ما هو علم الأحياء الاصطناعي وما أبرز تطبيقاته التي نستفيد منها في حياتنا اليومية؟

يعد علم الأحياء الاصطناعي من أكثر العلوم تطوراً إلى جانب الذكاء الاصطناعي، ومن المتوقع أن تصل قيمة سوق علم الأحياء الاصطناعي إلى 23.98 مليار دولار أميركي بحلول عام 2025، لذا من المهم معرفة ماهية هذا العلم وتطبيقاته المختلفة التي يمكن أن تفيدنا في الحاضر والمستقبل.

تعريف علم الأحياء الاصطناعي

يُدعى أيضاً البيولوجيا التركيبية أو البيولوجيا الاصطناعية أو علم الأحياء التخليقي، وهو مجال ناشئ يجمع بين علم الأحياء والهندسة والتكنولوجيا، ويستخدم العمليات الاصطناعية لتصميم المكونات البيولوجية وتعديلها وتصنيعها.

ويمكن لعلم الأحياء الاصطناعي أن يسهم في تصنيع المكونات البيولوجية المختلفة بدءاً من البروتينات وصولاً إلى الكائنات الحية بأكملها، وذلك عن طريق تعديل الحمض النووي أو تكوينه، وهو الأساس لنشوء وتمايز وفاعلية الكائنات الحية المختلفة من البكتيريا وصولاً للإنسان.

العلوم التي تدخل ضمن علم الأحياء الاصطناعي

يجمع علم الأحياء الاصطناعي مجموعة واسعة من العلوم، ويمكن تلخيص أبرزها بما يلي:

بيولوجيا الأنظمة.
علم الجينوم.
الهندسة الوراثية.
البيولوجيا الجزيئية.
البيولوجيا التطورية.
الكيمياء الحيوية.
التكنولوجيا الحيوية.
الفيزياء الحيوية.
علوم الكمبيوتر.
تكنولوجيا النانو.
المعلوماتية الحيوية.
التعلم الآلي.
الذكاء الاصطناعي.

أهم تطبيقات علم الأحياء الاصطناعي

يمكن تلخيص أبرز تطبيقات علم الأحياء الاصطناعي بما يلي:

1. إنتاج حرير العنكبوت الصناعي

يتميز حرير العنكبوت بقوته ومرونته وقابليته للتحلل الحيوي، وهذه الصفات تجعل منه مادة مثالية لصناعة المواد التالية:

المنسوجات.
الأجهزة الطبية.
العدسات الفائقة نتيجة شفافية حرير العنكبوت.
الخيوط الطبية القابلة للتحلل بالجسم.
الملابس الرياضية.
العضلات الاصطناعية.
قوالب زراعة الأنسجة.
أنظمة توصيل الأدوية.

لكن عادةً تكون عملية حصاد حرير العنكبوت مباشرة من العناكب مجهدة عادةً، وتستغرق وقتاً طويلاً ومردودها قليل، ما دفع العلماء إلى البحث عن طرق بديلة من خلال تقنيات الهندسة الوراثية والهندسة الحيوية، حيث يتم إدخال الجين المعبِّر (المُنتِج) عن بروتين حرير العنكبوت في جينوم البكتيريا أو الخميرة.

2. صناعة أجهزة الاستشعار الحيوية

وهي أجهزة تجمع بين الأجزاء البيولوجية والتكنولوجية الإلكترونية، وتضم الأجزاء البيولوجية ما يلي:

الإنزيمات.
الأجسام المضادة.
الحمض النووي.
الكائنات الحية الدقيقة.
مستقبلات الخلايا والأنسجة.

ويمكن لأجهزة الاستشعار الحيوية تحويل التفاعلات الكيميائية الحيوية إلى إشارات كمية قابلة للقياس ويمكن التعامل معها كبيانات كمية، وتظهر هذه الإشارات مثل درجة شدة لون أو تألق أو تغير لون معين، وتمتاز هذه الأجهزة بحساسيتها العالية وتكلفتها المنخفضة، وكفاءتها العالية بالكشف عن وجود كميات دقيقة من المواد المراد الكشف عنها، ولأجهزة الاستشعار الحيوية تطبيقات واسعة في مجال البحوث الطبية الحيوية والرصد البيئي وسلامة الأغذية وتشخيص الأمراض، ويعد مقياس السكر الذي يستخدمه مرضى السكري لقياس مستويات السكر في الدم لديهم، واختبار الحمل المنزلي وغيرها، من أجهزة الاستشعار الحيوية.

3. صناعة الوقود الحيوي

أطلق مؤخراً رئيس الوزراء الهندي مودي، التحالف العالمي للوقود الحيوي في قمة مجموعة العشرين عام 2023، ويهدف هذا التحالف إلى تعزيز تصنيع الوقود الحيوي المستدام وتقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري، ويؤدي علم الأحياء الاصطناعي دوراً أساسياً في إنتاج الوقود الحيوي لتلبية احتياجات العالم من الطاقة والحفاظ على البيئة بالوقت ذاته، إذ يمكن للبكتيريا والخميرة المحورة وراثياً إنتاج أشكال الوقود الحيوي المختلفة مثل:

الإيثانول.
الديزل الحيوي.
وقود الطائرات الحيوي.
الغاز الحيوي.

ويمكن تأمين حاجة المنزل من الوقود الحيوي من خلال صناعة مخمِّر بسيط تتم تغذيته من النفايات العضوية الموجودة بالمنزل، وهناك العديد من الطرق والأساليب لصناعة هذه المخمرات موجودة عبر الإنترنت.

4. إنتاج هرمون الإنسولين عن طريق البكتيريا المعدلة وراثياً

الإنسولين هرمون ينتجه الإنسان بشكلٍ طبيعي لضبط مستوى السكر في الدم، ويعاني مرضى السكري من النمط الأول من خلل في تصنيع الإنسولين أو نقص في كميته، لذا يحتاج العديد من مرضى السكري إلى لإنسولين، ويمكن تصنيعه عن طريق إدخال الجين المسؤول عن تصنيع الإنسولين البشري في البكتيريا لتوفير الحاجة المتزايدة والمتسارعة لهذا الهرمون العلاجي حول العالم.

بعد إنتاج الإنسولين تتم تنقيته وتعبئته في عبوات دوائية مخصصة ليتم حقنه لمرضى السكري، بينما في السابق كان يُجمع الإنسولين الدوائي من بنكرياس الأبقار والمواشي إلى أن تم إنتاجه من البكتيريا عام 1978.

5. صناعة اللحوم مخبرياً

يمكن أن تسهم اللحوم المستزرعة مخبرياً في حل مشكلة الأمن الغذائي العالمي وتوفير اللحوم على نطاقٍ واسع، حيث تحتاج اللحوم المستزرعة مخبرياً إلى مساحة أقل بكثير من المراعي وتستهلك كمية أقل من المياه، ويكون التلوث الناجم عنها قليلاً مقارنة بإنتاج اللحوم التقليدي، فإنتاج لحوم البقر التقليدي ينتج الكثير من غازات الدفيئة مثل غاز الميثان وثاني أوكسيد الكربون وأوكسيد النيتروز التي تفاقم ظاهرة الاحتباس الحراري.

لكن من أبرز الصعوبات التي تواجه إنتاج اللحوم المستزرعة الكلفة الكبيرة لموادها الأولية وعدم القدرة على زيادة الإنتاج بحجم يغطي حاجة السوق العالمي.

6. تقنية كريسبر

تعد تقنية كريسبر إلى جانب تفاعل البوليمراز المتسلسل أهم تقنيتين في علم الأحياء الاصطناعي، إذ يمكن لتقنية كريسبر أن تعدّل الجينات وتحذف أو تضيف أجزاءً من الحمض النووي إليها بدقة بالغة، وتفيد هذه التقنية بالمجالات كافة من الرعاية الصحية وصولاً إلى الزراعة.

ووفقاً لبحث الدكتور مجدي محفوظ، الأستاذ في جامعة كاوست السعودية، والمنشور في دورية الجمعية الأميركية للكيمياء 2023، يمكن لتقنية كريسبر المساهمة بشكلٍ محوري في مجال التشخيص الجزيئي عن طريق تصميم عدة اختبارات قادرة على كشف الأمراض المعدية بسرعة ودقة عالية، ومنها كوفيد-19 وغيره من الأمراض، في المنزل دون الحاجة إلى إجراء اختبارات طويلة ومكلفة في المشافي، ما يخفف العبء على القطاع الصحي ويسهم في التشخيص المبكر وإنقاذ الأرواح.