مهندسی ژنتیک چیست؟

مهندسی ژنتیک، به عنوان بخشی ازدانش زیست فناوری با کمک مجموعه ای از روش ها سبب تغییر آرایش ژنتیکی ارگانیسم ها می‌شود.

مهندسی ژنتیک، به عنوان بخشی ازدانش زیست فناوری با کمک مجموعه ای از روش ها سبب تغییر آرایش ژنتیکی ارگانیسم ها می‌شود.

به عبارتی مهندسی ژنتیک به مجموعه روش‌هایی گفته می‌شود که به منظور جداسازی، خالص‌سازی، وارد کردن و بیان یک ژن (صفت) مفید در یک میزبان بکار می‌روند و نهایتاً منجر به بروز یک صفت مفید و یا تولید محصول مورد نظر در میزبان می‌شود.

اولین دستاوردهای مهندسی ژنتیک
فناوری DNA نوترکیب اولین بار در اوایل دهه ۱۹۷۰ توسعه یافت و اولین شرکت مهندسی ژنتیک، Genentech، در سال ۱۹۷۶ تاسیس شد. این شرکت ژن های انسولین انسانی را در باکتری های E. coli وارد کرد تا باکتری‌ها بتوانند انسولین انسانی تولید کنند. بعد از تأیید سازمان غذا و داروی آمریکا(FDA)، Genentech اولین داروی DNA نوترکیب، انسولین انسانی را در سال ۱۹۸۲ تولید کرد. اولین واکسن ژنتیکی برای انسان نیز در سال ۱۹۸۷ توسط FDA تأیید شد که برای هپاتیت B بود. از دهه ۱۹۸۰ میلادی، مهندسی ژنتیک برای تولید انواع مختلف محصولات از باتری لیتیوم یون سازگار با محیط زیست تا محصولات مقاوم در برابر عفونت و بیماری ها استفاده شد.

مهندسی ژنتیک چگونه عمل می‌کند؟
برای درک بهترعملکرد مهندسی ژنتیک بهتر است که با فرآیندهای خاصی در این زمینه آشنا بود. در اینجا با ذکر مثالی به توضیح نحوه عملکرد مهندسی ژنتیک می‌پردازیم. به عنوان مثال دانشمندان می‌دانند كه یک ژن در انسان مسئول تولید آنزیمی است كه باعث تجزیه شدن لبنیات می‌شود. از این رو با کمک مهندسی ژنتیک می‌توان نسخه هایی از این ژن را برای درمان افرادی که فاقد این آنزیم هستند و ازخوردن لبنیات بیمار می‌شوند استفاده کرد. محققان می‌توانند نسخه هایی از این ژن را جمع آوری كنند سپس این ژن را به باکتری ها منتقل کنند. باکتری ها نیز می‌توانند این آنزیم را بسازند زیرا اکنون DNA سلول های انسانی را در ژنوم خود دارند.

کاربرد های مهندسی ژنتیک
در مهندسی ژنتیک از طریق تکنیک های DNA نوترکیب، باکتری هایی ایجاد شده اند که قادر به سنتز انسولین انسانی، هورمون رشد انسانی، آلفا اینترفرون، واکسن هپاتیت B و سایر مواد مفید پزشکی هستند. گیاهان نیز از نظر ژنتیکی دستکاری می‌شوند تا بتوانند نیتروژن را اصلاح کنند، بیماری های ژنتیکی نیز با جایگزین کردن ژن های ناکارآمد با ژنهای معمولی قابل اصلاح هستند. با این وجود، نگرانی ویژه بر روی چنین دستاوردهایی وجود دارد بطور مثال مقاومت در برابر آنتی بیوتیک ها، تولید سموم یا تمایل به ایجاد بیماری، همچنین ویرایش ژن در انسان نگرانی های اخلاقی به ویژه در مورد استفاده بالقوه آن برای تغییر صفات ایجاد کرده است.
کاربردهای مهندسی ژنتیک تقریباً نامحدود به نظر می‌رسد. این علم کاربردهای زیادی در علوم پایه، تولیدات صنعتی، کشاورزی و علوم پزشکی دارد. در زمینه کشاورزی که بستر بسیاری از کاربردهای مهندسی ژنتیک است، تولید گیاهان مقاوم به آفات گیاهی و خشکی، محصول بیشتر و بحث‌های گسترده‌تری را در بخش گیاهان دارویی و داروسازی طبیعی می‌توان نام برد. در سال‌های اخیر نیز گسترش و توسعه تکنیک‌های سنتز دی‌ان‌ای نوترکیب انقلابی را در درمان بسیاری از بیماری‌های انسانی از جمله انواع سرطان ها و اغلب بیماری‌های خودایمنی نظیر دیابت و همچنین تشخیص، پیشگیری و درمان بسیاری از بیماری‌های مادرزادی فراهم آورده‌ است. اهمیت بعضی از اصول علمی، در زمان کشف آنها مشخص نمی‌شود، بلکه پس از مدت زمانی که می‌گذرد ارزش آنها معلوم می‌شود. یک مثال معروف از کاربردهای مهندسی ژنتیک را می‌توان در تولید سویه‌ای از باکتری به نام اشرشیا کلی نام برد، که قادر به سنتز انسولین انسانی است.

نگرانی های مطرح شده در مورد استفاده از مهندسی ژنتیک
کارهای مختلفی در زمینه مهندسی ژنتیک انجام شده است که بیشترین کاربرد آن‌ها در زمینه‌ی افزایش تولید مواد غذایی گیاهی و حیوانی، تشخیص بیماری، بهبود درمان پزشکی و تولید واکسن و… بوده است. روش های موجود در این تکنیک ها شامل پرورش انتخابی حیوانات و گیاهان، هیبریداسیون و اسید دئوکسی ریبونوکلئیک نوترکیب (rDNA) می باشد. با این حال، این کاربردها بدون خطر نیستند. واکنش های کلی نسبت به استفاده از rDNA در مهندسی ژنتیک تلفیقی از نظرات گوناگون است. تولید داروها از طریق ارگانیسم های تغییر ژنتیکی به طور کلی مورد استقبال قرار گرفته است. با این حال، منتقدان rDNA می‌ترسند که ارگانیسم های مورد استفاده در برخی آزمایشات rDNA ممکن است اشکال عفونی ایجاد کنند و حیات حیوانات را در خطر بیندازد. نگرانی دیگر در این زمینه مربوط به زنان باردار که از محصولات اصلاح شده ژنتیکی می‌خورند، که احتمال آسیب رساندن به رشد طبیعی جنین را به همراه دارد. علاوه بر این، از تأثیر این فرایندها بر محیط زیست نیز نمی‌تواند چشم پوشی کرد.
مهم ترین انواع مهندسی ژنتیک در انسان چیست
در حال حاضر مهمترین نوع مهندسی ژنتیک در انسان است که هر دوی آن‌ها در ژن درمانی برای اصلاح ژن های معیوب و جلوگیری از انتقال نقص های ارثی یا بیماری ها از یک نسل به نسل های بعدی مورد استفاده قرار می‌گیرند. هر دو مورد مهندسی ژنتیک این پتانسیل را دارند که در بیماری های دژنراتیو مانند پارکینسون، آلزایمر و هانتینگتون، درمان‌های موثری را انجام دهند.
پژوهشگران “دانشگاه استنفورد”، روش جدیدی برای مهندسی ژنتیک ابداع کرده‌اند که می‌تواند به گیاهان در جذب آهن کمک کند.
تخمین زده می‌شود که جمعیت جهان در سال ۲۰۵۰ به ۹.۷ میلیارد نفر برسد؛ در نتیجه یافتن راهی برای تولید مواد غذایی لازم، موضوع مهمی به شمار می‌رود. تقریباً یک سوم زمین‌های کشاورزی جهان، به کمبود آهن دچار هستند؛ به همین دلیل برای به دست آوردن محصولات مهمی مانند ذرت و سویا مناسب نیستند.

پژوهشگران “دانشگاه استنفورد” (Stanford University) در بررسی‌های خود، یک سازگاری ژنتیکی را کشف کردند که می‌تواند امکان رشد گیاهان بادوام را در این گونه زمین‌ها فراهم کند. آنها توانستند مکانیسم‌های ژنتیکی مؤثر در بقای گیاهان را در این پژوهش نشان دهند.
“الیزابت ستلی” (Elizabeth Sattely)، استادیار مهندسی شیمی دانشگاه استنفورد و سرپرست این پروژه باور دارد که این پژوهش می‌تواند در آینده، دانشمندان را در اتصال این مکانیسم به ژنوم محصولات یاری دهد و زمین‌های بیشتری را برای تولید مواد غذایی فراهم کند تا مهندسی ژنتیک گیاهان به شکل سازگار با طبیعت صورت گیرد.
وی در این باره گفت: شاید بتوانیم از این ویژگی‌های بقا استفاده کنیم و آنها را به جایی که مد نظر ماست، انتقال دهیم.
ستلی و گروهش، میکروبیوم‌های خاک را مورد بررسی قرار دادند. این میکروبیوم‌ها، جامعه‌ای از میکروب‌ها هستند که در اطراف ریشه گیاهان ساکن هستند و به آنها در پردازش مواد مغذی کمک می‌کنند. این کار میکروبیوم‌ها، با همان روشی صورت می‌گیرد که باکتری روده به هضم غذای انسان کمک می‌کند.

رشد فزآینده جمعیت جهان و افزایش تقاضا برای مواد غذایی و دارویی در دهه‌های اخیر موجب شد تا در زمینة علوم کشاورزی و دارویی شاهد یک گذر جدی و اجتناب‌ناپذیر از کشاورزی سنتی به کشاورزی پیشرفته و به‌کارگیری روش‌های نوین ژنتیک در تولید گیاهان زراعی و دارویی باشیم. به همین دلیل، کاربرد روش‌های مهندسی ژنتیک و ژنتیک مولکولی برای افزایش کمی و کیفی محصولات و برخی ترکیبات مفید در گیاهان از یک سو و کاهش هزینه‌ها و زمان تولید از سوی دیگر، استفاده از این روش‌ها را در شاخه‌های گوناگون کشاورزی بسیار ارزشمند کرده ‌است. به‌کارگیری روش‌ها و فنون مهندسی ژنتیک و ژنتیک مولکولی به طور جدی از سال ۱۹۸۳ آغاز و روندی به شدت رو به رشد را در قلمرو اصلاح گیاهان طی کرد. به‌ طوریکه در مدتی کمتر از هشت سال، سطح زیر کشت گیاهان اصلاح شده ژنتیکی (Transgenic)، وسعتی بالغ بر ۶۰ میلیون هکتار از اراضی کشاورزی جهان را به خود اختصاص داد. به این ترتیب، مهندسی ژنتیک و ژنتیک مولکولی به منظور تأمین امنیت غذایی و دارویی جمعیت رو به رشد جهان وارد عمل شده و مواد غذایی حاصل از اصلاح ژنتیکی (GMOs) به تدریج وارد بازار شد.
عوارض جانبی داروهای شیمیایی باعث شده که استفاده از ترکیبات دارویی مشتق شده از گیاهان دارویی که قدمت زیادی دارند با رشد قابل توجهی روبرو شود.

مهندسی ژنتیک و کاربرد آن در اصلاح گیاهان دارویی
امروزه، عوارض جانبی داروهای شیمیایی باعث شده که استفاده از ترکیبات دارویی مشتق شده از گیاهان دارویی که قدمت زیادی دارند با رشد قابل توجهی روبرو شود. طبق برآوردهای صورت گرفته در سال‌های اخیر، ارزش بازارهای جهانی داروهای گیاهی که شامل گیاهان دارویی و فرآورده‌های حاصل از آنها است، همواره با رشد قابل توجهی رو به افزایش بوده است. در قرن حاضر تحقیقات گسترده‌ای بر روی گیاهان دارویی انجام پذیرفته و داروهایی با ماده مؤثره طبیعی افق‌های جدیدی را برای جامعه پزشکان و داروسازان پژوهشگر گشوده است، به طوری که در حال حاضر حدود یک سوم داروهای مورد استفاده در جوامع انسانی را داروهایی با منشأ طبیعی و گیاهی تشکیل می‌دهند و صنایع داروسازی جهان تلاش می‌کنند که ساخت شیمیایی داروها را به تدریج منسوخ و به منابع گیاهی متکی گردند. بهبود صفات مورفولوژیکی و تولیدات بیولوژیکی و تغییر سطوح ذخیره‌ای (متابولیت‌های ثانویه) از عوامل فعال و مهم‌ترین هدف در هر برنامه اصلاحی در گیاهان دارویی هستند. بخش اعظم بازار گیاهان دارویی دنیا، به تولید و عرضه متابولیت‌های ثانویه مشتق شده از این گیاهان مربوط می‌شود. متابولیت‌های ثانویه در گیاهان، ترکیباتی هستند که توسط سلول‌های گیاه تولید می‌شوند و دارای کاربردهای مهمی در صنایع غذایی، آرایشی و بهداشتی و از جمله داروسازی می‌باشند. اسانس‌ها، مهمترین و پرکاربردترین متابولیت ثانویه در گیاهان دارویی هستند. افزایش تقاضا برای گیاهان دارویی، گیاهان بومی را در معرض خطر قرار داده است. اختلاف قیمت بین گیاهان وحشی و کشت شده می‌تواند به علت مناسب بودن گیاهان وحشی و در دسترس نبودن مواد گیاهی قابل کشت باشد که عملیات جمع‌آوری از عرصه طبیعی را در برخی از مناطق تشویق می‌کند. لذا بسیاری از این گیاهان عمدتاً به لحاظ استفاده اقتصادی و نبود منابعی برای حفاظت، در حال انقراض هستند. از دست رفتن محیط زیست به علت جنگل‌زدایی می‌تواند باعث در معرض خطر قرار دادن گیاهان دارویی و عطری در کشورهای درحال توسعه شود و برداشت از منابع وحشی که منبع یا مخزن اصلی مواد خام است، باعث از دست رفتن تنوع ژنتیکی و تخریب زیستگاه‌ها می‌شود. اهلی کردن این گیاهان روش و فرصت جایگزینی برای غلبه بر مشکلاتی که در تهیه داروهای گیاهی وجود دارد فراهم کرده است.

ارزش افزوده گیاهان دارویی اصلاح شده
متابولیت‌های ثانویه معمولاً از ارزش افزوده بسیار بالایی برخوردار هستند. به طوری که ارزش فروش برخی از این ترکیبات مانند شیکونین، دیجیتوکسین (Digitoxin) (موادی طبیعی و قدرتمند هستند در جهت طیف وسیعی از سرطان‌ها استفاده می‌شوند) و عطرهایی همچون روغن جاسمین (Jasmine) (اسانسی که از گل یاس استخراج می‌شود و کاربردهای مختلفی از جمله ضد افسردگی، ضدعفونی کننده، ضد اسپاسم، مقوی رحم، آرامبخش، مقوی اعصاب و.. دارد) از چند دلار تا چند هزار دلار به ازای هر کیلوگرم تغییر می‌کند. همچنین قیمت هر گرم از داروهای ضد سرطان‌های گیاهی که به چند هزار دلار می‌رسد مانند: وین‌بلاستین (Vinblastine) (استخراج شده از گیاه پروانش و مورد استفاده در داروهای سرطان بیضه، لنفاوی، ریه، مثانه و مغز) وین کریستین (Vincristine) (در داروهای درمان‌کننده بیماری نوربلاستوما و لوسمی در کودکان) آجمالیسین (Ajmalicine) (استخراج شده از گیاه کراتوم و راولفیا در داروهای درمان‌کننده فشار خون بالا) تاکسول (Taxol) (از پوست درخت سرخدار استخراج و آزمایش‌های متعددی برای بررسی اثر این دارو بر روی انواع سرطان‌ها مانند سرطان خون، غدد لنفاوی، ریه، روده بزرگ، سر و گردن و غیره در حال انجام است). طبق گزارش اعلام شده از سوی سازمان هلال احمر ایران، میزان ارز تخصیص یافته برای خرید هر گرم تاکسول تا ۵/۲ میلیون تومان می‌باشد. از آنجایی که رشد این درخت به کندی صورت می‌گیرد و منابع دسترسی به این گیاه محدود بوده و برای درمان یک بیمار سرطانی حدود ۲۸ کیلوگرم از پوست سرخدار مورد نیاز است لذا تولید این دارو به روش استخراج از پوست درخت مقرون به صرفه نیست، به همین دلیل در حال حاضر استفاده از روش‌های مفید مهندسی ژنتیک برای تولید انبوه این گونه مواد دارویی امری ضروری و اجتناب ناپذیر می‌باشد. براساس آمار موجود، بیشترین داروهای مصرفی کشور در سال ۱۳۸۰، با تعداد حدود ۶/۶ میلیارد عدد، مربوط به بیماری‌های اعصاب و روان است، که می‌توان بخش اعظم آن را با داروهای گیاهی جایگزین کرد.