بعض الأمراض الموروثة عن طريق هذا العلاج الجينى و هناك أكثر من 4000 حالة مرضية يمكن أن يستفيد أصحابها من هذا النوع من العلاج و ربما كان أهم هذة الأمراض السرطان و خاصة سرطان الجلد و المثانة و الكبد و الثدي و اللوكيميا و بعض الأمراض الخاصة لأمراض المناعة مثل مرض نقص المناعة الموروثة و الأيدز و تصلب الشرايين و الهيموفيليا و الروماتويد و يعتقد العلماء أنة بحلول عام 2015 سيصبح علماء الوراثه قادرين على رسم خريطة كروموسوميه لكل انسان عندما يبلع الثامنه عشر يحتوى على كل مايمكن ان يحدث لة من امراض وقد يساعدة ذلك على اختيار زوجته من الناحيه الوراثيه لكى ينجب اطفال اصحاء كما يمكن للاطباء التدخل بالعلاج الجينى لعلاج الجينات المعيبة عند حدوث اىخصابوتكوين البويضه المخصبه كما امكن زرع خلايا لانجهانز من البنكرياس والتى تفرز الانسيولين فى الوريد البابى بالكبد ونجحت العمليه ويعيش صاحبها حية طبيعية بعد ان تجنب الا صابة بأمراض الفشل الكلوى وقصور الشرايين والتهاب الاع صاب وضعف النظر وغيرها .
4. تشخيص الخلل الوراثي
5. هناك علم جديد يسمى علم هندسة الأنسجة تعتمد فكرته فى زراعة خلايا معينه مثل خلايا الكبد فى نوع خاص من رقائق البلاستك آو البوليمرات الذي يعتبر وسط مناسب مع توفير المناخ والغذاء المناسب فتنمو الخلايا حتى تملا الفراغ البلاستيكي فيتم زراعته دون آن يرفضه الجسم 
6. اجرى العالم الدكتور جفرى فريدمان دراسات على جين يساعد الخلايا علي إنتاج هرمون اللبتين الذي يزداد أنتاجة بزيادة السمنة و يعتقد العلماء أن هذا الهرمون يسير في الدم الي مركز تنظيم الشهية في المخ فإذا زادت نسبة السمنة بالجسم أصدر المخ إشارة الي الجسم للتوقف عن الأكل والامل استخدامة فى علاج السمنة فى القريب العاجل .
7. كذلك تحضير فكسينات للقضاء نهائيا على الحساسية باستخدام الهندسة الوراثية

خامسا مقاومة التلوث البيئي :
1. إنتاج بكتيريا محللة لفضلات مياه المجارى 
2. إنتاج البكتيريا لبروتينيات تغلف المواد الضارة بالبيئة مثل مركب ددت
3. إنتاج بكتريا تقاوم التلوث البحري بالبترول باستخدام بكتريا تفتت وتلتهم جزيئات البترول 
4. إنتاج بولميرات تسمى Biopal تنتجها بكتريا يوتر وفاس الي E. coil ثم الي النبات هذا البلاستك الحيوى يشبة البلاستك ويسهل تحلله بكتيريا وعليه فهو بديل آمن بيئيا اكتشفه الكيميائي دوجلاس دينيس حيث وجد ان بكتيريا يوتر وفاس لها القدرة على انتاج مادة(PHB ) البلاستيكية ثم جاء دكتور كريس سومر ( عالم نبات جامعة ميتشجان) فقام بنقل جينات PHB ببكتيريا يوتر وفاس الي الشريط الوراثي لبعض نباتات العائلة الخردلية وهذا يمثل خطوة هامة في صناعة البوليمرات حيث امكن لتلك النباتات إنتاج مادة PHB لبلاستيكية 
5. استخدام البكتريا المحللة لمياه المجارى العادة استخدامها فى زراعة الأشجار الخشبية.