الهندسة الأيضية

الهندسة الأيضية هي ممارسة تحسين العمليات الوراثية والتنظيمية داخل الخلايا لزيادة إنتاج الخلية لمادة معينة. هذه العمليات هي شبكات كيميائية تستخدم سلسلة من التفاعلات الكيميائية الحيوية والإنزيمات التي تسمح للخلايا بتحويل المواد الخام إلى جزيئات ضرورية لبقاء الخلية. تسعى الهندسة الأيضية على وجه التحديد إلى نمذجة هذه الشبكات رياضياً، وحساب عائد المنتجات المفيدة، وتحديد أجزاء الشبكة التي تقيد إنتاج هذه المنتجات.Yang, Y.T., Bennet, G. N., San, K.Y., (1998) Genetic and Metabolic Engineering, Electronic Journal of Biotechnology,  يمكن بعد ذلك استخدام تقنيات الهندسة الوراثية لتعديل الشبكة من أجل تخفيف هذه القيود. مرة أخرى، يمكن نمذجة هذه الشبكة المعدلة لحساب عائد المنتج الجديد.

الهدف النهائي للهندسة الأيضية هو القدرة على استخدام هذه الكائنات لإنتاج مواد قيمة على نطاق صناعي وبطريقة فعالة من حيث التكلفة. تشمل الأمثلة الحالية إنتاج البيرة، والنبيذ، والجبن، والأدوية، ومنتجات التقانة الحيوية الأخرى. مجال آخر محتمل للاستخدام هو تطوير محاصيل زيتية تم تعديل تركيبها لتحسين قيمتها الغذائية. بعض الاستراتيجيات الشائعة المستخدمة في الهندسة الأيضية هي / الإفراط في التعبير عن الجين المشفر للإنزيم المحدد لمعدل التفاعل في المسار الاصطناعي الحيوي، / حظر المسارات الأيضية المنافسة، / التعبير عن الجين الغريب، و /هندسة الإنزيمات.Kulkarni R, 2016. Metabolic Engineering: Biological Art of Producing Useful Chemicals. Resonance, 21 (3), 233–237. 

نظرًا لأن الخلايا تستخدم هذه الشبكات الأيضية لبقائها، فإن التغييرات يمكن أن يكون لها آثار جذرية على قابلية الخلية للبقاء. لذلك، تنشأ المقايضات في الهندسة الأيضية بين قدرة الخلايا على إنتاج المادة المرغوبة واحتياجات بقائها الطبيعية. لذلك، بدلاً من حذف و/أو الإفراط في التعبير عن الجينات التي ترمز للإنزيمات الأيضية بشكل مباشر، فإن التركيز الحالي هو استهداف الشبكات التنظيمية في الخلية بهندسة الأيض بكفاءة.

 التاريخ والتطبيقات 
يمين|تصغير|135px|يمكن تحسين الأيض الخلوي للاستخدام الصناعي.

لزيادة إنتاجية مستقلب مرغوب، تم تعديل كائن دقيق وراثيًا عن طريق طفرة مستحثة كيميائيًا، ثم تم اختيار السلالة الطافرة التي أفرطت في إنتاج المستقلب المرغوب.Voit,Eberhard.,Torres,Nestor V.(2002)." Pathways Analysis and Optimization in Metabolic Engineering." Cambridge:University Press,p.ix-x ومع ذلك، كانت إحدى المشاكل الرئيسية في هذه التقنية هي أن المسار الأيضي لإنتاج ذلك المستقلب لم يتم تحليله، ونتيجة لذلك، كانت القيود المفروضة على الإنتاج والإنزيمات ذات الصلة بالمسار التي يجب تعديلها غير معروفة.

في تسعينيات القرن العشرين، ظهرت تقنية جديدة تسمى الهندسة الأيضية. تقوم هذه التقنية بتحليل المسار الأيضي للكائن الدقيق، وتحدد القيود وتأثيراتها على إنتاج المركبات المرغوبة. ثم تستخدم الهندسة الوراثية لتخفيف هذه القيود. فيما يلي بعض الأمثلة على النجاح في الهندسة الأيضية: (i) تحديد القيود على إنتاج اللايسين في ملبنة غلوتامية وإدخال جينات جديدة لتخفيف هذه القيود لتحسين الإنتاج (ii) هندسة مسار جديد لاصطناع الأحماض الدهنية، يسمى مسار أكسدة بيتا العكسي، وهو أكثر كفاءة من المسار الأصلي في إنتاج الأحماض الدهنية والكحوليات التي يمكن تحفيزيًا تحويلها إلى مواد كيميائية ووقود. (iii) تحسين إنتاج دي اي اتش بي ، وهو مستقلب عطري تنتجه الإشريكية القولونية وهو وسيط في إنتاج الأحماض الأمينية العطرية. تم تحديده من خلال تحليل الجريان الأيضي أن العائد النظري الأقصى لـ دي اي اتش بي لكل جزيئة جلوكوز مستخدمة، كان 3/7. وذلك لأن جزءًا من الكربون من الجلوكوز يفقد كثاني أكسيد الكربون، بدلاً من استخدامه لإنتاج دي اي اتش بي . أيضًا، أحد المستقلبات بي إي بي ، أو فوسفوانول البيروفا) الذي يستخدم في إنتاج دي اي اتش بي ، كان يتحول إلى البيروفات بي يو ار لنقل الجلوكوز إلى الخلية، وبالتالي لم يعد متاحًا لإنتاج دي اي اتش بي. من أجل تخفيف نقص بي إي بي وزيادة العائد، استخدم باتنايك وزملاؤه الهندسة الوراثية على الإشريكية القولونية لإدخال تفاعل يحول بي يو ار مرة أخرى إلى بي إي بي. وبالتالي، يتم تجديد بي إي بي المستخدم لنقل الجلوكوز إلى الخلية، ويمكن استخدامه لصنع دي اي اتش بي. أدى هذا إلى تحقيق عائد نظري أقصى جديد يبلغ 6/7 - أي ضعف نظام الإشريكية القولونية الأصلي.

على النطاق الصناعي، أصبحت الهندسة الأيضية أكثر ملاءمة وفعالية من حيث التكلفة. وفقًا لمنظمة صناعة التقانة الحيوية، "يتم حاليًا بناء أكثر من 50 منشأة لمصافي حيوية في جميع أنحاء أمريكا الشمالية لتطبيق الهندسة الأيضية لإنتاج الوقود الحيوي والمواد الكيميائية من الكتلة الحيوية المتجددة والتي يمكن أن تساعد في تقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري". تشمل أنواع الوقود الحيوي المحتملة الكحوليات والألكانات قصيرة السلسلة (لتحل محل البنزين)، وإسترات الأحماض الدهنية الميثيلية والكحوليات الدهنية (لتحل محل الديزل)، والوقود الحيوي القائم على الأحماض الدهنية والأيزوبرينويد (لتحل محل الديزل).

تستمر الهندسة الأيضية في التطور في الكفاءة والعمليات بفضل الاكتشافات في مجال البيولوجيا الاصطناعية والتقدم في فهم تلف المستقلبات وإصلاحها أو تلافيها. أظهرت تجارب الهندسة الأيضية المبكرة أن تراكم الوسائط التفاعلية يمكن أن يحد من التدفق في المسارات المهندسة وأن يكون ضارًا للخلايا المضيفة إذا كانت أنظمة التحكم في التلف المطابقة مفقودة أو غير كافية. يحسن الباحثون في البيولوجيا الاصطناعية المسارات الوراثية، والتي بدورها تؤثر على المخرجات الأيضية الخلوية. أدى الانخفاض الأخير في تكلفة تخليق الحمض النووي والتطورات في الدوائر الوراثية إلى التأثير على قدرة الهندسة الأيضية على إنتاج المخرجات المرغوبة.

 انظر أيضًا 

مفاعل حيوي

هندسة وراثية

 المراجع 

تصنيف:تقانة حيوية
تصنيف:هندسة وراثية
تصنيف:كيمياء حيوية
تصنيف:علم الأحياء الدقيقة
تصنيف:علم الوراثة
تصنيف:هندسة كيميائية