زیست فناوری کشاورزی

مرکز جامع اطلاع رسانی

کریسپر و کاربردهای آن در گیاهان

در بحث ژنتیک همواره بحث‌های مختلفی در محافل علمی طرح شده و مباحث گوناگونی پیرامون آن شکل گرفته است. اگر عنوان «ویرایش ژن» را در گوگل جستجو کنید به مطالب زیادی می‌رسید و یکی از واژه‌هایی که خواهید دید «کریسپر» است. پدیده‌ای نو ظهور که می‌تواند جهان را دستخوش تغییر کند.

دیدارنیوز در گفت و گو با صادق شجاعی رئیس شاخه دانشجویی انجمن ژنتیک ایران که در پژوهشگاه ملی مهندسی ژنتیک مشغول به فعالیت است به ابعاد مختلف این پدیده و تاثیرات آن پرداخته است.

 

زمانی که ما بحث ژن را مطرح می‌کنیم توجه جلب می‌شود به این که در بحث ژن چه اتفاقی قرار است بیفتد و به کجا ختم خواهد شد. ویرایش ژن یک موضوع بسیار جدید است که در علم ژنتیک مطرح می‌شود، در این زمینه می‌خواهم درخواست کنم ژن و ژنتیک را مطرح کنید و خیلی کوتاه در مورد این علم بگویید. بعد هم وارد ویرایش ژن شویم.

قبل از این که وارد بحث ویرایش ژنوم یا اصلاح ژنتیکی شویم بهتر است به یک سری از اصطلاحات از جمله ژن، سلول، ژنوم، DNA و حتی خود واژه کریسپر، اشاره‌ای شود. اگر از سلول شروع کنیم ما به کوچک‌ترین واحد حیاتی پیکره یک موجود زنده، سلول می‌گوییم. به عبارتی مبنا و اساس هر چیز زنده‌ای در دنیا سلول است و بدن موجودات زنده مختلف از میلیارد‌ها سلول ساخته شده که در داخل این سلول‌ها در پوششی به نام هسته، ژنومی قرار دارد که دستورالعمل‌هایی را برای ساخت و پیشبرد و نگهداری یک موجود زنده دارا است. این دستورالعمل‌ها تحت عنوان DNA شناخته می‌شوند. دی ان‌ای هم چیز عجیب و غریبی نیست. تشکیل شده از چهار عنصر نیتروژن، هیدروژن، اکسیژن و کربن که ترکیب این عناصر در کنار هم مولکول‌های مختلفی را ایجاد می‌کند که خود این مولکول‌ها در ساختار ماکرو مولکول‌هایی از جمله دی ان‌ای قرار دارند. جالب این است که خود مولکول دی ان‌ای از بلاک‌ها و قطعاتی به نام ژن تشکیل شده است. ژن‌ها حامل اطلاعاتی هستند که تعیین کننده ویژگی‌های یک موجود زنده محسوب می‌شود. این که رنگ چشم و رنگ پوست ما چه باشد و موی ما صاف باشد یا مجعد و قد ما بلند یا کوتاه و سایر خصوصیات و ویژگی‌ها، تحت کنترل ژن‌ها است. ژن در واقع نوعی رمز حیاتی است که خودش از یک سری کد‌های ژنتیکی یا رمز‌های سه حرفی تشکیل شده که دستورالعمل‌هایی را برای ساختن پروتئین دارد. به عنوان مثال پروتئین‌ها بلوک‌های سازنده بدن ما هستند. اینکه بدن ما رشد کند، کار کند و سالم بماند، به کارکرد و عملکرد پروتئین‌ها باز می‌گردد؛ بنابراین هر گونه غلط یا اشتباه املایی در کد‌های ژنتیکی یک ژن، می‌تواند منجر به ایجاد یک پروتئین ناقص شود که خودش می‌تواند مثلاً در انسان منجر به یک بیماری یا یک نقص ژنتیکی شود. کریسپر به عنوان یک غلط‌یاب املایی می‌تواند به کمک ما بیاید و ما با استفاده از آن می‌توانیم در حال حاضر کد‌های ژنتیکی معیوب را پاک، ویرایش یا تعویض کنیم که کاربرد‌های مختلفی هم از این تکنیک وجود دارد.

 

کاربرد‌های انسانی و گیاهی؟

بله کاربرد‌هایی در حوزه گیاهی و حیوانی و سایر موجودات دارد. حال قبل از این که وارد بحثی شویم که کاربرد‌های آن را بگوییم بهتر است بدانیم که مبنا و اساس کریسپر چیست؟ کریسپر یک سیستم ایمنی ذاتی در باکتری‌ها برای مقابله با عوامل مهاجم مثل ویروس‌ها است که باعث تخریب ژنوم عامل مهاجم یعنی ویروس و نابودی آن می‌شود. اگر بخواهیم به زبان ساده‌تر بگوییم باکتری‌ها دائم توسط ویروس‌ها مورد حمله قرار می‌گیرند. یعنی در ابتدای پیدایش حیات، این باکتری‌ها و ویروس‌ها با هم در نبرد هستند. حال در این نبرد، یا ویروس پیروز می‌شود که سیستم باکتری را به کار می‌گیرد و به نفع خود استفاده می‌کند و یا اینکه باکتری پیروز می‌شود و نمی‌گذارد ویروس بر آن غلبه کند. زمانی که باکتری در مقابل ویروس پیروز می‌شود، بخشی از ژنوم ویروس را بر می‌دارد و به عنوان حافظه در آرشیوی به نام کریسپر در ژنوم خود ذخیره می‌کند تا زمانی که به کارش بیاید. حال کجا به کار می‌آید؟ زمانی که ویروس مجدداً به باکتری حمله می‌کند، باکتری یک نسخه کپی از آرشیو کریسپر تولید می‌کند و ژنوم ویروس را برای یافتن نسخه اصلی مورد اسکن قرار می‌دهد. زمانی که نسخه کپی با نسخه اصلی تطابق پیدا کرد با استفاده از یک سلاح قوی به نام کَس ۹ (cas۹) که یک آنزیم پروتئینی است، دی ان‌ای ویروس را برش می‌دهد و موجب از بین رفتن ویروس می‌شود.
 
اگر بخواهیم با یک مثال ساده‌تر، آن را توضیح دهیم که این سیستم چه نفعی برای باکتری دارد، شما این را می‌توانید به آرشیو اطلاعاتی پلیس تشبیه کنید. زمانی که پلیس وارد یک صحنه جرم می‌شود، اولین کاری که انجام می‌دهد انگشت‌نگاری است تا ببیند که آیا مجرم اثری از خود به جای گذاشته یا خیر؛ که این آرشیو می‌تواند شامل عکس‌های مجرمین باشد. زمانی که این اثر نگشت را برمی‌دارد و به آرشیو رجوع می‌کند، جستجو می‌کند تا ببیند که آیا در مجرمین قبلی، این مجرم وجود دارد یا خیر. اگر باشد سریعاً تشخیص می‌دهد و می‌تواند مجرم را پیدا و او را دستگیر کند. اگر در داخل آرشیوش هیچ اطلاعاتی نباشد، برای پیدا کردن آن مجرم کارش سخت است. باکتری هم همین کار را می‌کند. بخشی از ژنوم ویروس را به عنوان حافظه بر می‌دارد که اگر همان ویروس مجدداً حمله کرد در کوتاه‌ترین زمان با کمترین هزینه و بدون صرف هیچ گونه انرژی اضافی، بتواند آن ویروس را از بین ببرد.
 
اگر بخواهیم به عنوان یک پازل در نظر بگیریم از سال ۱۹۷۸ دانشمندان متعددی آمدند و هر یک از قطعات این پازل را کشف کردند تا این که در اواخر سال ۲۰۱۲ دو دانشمند آمریکایی این قطعات پازل را در کنار هم قرار دادند و متوجه شدند که کریسپر چگونه در باکتری عمل می‌کند و عملکردش چیست و بعد از آن، محققی از مؤسسه ام‌آی تی آمریکا به نام فنگ ژانگ (Feng Zhang)  از این سیستم استفاده کرد و آن را برای ویرایش سلول‌های انسانی و موشی شبیه‌سازی کرد و این سیستم جواب داد. تحول درباره ویرایش ژنتیک و یا کریسپر از سال ۲۰۱۳ شروع شد. از زمان شروع این تحول، صد‌ها مؤسسه تحقیقاتی یا دانشگاهی و مراکز علمی در سراسر دنیا بودجه‌های عظیم و سنگینی را صرف مطالعاتشان بر روی موجودات مختلف با استفاده از سیستم کریسپر کردند. الان هم در حوزه پزشکی و کشاورزی و سایر علوم کاربرد‌های زیادی دارد.
 
کاربردهای کریسپر در زمینه گیاهی چگونه است؟
ما در حوزه گیاهی می‌توانیم هم صفات تغذیه‌ای را بهتر کنیم و هم بهبود صفات زراعی. طبق آماری که سازمان‌های جهانی می‌دهند جمعیت جهان در سال ۲۰۵۰ حدود ۹/۵ میلیارد خواهد بود و این سطح از اراضی زیر کشت جوابگوی نیاز غذایی نخواهد بود. یعنی جهان اگر با این سیر طی کند با کمبود شدید مواد غذایی کشاورزی روبه‌رو خواهد بود. حال در شرایط عادی راهکار چیست؟ یا باید سطح زیر کشت را بالا ببریم و یا اینکه عملکرد در واحد هکتار را بالا ببریم. اگر به سراغ استراتژی اول یعنی افزایش سطح زیر کشت برویم، خب همانطور که ما می‌دانیم زمین از منابع محدود در حوزه کشاورزی است و توسعه این منبع محدود تا حد مختصری امکان پذیر است و از طرفی زمین‌هایی هم که ما داریم به علت فعالیت‌های کشاورزی نا آگاهانه و چرای دام‌ها و جنگل‌زدایی در حال انحطاط است. پس با توجه به شرایطی که در حال حاضر وجود دارد، رویکرد مناسبی نخواهد بود. پس ما ناچاریم به زمین‌ها و مناطقی که در شرایط نامساعد آب و هوایی واقع شدند روی بیاوریم یا زمین‌هایی که در مناطقی واقع شدند که شور و با درجه حرارت بالا و یا کم آب است. خب لازمه کشت در این مناطق چیست؟ گیاهانی هست که به شوری و کم آبی و خشکی و بیماری‌ها مقاوم باشند. از طرفی گیاهانی که ما الان داریم، چه ویژگی‌هایی دارند؟ این گیاهان عادت دارند به رشدی که در شرایط معتدل است و آب و هوای نسبتاً خوبی است. آب هست و خاک‌ها نسبتاً زیاد شور نیست. پس اگر ما این گیاهان را به آن مناطق انتقال دهیم چه اتفاقی رخ می‌دهد؟ یا گیاه رشد نمی‌کند و یا عملکردش کم می‌شود یا کلاً شوری و آفت و بیماری، آن را از بین می‌برد. حالا ما با کریسپر چه می‌توانیم بکنیم؟ ما می‌توانیم با استفاده از این تکنیک، ژنوم گیاهان را بدون اینکه هیچ گونه ژن اضافی به یک گیاه وارد کنیم از داخل خود ژنوم با استفاده از این تکنیک، آن را ویرایش کنیم و تولید گیاهانی داشته باشیم که به شوری و کم آبی و درجه حرارت بالا و شرایط نامساعد آب و هوایی و علف کش‌ها و بیماری‌ها مقاوم باشند. این کار با استفاده از تکنیک‌های معمولی مهندسی ژنتیک هم دارد صورت می‌گیرد. اما کریسپر بازه زمانی کوتاه‌تری دارد و از لحاظ هزینه مقرون به صرفه‌تر است.
 
 
 
ما در گذشته نیز شاهد بحث اصلاح ژن یا تغییر آن بوده‌ایم. تفاوت کریسپر با آن ویرایش ژنی که الان دارد انجام می‌شود چیست؟
همانطور که گفتم کریسپر مزیت و تمایزی که نسبت به سایر تکنیک‌ها دارد هدفمندی بالا و اختصاصیت بالا و کنترل و سرعت بالا و هزینه پایین است. شما شاید از طریق تکنیک‌های معمولی مهندسی ژنتیک بتوانید این کار‌ها را انجام دهید یعنی بتوانید گیاه را به خشکی و کم آبی مقاوم کنید، اما عیبی که نسبت به مهندسی ژنتیک می‌گیرند ـ البته مزیت هم دارد ـ این است که شما هر ژنی بخواهید می‌توانید آن را به صورت خیلی اختصاصی جدا کنید و همان ژن را به میزبان گیاهی انتقال دهید اما خب این ژن معلوم نیست کجا می‌رود و به صورت تصادفی وارد ژنوم می‌شود. برخی از مخالفان مهندسی ژنتیک نسبت به این موضوع ایراد می‌گیرند. اما ما داریم از تکنیکی صحبت می‌کنیم که می‌گوییم ژنوم را به نفع خودمان و به دلخواه خودمان تغییر می‌دهیم. یعنی دانشمند و محققی که کار می‌کند تصمیم می‌گیرد که این ژن کجا برود و به دلخواه خودمان و در جایگاهی از ژنوم قرار بگیرد که کمترین آسیب را به گیاه و ژنوم برساند و کاری نشود که سایر ژن‌ها مختل شوند. مثلاً مناطق بین ژنی که که ما می‌توانیم آن ژن را آنجا درج کنیم. یا بدون اینکه هیچ گونه ژنی را درج کنیم می‌توانیم ژن‌های خود گیاه را ویرایش کنیم که این ژن اضافی را وارد نکنیم. با خاموش و روشن کردن این ژن‌ها متوجه شویم که آیا با خاموش و روشن کردن این‌ها در این مسیر‌های مختلف می‌توانیم گیاهانی را تولید کنیم که مقاوم به درجه حرارت و خشکی و شوری باشند که این اتفاق افتاده و سایر کشور‌ها این کار‌ها را در حوزه گیاهی انجام داده‌اند و دیدند که جواب می‌دهد.
 
استراتژی دوم، گفتیم که افزایش عملکرد در واحد سطح است. شما خودتان الان شاهد این هستید که اقلیم دارد تغییر می‌کند. یعنی درجه حرارت و شرایط آب و محیطی دارد فرق می‌کند. به عنوان مثال شاهد این هستیم که تابستان‌های گرم‌تر و درجه حرارت بالاتر و بارندگی‌های خارج از فصل و طول دوره زمستان کوتاه شده و بهار زودرس شده و همه این‌ها دست به دست هم می‌دهد تا بر شرایط رشد و نمو یک گیاه بر خاک به عنوان بستر رشد گیاه و آب به عنوان مهم‌ترین عامل رشد گیاه روی سایر ویژگی‌ها اثر بگذارد و عنوان شده که با یک درجه افزایش حرارت، شاید یک گیاه عملکردش در کل طول دوره رشدش بین هفت تا ده درصد یا هفت تا هجده درصد بتواند کاهش پیدا کند و این شرایط دارد تغییر پیدا می‌کند پس ما این گیاهانی که الان داریم در آینده به درد نخواهند خورد، چون که اقلیم دارد تغییر می‌کند و روز به روز درجه حرارت بالا می‌رود و ما نیاز به گیاهانی داریم که در آینده به درجه حرارت بالا و سرمای بالا و سرمای شدید و آفات و بیماری‌ها مقاوم باشند.
 
کریسپر و ویرایش ژن در ماهیت گیاهان و کیفیت آن‌ها تأثیر نمی‌گذارد؟
بله می‌تواند بگذارد. فرض کنید یک گیاه برنج دارید. این گیاه برنج عملکرد بالایی دارد اما عطر و طعم پایینی دارد. قبلا با استفاده از اصلاح کلاسیک، یک اصلاح سنتی دو رگ گیری را انجام می‌دادند و یک برنجی که عملکرد بالایی داشت اما عطر و طعم خوبی نداشت با یک برنجی که عملکرد پایینی داشت اما عطر و طعم خوبی داشت با هم دو رگ گیری می‌کردند. از طریق مراحلی که در اصلاح سنتی وجود دارد تا بتواند آن ویژگی‌هایی که در آن عطر و طعم وجود دارد ـ در سیستم دو رگ گیری که چندین سال هم طول می‌کشد ـ به آن گیاه که عملکرد بالایی داشت و عطر و طعم پایینی داشت انتقال پیدا کند که در نهایت یک برنجی داشته باشیم طی چندین سال مثلاً هفت تا ده سال. بعد از چندین سال یعنی هفت تا ده سال برنجی داشته باشیم که هم عملکرد بالایی داشته باشد و هم عطر و طعم بالایی داشته باشد. خب این یک عیب هم داشت، علاوه بر اینکه زمان زیاد بود، ژن‌های دیگری هم انتقال پیدا می‌کرد که شاید هدف ما نبود اما ما حالا با این تکنیک می‌توانیم خود ژنوم را از داخل تغییر دهیم.
 
بدون این که ژن اضافی را تغییر دهیم ژن‌های عطر و طعم را شناسایی کنیم یا بتوانیم عملکرد این ژن‌هایی که درگیر در مسیر عطر و طعم هستند را شناسایی کنیم و این‌ها را ویرایش کنیم. حال خاموش یا روشن کنیم. شاید در یکی از ژن‌هایی که خاموش و روشن می‌کنیم موجب شود که عطر و طعم برنج بالا رود و در کوتاه‌ترین زمان یک بازه زمانی شش ماهه نه یک پروسه هفت تا ده ساله که خب می‌تواند روی کیفیت، مؤثر باشد. اگر بخواهم مثال بزنم یک گوجه فرنگی را اگر شما خریداری می‌کنید و به خانه می‌برید شاید این گوجه فرنگی حداکثر یک هفته نسبت به پوسیدگی دوام بیاورد و مقاومت داشته باشد، بعد از آن شروع به پوسیده شدن می‌کند. الان با استفاده از کریسپر، ژنوم گیاه گوجه فرنگی را ویرایش کردند که این گیاه در خارج و نه در ایران، تجاری شده است. یک ماه تا چهل روز این گوجه فرنگی بدون این که هیچ علائم پوسیدگی داشته باشد در خانه شما راحت سر جایش است و در مورد بقیه گیاهان هم این اتفاقات افتاده است. گندمی که کیفیت نانوایی بهتری داشته باشد یا برنجی که عملکرد بالایی داشته باشد یا برنجی که نسبت به کم آبی مقاوم باشد یا سایر خصوصیات و ویژگی‌هایی که مد نظرمان است.
 
علم تلاش می‌کند که زندگی انسان را بهبود ببخشد. آیا ویراش ژن با توجه به تغییرات ژنتیکی که در آن به وجود می‌آورد کیفیت زندگی را بالا می‌برد یا اینکه از لحاظ زیستی آسیب رسان است؟
این سؤال شما به تعریف مهندسی ژنتیک باز می‌گردد. کریسپر هم نسل آخر پیشرفته‌تر تکنیک‌های مهندسی ژنتیک است. مهندسی ژنتیک چیست؟ می‌گوید مجموعه فناوری‌هایی که با استفاده از علوم و فناوری‌های زیستی در سطح مولکولی، محصولاتی را به وجود آوریم که این محصولات، هم معایب پیشین را نداشته باشند و هم کیفیت برتر و سلامت بیشتر و ارزش افزوده بیشتر برای بشر داشته باشند.
 
امروز درباره روش علمی کریسپر و ویرایش ژن، مقابله و مخالفت‌هایی هم در دنیا دارید؟
در دنیا در مباحث ژنتیک و بیوتکنولوژی تا زمانی که بحث روی انسان باشد مخالفت‌هایی هست. یعنی سازمان‌های نظارتی هستند که قوانینی را تنظیم کردند که اجازه تحقیق روی یک موجود یا ارگانیسم تا یک مرحله‌ای وجود دارد و بعد از آن باید آزمایش‌های خود را بگذراند تا به آن نقطه مناسب خود برسد که یک تکنیک بی عیب باشد. حتی در خود امریکا هم مراحل قوانین نظارتی تا یک حدی است و اجازه ندارند بیشتر از آن در علم نفوذ کنند. اما خب تحقیقات انجام می‌شود تا شاید روزی فرا رسد که این تحقیقات بتواند روی انسان آزمایش شود.
 
مثالش را در زمینه گیاه به شما بگویم. شما الان بحثی در مورد گیاهان تراریخته دارید، گیاهانی هستند که مقاوم به آفات و بیماری‌ها هستند. می‌بینیم که سازمان‌های مختلف، سازمان‌های نظارتی یا سازمان‌های مربوطه می‌گویند این گیاهان، گیاهان بدی هستند و برای سلامت و انسان ضرر دارند اما در عوض شاید داستان‌هایی مطرح است که مافیا‌های سم و کود و ... وجود دارند و با فشار آوردن به این سازمان‌ها شاید این را مطرح می‌کنند که خب اگر گیاهی مقاوم به یک آفت داشته باشیم، به عنوان مثال برنج مقاوم به آفت داشته باشیم خب این سم را کسی مصرف نمی‌کند. گیاه را کاشته و گیاه رشد می‌کند بدون این که آفت به آن آسیب برساند و هیچ سمی را مصرف نمی‌کند. خب این به کسی که سم را می‌فروشد و یا سم را به کشور وارد می‌کند، ضرر می‌زند. برای همین با آن مقابله می‌شود؛ بنابراین دیدی که در مورد تراریخته‌ها هست و یک واهمه توسط سازمان نظارتی و مسئول وجود دارد ـ با توجه به این که هیچگونه ادله و مستند علمی در رابطه با بیماری‌هایی که توسط تراریخته‌ها ایجاد شود وجود ندارد ـ واقعاً مغرضانه و دور از انصاف است و این‌ها همه باعث می‌شود که جلوی پیشرفت کشور گرفته شود و دانشجویان و اساتیدی که در این حوزه تحقیق می‌کنند دلسرد می‌شوند. حتی محققین توانستند در گیاهانی که مصرف می‌کنیم، گیاهان تراریخته طبیعی را ردیابی کنند و این موضوع در طول طبیعت وجود دارد و رخ می‌دهد و ما این کار را در آزمایشگاه با دقت بیشتر انجام می‌دهیم.
 
متن کامل مصاحبه در دیدار نیوز
 

نوشتن دیدگاه


تصویر امنیتی
تصویر امنیتی جدید

اخبار ویژه

اخبار

این پایگاه اطلاع رسانی به کارگروه کشاورزی ستاد توسعه زیست فناوری تعلق دارد.