1. التقنيات الحيوية: انجازات علمية لتحسين حياة البشرية
د· أمجد خليل
رئيس مجموعة التقنيات الحيوية البحثية – قسم الفيزياء
جامعة الملك فهد للبترول والمعادن
الظهران
المملكة العربية السعودية

2. مقدمة
كانت الفترةُ الزمنية ما بين اكتشاف قوانين الوراثة المندلية وأعوام الخمسينيّات فترةَ مخاض وتكوين لإرساء دعائم علم الوراثة التقليدي· إلا أن اتساع المعرفة وتطور طرق البحث العلمي وابتكار الأدوات والأجهزة المتطورة أدى إلى إحداث ثورة حقيقية في مجال علم الوراثة؛ فشهد هذا العلم اتساعاً كبيراً ليصل في أواخر القرن العشرين إلى هندسة الجينات (الهندسة الوراثية) والوراثة الجزيئية وتطبيقاتهما·
تعتمد هندسة الجينات على التحكم بالجينات بطريقة تسمح بظهور صفات جديدة مفضلة في كائن لم يكن يمتلكها؛ أو أنها تزيــــــــــل صفـــــــات غير مرغوبة كانت موجــــــــودة لدى الكائـــــن؛ أو تسمـــــح بالاستفادة منها في إنتاج مواد أو توفير خدمات محدّدة.

3. التقنيات الحيوية (بروتوكول قرطاجنة)
التقنيات التي تستخدم الكائنات الحية أو مستخرجاتها في تطوير أو تحسين إنتاج الأدوية والأغذية والمحاصيل الزراعية ومستلزمات الرعاية الصحية ومعالجة كثير من المشاكل البيئية والزراعية.
الكائن الحي: أي كائن بيولوجي (حي) قادر على نقل أو مضاعفة المادة الوراثية (الجينية).

4. المادة الوراثية (DNA)
يمكن تعريفها على أنها التركيبة الكاملة للتعليمات الخاصة بتكوين الكائن الحي، وتحتوي على البصمات التي تحدد كل مكونات وأنشطة الخلية طوال حياة الكائن الحي، وهذه العوامل الوراثية موجودة على أشرطة من الحمض (DNA) حلزونية الشكل بالإضافة إلى جزئيات البروتين، وهما معا يكونان وحدات تسمى الكروموسومات، وعلى هذه الكروموسومات توجد المورثات أو الجينات (Genes) وهي التي تحدد كل صفات الكائن الحي.
الاحماض النووية((DNA----- الجينات-----الكروموسومات.
كل كروموسوم يحتوي على عدد كبير جدا من الجينات.

5. الجينات وتحديد الصفات الوراثية
الجينات---البروتينات----الصفة الوراثية
DNA RNA PROTEIN

6. عملية تصنيع البروتين

7. متى وكيف بدأت ثورة التقنيات الحيوية؟
بدأت ثورة التقنيات الحيوية وهندسة الجينات عام 1953 وهو العام الذي إكتشف فيه تركيب المادة الوراثية (DNA)

8. تركيب جزيء ال DNA

9. عناصر اساسية تقوم عليها التقنيات الحيوية
1- أنزيمات هندسة الجينات
تعتمد هندسة الجينات في كثير من طرقها على الإنزيمات، التي تقسم وَفْقاً لوظائفها إلى أربع مجموعات هي:
ا ــ الإنزيمات القاطعة أو المقيدة·
ب ــ إنزيمات بلمرة الحامض النووي·
ج ــ إنزيمات اللحام·
د ــ إنزيمات إضافة المجموعات الكيميائية أو حذفها·

10. 2- نواقل الهندسة الوراثية :
الناقل هو حمض نووي منقوص الأكسجين صغير دائري أو مستقيم· وللنواقل قابلية على التضاعف بشكل مستقل عن المضيف· وهناك انواع كثيرة من النواقل اهمها:
ا- البلازميــــــــــــــدات
ب- والعاثيـــــات
والبلازميدات أهم هذه النواقل· تمتلك هذه الجينات مقاومة للمضادات الحيوية تساعد على تمييز الخلايا البكتيرية المحتوية عليها ، إضافة إلى أن معظم البلازميدات المعروفة لها خرائط جينات ؛ ومن ثَمّ فإن من السهولة توقع مكان قطع الحمض النووي واختباره باستخدام إنزيم قاطع معين لتلك المنطقة المراد إضافة قطع حمض نووي جديدة إليها·

11. مثال على البلازميداتPlasmids

12. الية تطبيق هندسة الجينات

13. الية تطبيق هندسة الجينات
Allow the cell to grow and then extract the desired product

14. أهم التطبيقات في مجال الصناعات الدوائية
في الأعوام العشرة الأخيرة من القرن العشرين، تزايد الاهتمام بتطبيقات هندسة الجينات في الصناعات الدوائية، خاصة بعد أن عرفت مواقع جينات عدّة في كائنات حية مختلفة ومِنْ ثمّ أصبح ممكناً عزلها وهندستها جينياً ونقلها إلى كائنات جديدة·
إن التطور في هذا المجال له أبعاده الاقتصادية الكبيرة، من حيث تطوير أنواع جديدة من الأدوية والمستحضرات الطبية ، اعتماداً على التكنولوجيا الحيوية وهندسة الجينات· فمثلاً أحدث إنتاج الأنسولين البشري عام 1982، عن طريق الكائنات الدقيقة بعد إدخال جين الانسولين إلى داخلها ، ثورة كبيرة في علاج مرض السكري .
وباستخدام التكنولوجيا نفسها، أمكن إنتاج علاجات لكثير من الأمراض المستعصية والخطيرة التي كان يصعب علاجها·

15. إنتاج البروتينات العلاجية بهندسة الجينات
إن استخدام البروتينات علاجاً يثير التساؤل حول طريقة تناولها ومصيرها التركيبي والوظيفي عند استخدامها . إذْ لا ينصح باستخدام البروتينات علاجاً عن طريق الفم للأسباب الآتية :
1- البروتينات سرعان ما تُهضم وتحُلل في أثناء مرورها في المعدة والأمعاء بفعل الإنزيمات الهاضمة للبروتينات·
2- لا يمكن امتصاص البروتينات من الأغشية المبطّنة في الأمعاء؛ لذلك، فكل البروتينات المسموح بها كعلاجات تؤخذ عن طريق الحقن· وقد جرت محاولات ناجحة إلى حدّ ما لإدخال بعض البروتينات العلاجية إلى دم المريض عن طريق الاستنشاق (بخّاخ).
إن تصنيع البروتينات العلاجية التي تحقن في دم المريض يجب أن تكون على شكل بودرة جافة يمكن إذابتها وتحويلها إلى محلول عند الحاجة؛ مما يعطيها القدرة على الاحتفاظ بفعاليتها لفترة طويلة·

16. امثلة على البروتينات العلاجية
مجموعة من البروتينات العلاجية والمنتجة بهندسة الجينات والمعتمدة من إدارة الغذاء والدواء الأمريكية FDA· وهي تشمل الهرمونات، والأمصال، والأجسام المضادة وبعض الإنزيمات .
1- ألانسلين Insulin لعلاج مرض السكري.
2- هرمون النمو Human Growth Hormon لعلاج قصور النمو عند ألاطفال.
3- فولتروبين بيتا Follitropin beta : ألاباضة عند ألاناث.

17. 4- ثيروتروبين Thyrotropin : لعلاج سرطان الغدة الدرقية.
5- التبليز Alteplase لعلاج الجلطات الدموية.
6- ابوتين الفا Epoetin alfa لعلاج فقر الدم الناتج عن العلاج الكيميائي.
7- أفاستين Avastin لعلاج سرطان القولون.
8- انترفيرون الفا: Interferon alfa-2a لعلاج بعض انواع سرطان الدم.

18. 9- عوامل تجلط الدم: Blood Clotting Factors لعلاج مرض نزف الدم.
10- انتاج ألامصال المختلفة مثل: الكبد الوبائي, ألانفلونزا وغيرها.
11- على صعيد هندسة ألانسجة:
- بناء انسجة غضروفية للدين يعانون من تآكل الغضروف في الركبة.Cartilage Damage in Knees
- بناء انسجة عظمية
- بناء انسجة جلدية Skin Grafting لعلاج التشوهات الناتجة عن الحروق والحوادث والعمليات الجراحية.

20. ترقيع الجلد

21. أهم منجزات التقنيات الحيوية في المجال الطبي
1- استخدام جهاز تفاعل سلسلة البوليميراز لتشخيص بعض الأمراض الوراثية التي تنتج عن خلل في الحمض النووي مثل مرض الثلاسيما Thelasemia ومرض الكبد الوبائي Hepatitis ؛ إضافة إلى إمكانية اكتشاف بعض الأمراض في مراحل أولية مــــــــن عمليـــــــــة تكويـــــــن الجنين فــــــي الرحم Pre-implanting diagnosis·
2- تطبيقات هندسة الجينات في مجال الطب الشرعي : حيث يتم التعرّف على مرتكبي الجرائم من خلال تحليل مادة الحمض النووي في الدم أو الحيوانات المنوية أو خلايا الشعر وغيرها ، خاصة أنّ هنالك احتماليةً ضئيلة جداً لتوافق مادة الحمض النووي لشخصين مختلفين·

22. 4 - العلاج الجيني Gene therapy :
في الأعوام العشرة الأخيرة من القرن العشرين، دخل العلاج الجيني مرحلة متطورة جداً فأمكن إدخال الجينات السليمة إلى الخلايا المصابة، واستبدال الجينات السليمة بالجينات غير السليمة · إن إدخال الجينات السليمة إلى خلية مصابة ليس بالإمر السهل؛ حيث تتم العملية بشكل عشوائي وباستخدام أساليب إدخال مختلفة، منها:
أ· تطوير فيروسات حاملة للجينات (فيروسات مهندسة جينياً) ، يحمل هذا الفيروس الجين المراد إدخاله، ويهاجم الخلايا المصابة، ويدخل الجين المطلوب إلى داخل الخلية المصابة، (الفيروس مهندس جينياً كي لا يسبب أمراضاً أو أية مشاكل صحية للمريض·)
ب· وضع الجين (الحمض النووي) داخل حويصلات دهنيةLiposomes وإدخالها إلى الخلايا المصابة، حيث تساعد في دخول الجين إلى الخلايا المصابة واستبدال الجين الطبيعي أو السليم Normal gene·
ج· إذا كان الخلل الوراثي في خلايا الدم مثلا، يمكن أخذ هذه الخلايا إلى خارج جسم المريض وإجراء التغيير الجيني فيها؛ ثم إرجاعها إلى داخل جسم المريض ثانية·
د· حقن المريض بمادة الحمض النووي مباشرة، حيث يستهدف الحمض النووي الخلايا المصابة التي تحتوي على مستقبِلات خاصة له.

23. العلاج الجيني والأمراض السرطانية
لخطورة مرض السرطان وارتفاع نسبة الإصابة به في العالم، فإن العلاج الجيني يركز على الأمراض السرطانية أكثر من الأمراض الأخرى التي لها مسبب جيني· فعلاج الأمراض السرطانية عن طريق الجينات بدأ في عام 1991 في الولايات المتحدة الأمريكية· ووضعت استراتيجيات عدّة لهذا الغرض، منها :
ــ إجراء تعديل جيني في خلايا الدم البيضاء Lymphocytes لتحفيزها على العمل ضد الأورام السرطانية·
ــ تعديل بعض خلايا الأورام للتحكم بمدى تفاعلها مع جهاز المناعة·
ــ إدخال الجينات المثبِّطة Tumor suppressor genes إلى الأورام السرطانية·
- إدخال جينات تنتج موادَّ سامة Toxin genes إلى داخل الأورام السرطانية لتدمير خلاياها·
وهنالك العديد من الطرق والاستراتيجيات الأخرى قيد الدراسة في الوقت الحاضر·

24. تشخيص الأمراض الوراثية
تمثل الأمراض الوراثية أحد أهم الفروع الطبية نظراً لعدم توفر طرق التشخيص الملائمة وصعوبة علاج الكثير منها·
ومن أهم الأمراض فقـــــر الـــــــدم المنجلـــــيّ Sickle Cell Anemia والثلاسيما·
وتستخدم تكنولوجيا هندسة الجينات في متابعة الكثير من الأمراض التي ترتبط بعيوب وراثية، مثل الطفرات الوراثية أو الانتقال الكروموسومي أو تنشيط جينات غير طبيعية·

25. العلاج بالخلايا الجذعية
ما هي الخلايا الجذعية ؟
والخلايا الجذعية هي خلايا غير مكتملة الانقسام، قادرة تحت ظروف مناسبة على ألانقسام و تكوين خلية بالغة من أي عضو من أعضاء الجسم، وبالتالي يمكن اعتبارها نظام "إصلاح وتجديد" للجسم. وهي نوعان:
1- خلايا جذعية جنينية تستخرج من الأجنة نفسها،
2- وخلايا جذعية بالغة تستخرج من مختلف خلايا الجسم مثل النخاع العظمي والرئة والقلب والعضلات وغيرها.

26. مستقبل الخلايا الجذعية في علاج الأمراض
وتقوم فكرة الاستفادة من الخلايا الجذعية في علاج الأمراض على اعتبار قدرتها أن تعطي كافة أنواع الخلايا والأنسجة مثل خلايا القلب والكبد والكلى والدم والعظام والدماغ وبالتالي فإن مستقبلها في مداواة العديد من الأمراض والتشوهات الخلقية .
فعند توفر الخلايا الجذعية تحل محل الخلايا المصابة أو التي توقفت وظائفها وذلك بطريقة
1- الاستزراع الموضعي .
2- بطريقة الحقن الوريدي.
- كما يمكن استخدام الخلايا الجذعية في تطوير العديد من العقاقير ومعرفة آثارها الجانبية حيث يوفر ذلك وقتاً وجهداً ويجنب الوقوع في العديد من الأعراض الجانبية بعد معرفتها على المستوى الخلوي .
- كما أن للخلايا الجذعية فوائد كبيرة في الدراسات البيولوجية خاصة في التمايز الخلوي Cell differentiation  وعلاقة ذلك وأوجه الشبه والاختلاف بين الخلايا الجنينية والخلايا السرطانية للوصول إلى كنه معضلة السرطان وسبر أغواره وأسبابه) .

27. مصادر الخلايا الجذعية
1. الجنين الباكر (الكرة الجرثومية أو البلاستولا ) وبالذات من كتلة   الخلايا الداخلية (أربعة إلى ستة أيام).
2. الجنين الباكر( الخلايا الجنسية الأولية للجنين بعمر4 ـ 5 أسابيع.
3. الأجنة المسقطة في أي مرحلة من مراحل الحمل .
4. المشيمة والحبل السري بعد الولادة مباشرة .
5. من خلايا الأطفال الأصحاء .
6. من خلايا البالغين بواسطة الاستنساخ أو مباشرة .

28. خلايا الجنين

29. علاج مرض السكري بالخلايا الجذعية
تمكن البروفيسور ريتشارد بيرت من كلية نورثوسترن الطبية من تحقيق اختراق جديد على صعيد علاج مرض السكري من خلال تطوير تقنية جديدة تقوم على إعادة زراعة الخلايا الجذعية العائدة للمرضى في أجسامهم.
نجحت في علاج 13 مريضا بمرض السكري من الفئة الأولى التي تصيب صغار السن، من أصل 15 بشكل كامل، مكنهم من الإقلاع عن استخدام حقن الأنسولين والأدوية الأخرى.

30. اهمية التقنيات الحيوية في المجال الزراعي
يمكن تعريف المحاصيل المحورة (المعدلة) وراثيا بانها تلك المحاصيل المطورة عن طريق ادخال جينات غريبة اليها لتحسين صفاتها الوراثية مثل
1- مقاومتها للامراض والحشرات.
2- وتحملها للظروف البيئية القاسية مثل قلة المياه وزيادة نسبة الملوحة في التربة.
3- اضافة الى انتاج هذه المحاصيل بكميات وفيرة وزيادة القيمة الغذائية لها.

31. وقد تم اطلاق المحاصيل المحورة وراثيا في عام 1996.
وقد تم اطلاق المحاصيل المحورة وراثيا في عام
وشهد العام 2006 زيادة هائلة في المساحات المزروعة بالمحاصيل المحورة وراثيا
10.3 مليون مزارع في 22 دولة منها 11 دولة نامية و 11 دول صناعية.
ومن اهم المحاصيل المنتجة بالتكنولوجيا الحيوية:
1- فول الصويا حيث يزرع في العالم حاليا حوالي 58.6 مليون هكتار
2- الذرة حيث تبلغ المساحة المزروعة 25.2 مليون هكتار
3- ايضا يزرع نحو 13.4 مليون هكتار بالقطن المحور وراثيا.
4- بالاضافة الى ذلك هناك مساحات صغيرة تزرع فيها اشتال البطاطا و البابايا التي ادخلت فيها جينات لتاخير النضج ومقاومة الفيروسات .

32. ألارز المعدل وراثيا (ألارز الذهبي)

33. الدول المنتجة للمحاصيل المحورة وراثيا
1- الولايات المتحدة الامريكية تنتج اكبر كمية من المحاصيل المحورة وراثيا حيث يزرع فيها ما تقدر مساحته بـ 54.6 مليون هكتار ما جعلها تتصدر قائمة الدول المنتجة لهذا النوع من المحاصيل.
2- الارجنتين حيث تقدر المساحة المزروعة فيها بهذا النوع من المحاصيل بـ 18 مليون هكتار.
3- البرازيل وكندا والصين والباراجواي والهند وتقدر المساحات المزروعة في هذه الدول مجتمعة بـ 26.9 هكتار.

34. اهمية التقنيات الحيوية في المجال البيئي
استخدام التقنيات الحيوية والكائنات الدقيقة المحورة وراثيا للمساهمة في تقليل التلوث البيئي عن طريق تحليل المواد السامة وغيرها من المواد الملوثة للتربة والمياه و في مقدمتها البترول ومشتقاته.

35. مشروع الخريطة الجينية للكروموسومات البشريّة
بلغت التقنيات الحيوية ذروتها في نهاية القرن الماضي عندما تم التوصل إلى معرفة تركيب الخارطة الجينية للإنسان حيث دخل العالم ما يسمى بـ العصر الجينومي

36. أعلن العلماء يوم الإثنين 26 مايو 2000 عن تفاصيل الخريطة الجينية للإنسان أو ما يعرف بـ "مشروع الجينوم البشري" وهو حدث علمي فريد؛ دفع كلا من الرئيس الأمريكي بيل كلينتون ورئيس الوزراء البريطاني توني بلير للاشتراك في الإعلان عنه.
وهو المشروع الذي بدأ في أكتوبر 1990وانتهى العمل به في 2000، وكانت نتيجته اكتشاف كل جينات الإنسان (80 ألفًا إلى 100 ألف) وتحديد التتابع الكامل لكل الـ 3 بلايين زوج من القواعد النيتروجينية، ولقد سمى العلماء القرن الحادي والعشرين بالقرن البيولوجي لما لهذا الاكتشاف من أهمية.

37. وساعد هذا المشروع في تحديد مواقع الجينات ووظائفها وعملها وعلاقتها ببعضها بعضاً، وتحديد الجينات المسبّبة للأمراض الوراثية المختلفة·
وسيشهد القرن الحادي والعشرون إنجازات أكبر وأضخم مع التطوّر في التكنولوجيات والأجهزة المختلفة، التي ستسهّل وتسرّع تحقيق أهداف كبيرة ومهمة، مثل : تطوير العلاج الجيني الذي سيساهم في علاج كثير من الأمراض الوراثية المستعصية؛ والتطوّر في مجال المحافظة على البيئة من الملوِّثات المختلفة، من ذلك تحليل متبقيات المبيدات في التربة باستخدام بكتيريا معدّلة جينياً؛ وغير ذلك الكثير·

38. الخاتمة
إن الثورة التي شهدتها التكنولوجيا الحيوية في السنوات الأخيرة تبشّر بنقل الظروف المعيشية للإنسان إلى آفاق غاية في الإتساع وحافلة بالتطبيقات التي تعود بالفائدة على دول المنطقة، فهده الدول مدعوة لللإهتمام الشديد في هذه التطبيقات وإعطائها أولوية متقدمة في سياساتها التنموية وتوفير الموارد المالية والبشرية للإستثمار فيها بصورة جدية

39. شكرا