رویداد۲۴ با توجه به اینکه موجودات زنده مختلف، صفات و خصوصیاتی دارند که به آن‌ها توانایی ویژه‌ای می‌دهد که بتوانند برخی شرایط نامساعد محیطی را بهتر تحمل و مدیریت کنند و یا در برابر بیماری‌های خاصی مقاومت داشته باشند، و عطف به اینکه این خصوصیات، از ژنهای این موجودات ناشی می‌شود، دانشمندان با بهره گیری از روشهای مهندسی ژنتیک گیاهی، استفاده هدفمند از این قابلیت‌ها برای بهبود صفات گیاهان زراعی را- به گونه ای که فاصله زمانی کوتاه‌تر از آنچه در روند اصلاح سنتی باید طی شود- پیگیری می کنند. گیاهانی که با انتقال ژن به روش مهندسی ژنتیک تولید می‌شوند تراریخته نام دارند.
از زمان تجاری‌سازی اولین محصول تراریخته در سال ۱۹۹۵ تا کنون اتفاق‌نظری پیرامون کشت و تجاری‌سازی این محصولات در جهان وجود ندارد.
چنانچه کشوری مثل امریکا بیش از ۷۰ میلیون هکتار از اراضی خود را تحت کشت این محصولات برده است ولی برخی کشورها نیز به دلیل مخاطرات احتمالی متصور بر کشت این محصولات از کشت و تجاری‌سازی این محصولات در کشورهای خود ممانعت کرده‌اند.
بااین‌وجود بنا به اظهارات برخی متخصصان، طی سالهای اخیر فناوری جدیدی در عرصه مهندسی ژنتیک ظهور کرده است که گویا برخی کشورهای مخالف توسعه محصولات تراریخته این فناوری را پذیرفته و بومی‌سازی کرده‌اند و مجوز کشت تجاری محصولات حاصل از این فناوری را صادر کرده‌اند.
در همین رابطه با مهندس مجتبی پویان مهر، دانش‌آموخته بیوتکنولوژی و کارشناس توسعه اقتصادی و برنامه‌ریزی گفتگویی انجام داده ایم که بخش اول آن از نظر گرامی تان می گذرد:
ابتدا در مورد انواع روشهای اصلاح ژنتیکی محصولات غذایی و سیر تطور این تکنیک‌ها تا به امروز توضیح مختصری بفرمایید.
پیشرفت فناوریهای مربوط به بهبود محصولات کشاورزی همیشه جزء دستور کار بشر بوده است و روشهای مختلفی در طول هزاران سال برای اصلاح گیاهان توسط انسان به کار برده شده است.
به‌طورکلی انسان برای رسیدن به این مرحله از گزینش در طبیعت، از مراحل: اصلاح سنتی، هیبریداسیون، جهش‌زایی، اصلاح به کمک مارکرها و تولید تراریخته‌ها عبور کرده تا به جدیدترین فناوری مهندسی ژنتیک عصر حاضر؛ یعنی ویرایش ژنوم دست یابد. در حال حاضر آخرین فناوری مولکولی برای اصلاح نباتات، روشهای ویرایش ژنتیکی و برای ویرایش ژنوم نیز تکنیک Crispr-Cas۹ است.
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. هماکنون 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 نقطهی 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، هماکنون 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.