راهکار مهندسی ژنتیک برای مبارزه با تغییرات اقلیمی

آرماند سگوین، بیش از ۲۰ سال پیش اولین درخت اصلاح ژنتیکی شده خود را که یک صنوبر بود، در ایستگاه پژوهشی در شمال شهر کبک در کانادا کاشت. چند سال بعد، صدها کاج نوئل که درجهت مقاومت دربرابر آفاتی که آن‌ها را می‌کشد، طراحی شده بودند، به این درخت پیوستند. وی گفت: «برای من، این چیزی نبود که بخواهیم مقیاس آن را وسیع‌تر کنیم، اما اثبات مفهوم بود. ثابت کردیم که این کار ممکن است.»

سگوین دانشمند پژوهشگر درزمینه‌ی ژنومیک جنگل با همکاری سازمان جنگل‌داری کانادا، DNA باکتریایی را وارد کاج‌های نوئل کرد که موجب مقاوم شدن آن‌ها در برابر کرم جوانه‌خوار کاج شد. کرم‌های جوانه‌خوار کاج طی یک شیوع می‌توانند برگ‌های سوزنی ده‌ها میلیون هکتار درخت را بجوند.

نهال‌های کاج نوئل اصلاح ژنتیکی شده، اولین درختان تغییر یافته ژنتیکی کانادا بودند که در فضای باز کاشته شدند. آن‌ها در سال ۲۰۰۷ به‌عنوان بخشی از توافق‌نامه پژوهشی سگوین با سازمان جنگل‌داری کانادا عمدا نابود شدند

درحالی‌که درزمینه‌ی مهندسی ژنتیک اختلاف‌نظرهایی وجود دارد، برخی دانشمندان می‌گویند این رویکرد با ایجاد درختانی که دارای رشد سریع‌تری بوده، اندازه‌ی بزرگ‌تری دارند و دربرابر بیماری مقاوم هستند و حتی می‌توانند کربن را به پودر سفید پایداری تبدیل کنند که به زمین می‌ریزد، می‌توانند به مبارزه با تغییرات اقلیمی کمک کنند؛ به‌عبارت‌دیگر، ایجاد درختانی که ازنظر جذب کربن از اتمسفر بهتر باشند. سگوین گفت: «اکنون راه‌حل‌هایی وجود دارد که با استفاده از آن‌ها می‌توانید ارگانیسم‌ها را ازنظر ژنتیکی درجهت کاهش مصرف مواد شیمیایی و بهبود ترسیب کربن اصلاح کنید و این کار نه‌تنها ازطریق بهبود فتوسنتز، بلکه ازطریق مقاوم‌تر کردن آن‌ها دربرابر محیط انجام می‌شود.»

لوسی شارات از شبکه اقدام بیوتکنولوژی کانادا (CBAN) که درزمینه‌ی مسائل مرتبط با مهندسی ژنتیک در غذا و کشاورزی پژوهش، نظارت و اطلاع‌رسانی می‌کند، گفت برخی از نگرانی‌های مرتبط با مهندسی ژنتیک شامل خطرات زیست‌محیطی، ادعاهای مختلف درمورد ایمنی و عدم مشارکت عمومی می‌شوند. او گفت: «مزارع متشکل از درختانی که رشد سریعی دارند، آزمایش بزرگ و خطرناکی است که اکوسیستم‌های جنگل را تهدید خواهد کرد.»

اما چالش اضطراری تغییرات اقلیمی، درختان و جنگل‌ها را به مرکز توجه برای کاهش کربن اتمسفری تبدیل کرده است. در گزارشی که در ماه سپتامبر منتشر شد، بنیاد نوآوری و فناوری اطلاعات آمریکا (ITIF) که راهکارهایی را برای حوزه‌های مختلف نوآوری مانند بیوتکنولوژی ارائه می‌دهد، گفت که اصلاح ژنتیکی درختان به‌عنوان مخازن کربن می‌تواند به کنترل تغییرات اقلیمی کمک کند. وال گیدینگز، متخصص ژنتیک و عضو ارشد بنیاد مذکور گفت: «روش‌های مختلفی وجود که از آن طریق می‌توان جنگل‌ها را به مخزن‌های کربن بهتری تبدیل کرد. اما من به‌عنوان اولین راهکار، ویرایش ژن را پیشنهاد می‌کنم.»

استفاده از درختان برای مبارزه دربرابر تغییرات اقلیمی مبتنی‌بر این ایده است که کاشت درختان بیشتر، فتوسنتز را افزایش می‌دهد. فتوسنتز مکانیسمی است که طی آن گیاهان کربن‌دی‌اکسید را به اکسیژن قابل تنفس تبدیل می‌کنند. کربن به زیست‌توده تبدیل می‌شود (برگ، ساقه و ریشه‌) یا در خاک ذخیره می‌شود و به مخازن طبیعی کربن تبدیل می‌شود. اما کربنی که درختان در خود ذخیره می‌کنند، برای همیشه در آن‌ها نمی‌ماند. آن‌ها می‌توانند ازطریق تنفس آن را به اتمسفر برگردانند و رویدادهایی مانند آتش‌سوزی جنگل و هجوم حشرات موجب می‌شود درختان کربن ذخیره‌شده در بافت‌های خود را حین سوختن یا پوسیدگی آزاد کنند. مخازن کارآمد کربن به اکوسیستم‌های سالم و مقاوم بستگی دارد. به همین علت است که دانشمندانی مانند سگوین و گیدینگز می‌گویند مهندسی ژنتیک گیاهان درجهت مقاومت دربرابر آفات می‌تواند مفید باشد.

گیدینگز گفت ازجمله چالش‌های زیست‌محیطی ناشی‌از گرمایش زمین، این واقعیت است که بسیاری از آفات که معمولا درجریان زمستان از بین می‌روند، اکنون تا بهار زنده می‌مانند. او گفت: «سوسک‌های پوسته‌نشین اکنون قدرت زنده‌مانی بهتری دارند و محدوده‌ی خود را گسترش می‌‌دهند. اگر بتوانید راه‌هایی پیدا کنید تا ژن‌های درختان این جنگل را ویرایش کنید تا دربرابر این آفت مقاومت کنند، مزیت بزرگی خواهد بود.»

براساس گزارشی که سازمان منابع طبیعی کانادا در سال ۲۰۱۸ منتشر کرد، پس از آتش‌سوزی‌ها، شیوع حشرات دومین تأثیر را در مخازن کربن کانادا دارد و می‌تواند یک اکوسیستم را ویران کند. امروزه کانادا درحال مبارزه با شیوع نوعی سوسک پوسته‌نشین است که از دهه‌ی ۱۹۹۰ آغاز شده است. به‌گفته‌ی سازمان مذکور، از آن زمان سوسک کاج کوهی (گونه‌ای از سوسک پوسته‌نشین که در آمریکا و کانادا زندگی می‌کند) بیش از ۱۸ میلیون هکتار جنگل را تحت‌تأثیر قرار داده است. سگوین گفت: «آفاتی مانند سوسک کاج کوهی وجود دارند که در سمت غرب درختان کاج را می‌خورند و همچنین هنگام خشکسالی‌ها جنگل‌ها آتش می‌گیرند. اکنون، ما بیش از همیشه در سازمان جنگل‌داری کانادا کارشناس آتش‌سوزی داریم، زیرا جنگل‌های ما دچار آتش‌سوزی‌های بسیاری می‌شود.»

سوسک‌های کاج کوهی جنگل‌ها را در محدوده‌ی اطراف هینتون در کانادا ویران کرده‌اند. تلاش‌های فعلی برای کنترل شیوع سوسک درجهت ازبین‌بردن و سوزاندن درختان آلوده با برداشت آن‌ها است

آتش‌سوزی‌های جنگل مقادیر عظیمی کربن را به اتمسفر بازمی‌گردانند. در سال ۲۰۱۷ که بزرگ‌ترین فصل آتش‌سوزی ثبت‌شده در بریتیش کلمبیا بود، حدود ۱۹۰ میلیون تن گاز گلخانه‌ای وارد اتمسفر شد که تقریبا سه برابر ردپای کربنی سالانه‌ی این استان است.

در دنیای ترسیب کربن، تمام درختان با هم یکسان نیستند و سن و اندازه‌ی آن‌ها اهمیت دارد. درختان بزرگ‌تر و مسن‌تر ازلحاظ ذخیره کربن بهتر هستند. پژوهش‌ها نشان می‌دهد که درختان بیشتر کربن ذخیره‌شده را در یک چهارم آخر زندگی خود جمع می‌کنند و یک درصد بزرگ‌ترین درختان جهان، مسئول ذخیره کردن ۵۰ درصد از کربن جنگل‌های خود هستند. بااین‌حال، رسیدن به آن نقطه ممکن است صدها یا حتی هزاران سال طول بکشد. گیدینگز گفت ممکن است راه‌حل ژنتیکی برای آن وجود داشته باشد که طی آن درختی که با ویرایش ژن ایجاد می‌شود، بتواند دو برابر سریع‌تر از حالت طبیعی رشد کند و در نصف آن زمان، دو برابر کربن بیشتری ذخیره کند.

اینکه گیاهان را به گونه‌ای تغییر دهیم تا فرایند فتوسنتز دارای بازده کمتر را با فرایند پربازده‌تری عوض کنند یا درختان را مهندسی کنیم که مقداری از کربنی را که جذب می‌کنند به پودر سفید پایداری تبدیل کنند که درخت آن را دوباره وارد اتمسفر نمی‌کند، دو راه‌حل ممکن است که پروفسور چارلز دلیسی از گروه مهندسی زیست‌پزشکی دانشگاه بوستون به آن‌ها اشاره می‌کند. وی درباره تغییرات اقلیمی گفت راه‌حل‌های بیوتکنولوژی برای کاهش کربن، در زمانی‌که بسیاری از اکوسیستم‌های درحال رسیدن به نقاط بحرانی سرازیری خود هستند، فایده‌ای ندارد. دلیسی گفت: «در نقطه‌ای قرار داریم که در مواردی دیگر اهمیتی ندارد که چه کاری انجام می‌دهیم. ما باید کربن را از اتمسفر خارج کنیم.»

مهندسی درختانی که مقداری از کربن خود را به کلسیم کربنات پودرمانندی تبدیل کنند، می‌تواند راهکار ممکنی باشد، زیرا مسیرهای تولید آن کاملا مشخص است. چنین درختی محصول جامدی را تولید می‌کند که نمی‌تواند آزاد شده و وارد اتمسفر شود و روی زمین می‌افتد و می‌تواند به‌عنوان ماده خام برداشت شود. دلیسی گفت: «اگر مرحله‌ی بازیافت را با تبدیل بخشی از کربن به ترکیبی که پایدار است و نمی‌تواند دوباره به اتمسفر برگردد، اصلاح کنیم، تأثیر فوق‌العاده‌ای را شاهد خواهیم بود.»

جنگل‌های کانادا حدود ۹ درصد از کل جنگل‌های جهان را تشکیل می‌دهد. مهندسی ژنتیک می‌تواند آن‌ها را به مخزن‌های کربن بهتری تبدیل کند

گیدینگز گفت پیشرفت‌هایی اخیر درزمینه‌ی فناوری‌های ژنتیکی، ویرایش ژن را سریع‌تر و دقیق‌تر کرده است. بسیاری از راه‌حل‌های ژنتیکی برای تغییرات اقلیمی، استفاده از کریسپر را پیشنهاد می‌کند که قطعه‌های ویژه‌ای از DNA هستند که دانشمندان از آن‌ها به‌عنوان ابزار ویرایش ژن برای اصلاح دقیق ژنوم ارگانیسم بدون وارد کردن مواد ژنتیکی خارجی استفاده می‌کنند.

البته ویرایش‌های دقیق لزوما به پیامدهای دقیق منجر نمی‌شوند. برای مثال CRISPR-Cas9 به‌عنوان فناوری بسیار مفیدی برای ویرایش ژن درنظر گرفته می‌شود اما می‌تواند موجب ایجاد تغییرات ناخواسته در ژن‌های دیگر شود. مطالعه‌ای که اوایل سال جاری منتشر شد، حاکی‌از آن بود که این اثرات ناخواسته خارج از هدف می‌توانند قطعه‌های بزرگی از مواد ژنتیکی را حذف کنند و موجب جهش‌های ژنتیکی کشنده در حیوانات و گیاهان شوند.

در گزارشی که در سال ۲۰۲۰ درباره ویرایش ژنوم در مواد غذایی و کشاورزی منتشر شد، شبکه اقدام بیوتکنولوژی کانادا گفت درحالی‌که مقاله‌های منتشرشده اثبات مفهوم زیادی درمورد دستاوردهای احتمالی ویرایش ژنوم وجود دارد، مطالعاتی که به اثرات زیست‌محیطی احتمالی می‌پردازند، کنار گذاشته می‌شود. شبکه‌ی مذکور اخیرا گفته است که تاکنون هیچ درخت اصلاح ژنتیکی شده برای استفاده در حفاظت از جنگل‌ها در آمریکای شمالی مجوز نگرفته است. البته واریته‌ای از شاه بلوط آمریکایی به نام دارلینگ ۵۸ ممکن است به‌زودی از این قاعده مستثنی شود. پژوهشگران دانشکده علوم زیست‌محیطی و جنگلداری دانشگاه نیویورک درخت مذکور را مهندسی کرده‌اند تا دربرابر بیماری آتشک که بیشتر همتایان این درخت را در آمریکای شمالی از بین برده است، مقاوم باشد.

کانادا قصد دارد تا سال ۲۰۵۰ میزان انتشارات خود را به صفر خالص برساند. برای دانشمندانی نظیر سگوین چشم‌پوشی از کاربردهای سودمند مهندسی ژنتیک، فرصتی از دست رفته است. او می‌گوید: «فکر نمی‌کنم ویرایش ژن کل راه‌حل باشد، اما بخشی از آن است.»