شکل ۱. روند پیشرفت فناوری­های اصلاح گیاهان

یعنی فناوری تراریخته جزء نسل‌های اولیه اصلاح ژنی گیاهان است و اکنون دنیا از این تکنیک هم فراتر رفته است؟

بلی. درواقع گیاهان تراریخته جزء دستاوردهای نسل‌های ابتدایی فناوری مهندسی ژنتیک محسوب می­‌شوند، اما هم­‌اکنون با ورود نسل سوم فناوری مهندسی ژنتیک یعنی فناوری ویرایش ژنتیکی یا کریسپر به عرصه اصلاح ژنتیکی گیاهان، ادعا می‌شود گیاهان حاصل از این فناوری، برخی محدودیت­‌های تکنیک تراریخته را نخواهند داشت. در این شکل اگر ملاحظه بفرمایید سیر تطور روش‌های اصلاحی گیاهان از مرحله کلاسیک تا مرحله نوترکیبی و نهایتاً ویرایش ژنتیکی به‌طور خلاصه ذکرشده است:

شکل ۲.مقایسه انواع روش‌های اصلاحی، دست‌کاری ژنتیکی و ویرایش ژنومی

کمی در مورد فناوری کریسپر توضیح می‌دهید؟

کریسپر (CRISPR-Cas۹) اختصار یافته واژهClustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats  می‌باشد، که معنای لفظی آن «تناوب‌های کوتاهِ پالیندرومِ فاصله‌دارِ منظمِ خوشه‌ای» است. درواقع کمپلکس کریسپر بخشی ازDNA  باکتری بوده که حاوی تناوب‌های کوتاهِ توالی‌های بنیادین است و نوعی سیستم ایمنی تطابق‌پذیر در باکتری‌هاست که آن‌ها را قادر به شناسایی و سپس تجزیه DNA تزریقی از طریق ویروس‌ها (به‌عنوان یکDNA بیگانه) می‌کند. بخشی از سیستم کریسپر، پروتئینی به نامCas۹  است که قابلیت جستجو، برش زدن و سرانجام استحالهDNA ویروس را به روشی خاص دارد.

توانایی ویرایش دقیق و هدفمند هر نقطه از ژنوم موجودات برای سال­های طولانی آرزوی دانشمندان بوده است و امروزه دانشمندان بیش از گذشته به این هدف نزدیک شده­اند. هم اکنون با کشف سیستم کریسپر دانشمندان به‌طور دقیقی قادر به خاموش کردن (Knock-out) و واردکردن (Knock-in) هر ژنی در هر نقطه­ ای از ژنوم موجودات می­ باشند. اما واردکردن ژن عمده کاربرد این تکنیک نیست و کریسپر بیشتر به خاطر امکان ویرایش ژنوم موجودات زنده و جایگزینی مناسب برای روش­هایی مطرح است که امروزه به دلیل وارد کردن قطعات ژنی بیگانه در ژنوم جزء موارد بحث‌برانگیز شمرده می­ شوند.

کریسپر را اغلب به‌عنوان «قیچی مولکولی» برای دست‌کاری قطعات ژنی می­دانند. این ابزار امکان بریدن بخشی از DNA را فراهم می ­آورد. سپس یک یا دو اتفاق رخ می‌دهد: انتهاهای بریده‌شده دوباره به هم متصل می­ شوند و ژن کد کننده صفت نامطلوب یا نقطه­ ی ضعف حذف می‌شود، یا یک عملیات تعمیری برای ژن کد کننده صفت نامطلوبی که به ارث می­رسد اجرا می ­شود و ژن معیوب تبدیل به ژن سالم و دارای ویژگی مطلوب ما می ­شود.

انواع کاربردهای این فناوری چیست؟

در مورد کاربردهای این فناوری هم باید بگویم تکنیک کریسپر در شاخه­ های مختلف بیولوژی فراگیر شده است. به‌طور مثال این فناوری در اصلاح نقص‌های ژنتیکی وخیم ازجمله جهش‌هایی که موجب دیستروفی ماهیچه‌ای، فیبروز سیستیک (سفتی مخاط) و یک نوع هپاتیت در انسان می ­شوند، کاربرد دارد. به‌تازگی هم تلاش می ­شود با این تکنیک، ویروس ایدز(HIV)  موجود در سلول‌های انسانی را از بین ببرند و بسیاری از دانشمندان باور دارند که این فناوری احتمالاً به درمان ایدز کمک خواهد کرد. بیوتکنولوژیست­های گیاهی نیز، هم اکنون در تلاش هستند ژن‌هایی را که جذب­ کننده‌ آفات می­ باشند از ژنوم گیاه حذف کنند و یا گیاهانی با عملکرد بالا و مقاوم به خشکی و شوری تولید کنند.

پس به‌طورکلی با تکنیک کریسپر می­ توان نقاط ضعف ژنتیکی را دور انداخت یا عوامل قدرت را که در گونه ­های زنده وجود دارند به‌طور مجتمع در یک‌گونه توسعه داد (Waltz ۲۰۱۶). به‌طور مثال به‌واسطه این تکنیک می‌توان با شناسایی تمامی ژن‌های دخیل در صفت افزایش عملکرد گیاهان، آلل‌های دارای نقص در ارقام کم محصول را ویرایش ژنی (ترمیم) کرده و ارقامی پر محصول تولید کرد.

اقبال دانشمندان حوزه بیولوژی، پس از کشف سیستم کریسپر به سمت این فناوری چگونه بوده است؟

باید عرض کنم هیچ‌یک از دستاوردهای علمی قرن تا این حد در بین دانشمندان نویدبخش نبوده است و البته درعین‌حال مباحث اخلاقی دشواری در زمینه انواع کاربردهای آن در پی نداشته است. در حوزه غذا خانم «جنیفر دودنا»، (کاشف کریسپر و دانشمند حوزه زیست‌شناسی مولکولی)، کریسپر را انقلاب سبز دوم و راه جدیدی برای غلبه بر مشکلات غذایی عصر حاضر و آینده معرفی می‌کند. «گریگوری جافه» (مدیر پروژه بیوتکنولوژی مرکز علوم منافع  عمومی آمریکا CSPI) نیز طی گفتگوی که با سایتLabmanager  در مورد فراگیر شدن این فناوری در آینده داشت، اظهار می‌کند: «شاید غذایی که می‌خوریم دچار دست‌کاری نشود، اما فناوری کریسپر گیاهان زراعی و حیوانات را دست‌کاری خواهد کرد. ما فرمول بستنی را دست‌کاری نمی‌کنیم بلکه شکر مورداستفاده در بستنی دست‌کاری خواهد شد!».

بنابراین به نظر می­رسد فناوری ویرایش ژنتیکی و مخصوصاً کریسپر در بین دانشمندان حوزه بیولوژی و مهندسی ژنتیک بیشترین توجهات را به خود جلب کرده است. همان‌طور که در این نمودار ملاحظه می‌کنید، پس از سال ۲۰۱۲ بیشترین تحقیقات ویرایش ژنی در موضوع کریسپر بوده است و در سال ۲۰۱۵ تعداد ۱۲۴۷ گزارش علمی در این موضوع منتشر شده است. البته طی سال‌های اخیر این سرعت اقبال دانشمندان حوزه زیست‌شناسی و مهندسی ژنتیک به سمت کریسپر سرعت بیشتری به خود گرفته و طبق آخرین بررسی که انجام دادم تنها در فاصله زمانی یک‌ساله، تعداد پژوهش‌های منتشرشده در سایت NCBI در موضوع کریسپر برابر با ۲۱۷۳ عدد بوده است. یعنی تعداد مقالات منتشرشده در این موضوع در سال ۲۰۱۶ نسبت به سال ۲۰۱۵ تقریباً دو برابر شده است (Lluís Montoliu: Evolution of CRISPR publications in PubMed).

نمودار ۱. روند تغییر فراوانی انتشار مقالات در رابطه با انواع فناوری‌های ویرایش ژنومی

کریسپر از چه سالی در دنیا فراگیر شده و چه کشورهایی در این زمینه پیشرو هستند؟

کریسپر در سال ۲۰۱۴ توسط «کارپنتیر» و «جنیفر دودنا» (دانشگاه برکلی کالیفرنیا) کشف شد و در سال ۲۰۱۶  برای اولین بار از کریسپر برای ویرایش ژنوم در سطح وسیع استفاده شد. به‌طوری‌که «فانگ ژنگ» و همکارانش نتیجه این کار را تحت مقاله‌ای با عنوان High-throughput functional genomics using CRISPR-Cas۹  در سال ۲۰۱۵ به چاپ رساندند.

بیشترین فعالیت‌ها در زمینه ویرایش ژنتیکی گیاهی بر مبنای کشورها هم طبق بررسی‌هایی که بین سال‌های ۲۰۱۴ الی۲۰۱۷ انجام و نتایج آن در مجله Emerging Topics in Life Sciences منتشر شد، به ترتیب متعلق به کشورهای: چین، آمریکا، اروپا (متشکل از بریتانیا، سوئد، فرانسه، مجارستان، آلمان، اتریش و بلژیک) و سپس ژاپن و رژیم صهیونیستی می‌باشد (نمودار زیر).

نمودار ۲. کشورهایی که بیشترین مطالعات را پیرامون کریسپر داشته‌اند

مزیت­های تکنیک کریسپر نسبت به تراریخته چیست؟

رهیافت­ های سنتی مهندسی ژنتیک نظیر تراریخته­ مبتنی بر افزودن مواد ژنتیکی جدید می ­باشد که عموماً منشأ آن‌ها گونه ­های دیگری است که در حالت طبیعی توان تلاقی با گونه موردنظر ما را ندارند. تا همین اواخر، مهندسی ژنتیک وابسته به تکنیک­های تراریخته بود و دانشمندان با این ابزارها ژنوم موجود موردنظر را مهندسی می‌کردند. البته خود تکنیک تراریخته هم سیر تطوری دارد و به‌مرور زمان پیشرفت کرده و دارای نسل‌های مختلفی است. به‌طوری‌که اولین نسل محصولات تراریخته روی صفات مقاومت به آفات، مقاومت به ویروس و تحمل به علف‌کش‌ها توان مانور داشتند. دومین نسل فناوری تراریخته روی صفاتی نظیر ویتامین‌ها، کیفیت روغن‌ها و چربی‌ها و سایر مواد ریزمغذی و نیز تحمل به تنش‌های غیر زیستی تمرکز داشتند و بالاخره نسل سوم تراریخته که روی تولید داروهای نوترکیب در گیاهان متمرکز هست.

اما پس از تولید محصولات تراریخته، فرایندهای قانونی برای تجاری‌سازی آن‌ها در دنیا بسیار هزینه‌بر، زمان­بر و گاهاً طاقت‌فرسا هستند. به‌طور مثال برای محصولات نسل اول فناوری تراریخته در کشور امریکا ۷ تا ۱۳ سال زمان، همراه با ۵۰ تا ۱۰۰ میلیون دلار صرف هزینه نیاز است تا با اعمال آزمایش‌ها و طی مراحل مختلف، نهایتاً محصول آماده رهاسازی و بازار رسانی شود. اما تکنیک کریسپر (Crispr-Cas۹) کمی متفاوت است و طبق گزارشات USDA محصولات حاصل از ویرایش ژنتیکی در همین کشور طی نهایتاً دو ماه وارد بازار می‌شوند!

به‌طور خیلی خلاصه اگر بخواهم مزیت‌های روش کریسپر را نسبت به روش‌های پیشین مهندسی ژنتیک بشمارم؛ این مزیت‌ها عبارت‌اند از:

قابلیت مانور دادن روی صفات کمّی و پلی ژن (مثل مهندسی ژن‌های دخیل در عملکرد) که این عمل از عهده تکنیک تراریخته خارج است

عدم نیاز به درج مواد ژنتیکی خارجی در سلول موجود زنده و ایمنی بیشتر

تکنیکی نسبتاً کم‌هزینه و سریع­تر نسبت به روش­های پیشین

دارای دقت و درجه کنترل بیشتر بر نتایج حاصله در مقایسه با روش‌های پیشین

عدم نیاز به جفت شدن با آنزیم‌های برشی دیگر، برخلاف روش‌های مشابه پیشین (این ابزار می‌تواند به‌راحتی با توالی RNA طراحی‌شده (یا gRNA ) جفت شده و DNA  هدف را در سلول پیدا کند).

بیشترین مطالعات فناوری کریسپر در گیاهان روی چه صفاتی بوده است؟

همان‌طور که در این نمودار مشاهده می‌کنید بیشترین کاربرد کریسپر برای بهبود عملکرد محصولات کشاورزی، سپس بهبود ارزش غذایی و مقاومت گیاهان در برابر تنش‌های زیستی و غیر زیستی بوده است (Emergtoplifesci.org).

نمودار ۳. صفات موردمطالعه با تکنیک کریسپر در گیاهان (تعداد مقالات/صفات)

Source: emergtoplifesci.org

همان‌طور که پیش‌تر عرض کردم عمده مزیت این روش نسبت به روش‌­های مشابه پیشین علاوه بر دقت و سرعت بالا، قابلیت عمل روی صفات کمّی و پلی‌­ژنیک است. عمده محدودیت روش‌های پیشین نظیر تراریخته این بود که فقط توان مانور روی سینگل ژن­ها و صفات کیفی را داشتند و با این روش نمی‌شود بر روی صفاتی که توسط چندین لوکوس ژنی کنترل می‌شوند کار کرد. ولی در فناوری ویرایش ژنومی دانشمندان می ­توانند به‌طور مستقیم ژن­های دخیل در عملکرد سلول­ها را مورد مهندسی ژنی قرار داده و بدین ترتیب گیاهانی با عملکرد بالاتر را تولید کنند. هم­‌اکنون بیشترین مطالعات در این حوزه مربوط به صفت عملکرد در گیاهان بوده و بیشترین تحقیقات نیز در مورد گیاهان برنج و ذرت انجام‌شده و تحقیقاتی مشابه بر روی گیاه گندم نیز در حال شروع شدن است.

ادامه دارد 

در بخش دوم مصاحبه با مهندس پویان مهر که به‌زودی منتشر می­‌شود، درباره پیرامون سیاست­های اعمالی کشورهای اروپایی و امریکا در قبال تولید و تجارت محصولات غذایی حاصل از کریسپر و امکان جایگزینی فناوری کریسپر با تراریخته در کشور از وی سوال کرده ایم.

منابع ارجاعی:

Waltz E (2016) Gene-edited CRISPR mushroom escapes US regulation. Nature 532:293–293 . doi: 10.1038/nature.2016.19754www.emergtoplifesci.org/content/1/2/169

labmanager.com/insights/2017/05/putting-crispr-to-work-in-agriculture#.W78bOnyhWsw