باحثون صينيون يكشفون عن نظام SmartPE للتغلب على عقبات التعديل الجيني في محاصيل ذوات الفلقتين

بكين — طوّر علماء الوراثة النباتية في الصين منصة تعديل جيني محسّنة مصممة للتغلب على قيود الأداء المزمنة في المحاصيل عريضة الأوراق، حيث قدموا نظاماً يُدعى SmartPE يعزز دقة وكفاءة التعديلات الجينية في أنواع مثل الطماطم وفول الصويا وبذور اللفت. ويستهدف هذا الابتكار التحرير الأولي (prime editing)، وهو مشتق متقدم من تقنية CRISPR يتيح للباحثين إدراج وحذف واستبدال تسلسلات جينية محددة دون التسبب في كسور مزدوجة لشريطي الحمض النووي أو الحاجة إلى قوالب مانحة خارجية.

ورغم أن التحرير الأولي أظهر فائدة كبيرة في الكائنات الحية النموذجية ومحاصيل الحبوب الرئيسية خلال السنوات الأخيرة، إلا أن اعتماده في محاصيل ذوات الفلقتين واجه عقبات هيكلية. فغالباً ما جعلت الكفاءة الأساسية المنخفضة للتحرير في النباتات عريضة الأوراق هذه التقنية كثيفة العمالة أو غير قابلة للتنبؤ لخطوط التربية التجارية. ومن خلال تحسين الآلية التي تنقل وتنفذ هذه التعديلات، يهدف الفريق القائم على SmartPE إلى وضع محاصيل الخضروات والبقوليات والبذور الزيتية الرئيسية على قدم المساواة مع الحبوب الأساسية التي كانت تاريخياً أكثر استجابة لأدوات الهندسة الوراثية.

## حقائق رئيسية

- طور باحثون في الصين نظام SmartPE خصيصاً لتعزيز كفاءة التحرير الأولي في النباتات ثنائية الفلقة (عريضة الأوراق). - تم اختبار المنصة على أنواع زراعية حيوية تجارياً، بما في ذلك الطماطم وفول الصويا وبذور اللفت (الكانولا). - يتيح التحرير الأولي للباحثين تنفيذ عمليات إدراج وحذف موجهة وجميع التحويلات الـ 12 الممكنة بين القواعد النيتروجينية دون إحداث كسور مزدوجة لشريطي الحمض النووي. - أظهرت المحاصيل عريضة الأوراق تاريخياً ترددات تعديل منخفضة في ظل بنيات التحرير الأولي القياسية، مما تطلب غالباً فحصاً مكثفاً لزراعة الأنسجة لتحديد التعديلات الناجحة. - يعالج البحث عقبة تكنولوجية رئيسية أبطأت التربية الدقيقة غير المعدلة وراثياً في محاصيل البروتين والزيوت النباتية العالمية.

## ما الذي حدث

وفقاً لتقارير أوردها phys.org، صمم علماء زراعيون في الصين بنية SmartPE لمعالجة مشكلة عدم الكفاءة المستمرة التي قيدت التحرير الأولي في الأنواع ثنائية الفلقة. وفي التحرير الأولي القياسي للنباتات، غالباً ما تعاني الآلية الجزيئية من مستويات تعبير ضعيفة، أو ديناميكيات نسخ عكسي دون المستوى الأمثل، أو تحلل سريع للـ guide RNAs داخل بيئات الخلايا النباتية. ويعمل SmartPE على تعديل هذه المكونات الوظيفية لتثبيت مركب التحرير وتحسين تفاعله مع الأهداف الجينومية للنبات.

وخلال تجارب التحقق، طبق الفريق البحثي النظام عبر عدة نماذج نباتية ومحاصيل غذائية متباينة. وركزت الاختبارات على محاصيل ذات أهمية اقتصادية عالية، وفي مقدمتها الطماطم وفول الصويا وبذور اللفت. ففي هذه النباتات، تسجل محررات التحرير الأولي التقليدية في كثير من الأحيان نسب نجاح أحادية الرقم أو شبه معدومة عند المواقع المستهدفة، مما يضطر المربين إلى تجديد آلاف عينات الأنسجة لضمان الحصول على سلالة نباتية منشودة واحدة.

ومن خلال تعديل التسلسلات التنظيمية التي تقود المحرر وتحسين شريط التحرير الأولي الأساسي، أظهر SmartPE تحسينات ملحوظة في إنتاجية الطفرات الموجهة عبر الأنواع الخاضعة للتقييم. واستخدم الباحثون الأداة لإدخال تعديلات محددة على التسلسل، مؤكدين أن الإطار المحسّن يحافظ على الدقة المميزة للتحرير الأولي مع رفع نسبة الخلايا المعدلة بنجاح بشكل كبير. وعمل النظام بفعالية عبر مواقع مستهدفة متعددة داخل هذه المحاصيل، مما يوضح أن التحسن لا يقتصر على موقع جينومي ملائم واحد.

## لماذا يهم هذا الأمر

تواجه الزراعة الحديثة ضغوطاً متزامنة ناتجة عن تقلبات المناخ، وتغير ضغوط الآفات، وارتفاع الطلب العالمي على البروتينات والزيوت النباتية. وتوفر المحاصيل ثنائية الفلقة غالبية البروتينات النباتية في العالم عبر البقوليات مثل فول الصويا، وزيوت الطهي الحيوية والوقود الحيوي من خلال نباتات الفصيلة الصليبية مثل بذور اللفت، والمغذيات الدقيقة الأساسية عبر محاصيل الخضار الأساسية مثل الطماطم. ويعد تسريع وتيرة تكيف المربين لهذه الأنواع أمراً حيوياً لاستقرار الإنتاج الزراعي.

وحتى الآن، اعتمدت التربية الدقيقة في هذه المحاصيل بشكل كبير على تقنية CRISPR-Cas9 القياسية أو محررات القواعد (base editors). وتعمل تقنية CRISPR-Cas9 التقليدية أساساً عبر قطع كلا شريطي لولب الحمض النووي، مما يطلق مسارات إصلاح خلوية عشوائية تنتج عادة عمليات إدراج أو حذف غير دقيقة. ورغم فعاليتها في تعطيل الجينات غير المرغوب فيها، إلا أنها تعجز عن إعادة كتابة تسلسلات محددة بسهولة لإنشاء أليلات متفوقة. أما محررات القواعد، التي طُرحت في عام 2016، فتتيح تحويلات مباشرة للنيوكليوتيدات المفردة، لكنها مقيدة كيميائياً حيوياً: إذ يمكنها فقط تحويل نيوكليوتيدات معينة إلى أخرى (مثل السيتوزين إلى الثايمين، أو الأدينين إلى الغوانين) وكثيراً ما تولد طفرات مجاورة غير مقصودة إذا وقعت قواعد مستهدفة غير مرغوبة داخل نطاق التحرير.

ويحل التحرير الأولي كلتا المشكلتين عبر العمل كمعالج نصوص جزيئي قادر على البحث عن عنوان جينومي وكتابة استبدالات دقيقة بأطوال متفاوتة. ومع ذلك، ونظراً لتراجع جدواه في ذوات الفلقتين بشدة جراء انخفاض معدلات النجاح، قصرت الشركات الزراعية والمختبرات الأكاديمية استخدامه غالباً على حبوب أحاديات الفلقة مثل الأرز والذرة. ومن خلال جعل التحرير الأولي قابلاً للتطبيق تجارياً في ذوات الفلقتين، يفتح SmartPE الباب أمام إنتاج محاصيل غير معدلة وراثياً تتميز بمواعيد إزهار محسّنة، وتحمل أكبر للجفاف، وسمات مخصصة لزيوت البذور، ومقاومة مدمجة لمسببات الأمراض دون ترك جينات بكتيرية غريبة في جينوم النبات.

## الخلفية

تحول مسار التربية الجزيئية للنباتات في عام 2012 عقب توصيف آلية المناعة CRISPR-Cas9 من البكتيريا كأداة قابلة للبرمجة لتعديل الجينوم. وخلال خمس سنوات، كانت المختبرات حول العالم تستخدم نوكليازات Cas9 لتعديل الماشية وخطوط الخلايا البشرية والأصناف الزراعية. ومع ذلك، تسبب اعتماد كريسبر التقليدي على الكسور المزدوجة في مخاطر جوهرية، شملت إعادة ترتيب الكروموسومات غير المستهدفة والسمية الخلوية.

وفي أكتوبر 2019، كشف فريق بحثي بقيادة David Liu في Broad Institute of MIT and Harvard عن تقنية التحرير الأولي. وقام النظام الأصلي بربط إنزيم Cas9 nickase المعدل هندسياً — الذي يقطع شريطاً واحداً فقط من لولب الحمض النووي المزدوج — بإنزيم النسخ العكسي المعدل. ويتم توجيه هذا البناء بواسطة prime editing guide RNA (pegRNA)، وهو جزيء RNA ممتد لا يحدد فقط التسلسل الجينومي المستهدف، بل يحمل أيضاً تسلسل القالب الذي يحدد التعديل المطلوب. وبمجرد أن يُحدث النيكاز شقاً في الشريط المفرد، يقرأ إنزيم النسخ العكسي قالب pegRNA ويكتب الشفرة الجينية المصححة مباشرة في الحمض النووي.

وسرعان ما سعى علماء النبات إلى تكييف محررات Liu الأولية المحسنة للبشر لاستخدامها في الزراعة. وعملت أقدم محررات التحرير الأولي النباتية، التي أعلنت عنها مؤسسات شملت Chinese Academy of Sciences في عام 2020، بكفاءة مقبولة في الأرز والقمح؛ إذ تتمتع أحاديات الفلقة ببيئات خلوية، وديناميكيات محفزات، وخصائص تجديد أنسجة دعمت ترددات تحرير أولي متواضعة لكنها مجدية، تراوحت عادة بين 5% و20%.

غير أن ذوات الفلقتين أبدت صعوبة ملحوظة؛ إذ تتميز الأنواع عريضة الأوراق ببنية كروماتين مختلفة، وتفضيلات كودونات متباينة، وإنزيمات إصلاح ذاتي مختلفة للحمض النووي. وعند تطبيق المحررات الأولية النباتية المبكرة على أنواع مثل Arabidopsis thaliana والتبغ والطماطم وفول الصويا، استقرت كفاءات التحرير روتينياً عند ما دون 2%، وغالباً تحت 0.1%. ورغم أن تعديلات متخصصة — مثل تحسينات درجة حرارة الانصهار، وأنماط RNA الهيكلية، وتكوينات pegRNA المزدوجة — زادت من الأداء تدريجياً في بيئات المختبر، ظل الوصول إلى نظام موثوق ومتين لمحاصيل ذوات الفلقتين هدفاً بعيد المنال لعلماء الوراثة.

## ردود الفعل

من المتوقع أن يثير تطوير SmartPE اهتماماً واسعاً عبر قطاعات التكنولوجيا الحيوية الزراعية العامة والتجارية، لا سيما بين معاهد البحوث المعنية بمرونة المحاصيل وتطوير البذور.

ولطالما جادل علماء الوراثة النباتية الأكاديميون بأن انعدام التوازن بين أدوات تعديل أحاديات الفلقة وذوات الفلقتين كان يوجه أبحاث النبات الأساسية نحو نماذج الحبوب على حساب بيولوجيا البقوليات ومحاصيل البستنة. ويمنح إدخال أداة مخصصة لذوات الفلقتين الأقسام الجامعية والتحالفات الزراعية الدولية، مثل CGIAR، بروتوكولاً قابلاً للتطبيق في الجينوميات الوظيفية للأنواع المعقدة عريضة الأوراق.

كما يراقب مطورو البذور التجاريون في أمريكا الشمالية وأمريكا الجنوبية وشرق آسيا التحسينات التقنية في التحرير الأولي عن كثب. وخلافاً للجيل الأول من الكائنات المعدلة وراثياً (GMOs) التي تضمنت تسلسلات حمض نووي غريبة من بكتيريا أو فيروسات، غالباً ما تندرج المحاصيل المعدلة أولياً ضمن فئات تنظيمية تعفيها من إجراءات الرقابة المكلفة المفروضة على المحاصيل المنقولة وراثياً. فقد أنشأت الهيئات التنظيمية في بلدان مثل الولايات المتحدة، عبر قاعدة SECURE الصادرة عن Department of Agriculture، والصين، بموجب إرشادات وزارة الزراعة والشؤون الريفية لعام 2022، مسارات تقييم ميسرة للمحاصيل المعدلة جينياً والخالية من مدخلات وراثية غريبة. وتقلل منصة التحرير الأكثر كفاءة من التكلفة والوقت اللازمين لإنتاج سلالات أبوية بمعايير تجارية في ظل هذه الأطر الحديثة.

## ما لا نعرفه بعد

رغم أن الإثبات الأولي لنظام SmartPE يؤكد تحسن الأداء عبر أنسجة الطماطم وفول الصويا وبذور اللفت، إلا أن العديد من المعايير العلمية والتجارية الحاسمة لا تزال غير مؤكدة للعلن. ولا تكشف التقارير المتاحة عن الكفاءات الكمية الدقيقة التي حققها النظام، مما يترك الغموض قائماً حول ما إذا كانت متوسط ترددات التحرير قد وصلت إلى أرقام من خانتين عبر جميع المحاصيل المختبرة أم أنها لا تزال مقتصرة على جينات مستهدفة محددة وسهلة الوصول.

علاوة على ذلك، تتطلب دقة SmartPE على المدى الطويل تدقيقاً مستقلاً. فالتحرير الأولي يتسم عموماً بنشاط منخفض خارج الهدف، لكن الأنظمة ذات مستويات التعبير العالية قد تسبب عن غير قصد تعديلات غير نوعية أو إدراجات عرضية لقوالب نسخ عكسي جزئية في الموقع المستهدف. كما أن البيانات التي تفصل ملف الطفرات غير المستهدفة عبر تسلسل الجينوم الكامل للسلالات المعالجة بنظام SmartPE لم تخضع حتى الآن لمقارنة شاملة مع المعايير الحالية.

والأهم من ذلك، تتطلب التربية العملية للنباتات أن تكون التعديلات الجينية مستقرة وقابلة للتوريث وخالية من آلية التحرير نفسها. ولا توضح التقارير الحالية ما إذا كانت الكفاءات المسجلة قد قِيست في اختبارات البر protoplast العابرة (خلايا معزولة دون جدران) أم في نباتات مجددة ومستقرة وخصبة من الجيلين T1 وT2 تنقل الصفة المعدلة عبر التكاثر التقليدي للبذور.

## ما يجب مراقبته

سيكون المؤشر الرئيسي للمتابعة هو نشر البيانات المحكّمة التي توفر توصيفات جزيئية شاملة لنظام SmartPE، بما في ذلك خرائط البلازميد المفصلة، وجداول تحسين الكودونات، والترددات الدقيقة للطفرات عبر بيئات كروموسومية متنوعة. وستسعى المختبرات الأكاديمية المستقلة إلى تكرار النتائج في أنواع أخرى معقدة من ذوات الفلقتين، مثل البطاطس والقطن والمحاصيل الخشبية المثمرة.

كما ينبغي للمتابعين رصد طلبات التجارب الميدانية المقدمة إلى السلطات الوطنية للسلامة الحيوية. فإذا تحرك المطورون أو الشركاء التجاريون لترجمة هذه التعديلات المعملية إلى سمات زراعية عملية، فستظهر طلبات الإطلاق البيئي في السجلات التنظيمية العامة، خاصة في الصين. وستكشف الملفات التنظيمية عن السمات المحددة التي يوليها الفريق الأولوية، مثل مقاومة تعفن ساق فول الصويا، أو قرون بذور اللفت المقاومة للانفراط، أو إطالة العمر الافتراضي للطماطم.

وأخيراً، سيؤثر إطار الملكية الفكرية المحيط بنظام SmartPE على نشره عالمياً. وبما أن براءات الاختراع التأسيسية للتحرير الأولي تتركز لدى مؤسسات مثل Broad Institute وجامعة Harvard وشركات منبثقة مثل Prime Medicine، فإن مدى كون SmartPE يمثل بنية مستقلة قابلة لتسجيل براءة اختراع، أو اعتماده على اتفاقيات ترخيص متبادلة قائمة، سيحدد مدى سهولة تبني شركات الأعمال الزراعية الغربية لهذه المنصة.

يستند هذا التقرير إلى تغطية أصلية نشرها phys.org.