کاربرد مهم بعدی RNA: مبارزه با آفات کشاورزی

از بین تمام قارچ‌های موجود، کپک‌ خاکستری (Botrytis cinerea) یکی از قارچ‌هایی است که خواب را از چشم کشاورزان گرفته است. این قارچ‌ ناخوشایند اشتهای سیری‌ناپذیری دارد و صدها گونه از گیاهان را می‌خورد؛ اگرچه میوه‌های نرمی مانند انگور غذای موردعلاقه‌ی آن هستند و هر چیزی را که می‌خورد، با لایه مخملی از کپک می‌پوشاند.

اگر تابه‌حال ظرف توت‌فرنگی را برای مدت نسبتا طولانی در یخچال رها کرده‌اید و بعدا به‌سراغ آن‌ رفته‌اید و متوجه شده‌اید که توت‌فرنگی‌ها به رنگ سبز خاکستری درآمده‌اند، احتمالا یکی از اسپورهای بوتریتیس معلق در هوا روی آن خانه کرده است.

غذای کپک‌زده مطمئنا ناخوشایند است؛ اما بوتریتیس برای صنعت موادغذایی مشکل بزرگی است. این گونه قارچ هر سال حداقل ۱۰ میلیارد دلار به محصولات کشاورزی آسیب وارد می‌کند و طبق برخی از برآوردها، خسارت ناشی از آن به ۱۰۰ میلیارد دلار می‌رسد.

قارچ مذکور به‌قدری دردسرساز است که کارشناسان آسیب‌شناسی گیاهی آن را به‌عنوان دومین پاتوژن قارچی مهمی ذکر کرده‌اند که گیاهان را آلوده می‌کند. ناگفته نماند مقام اول را قارچ Magnaporthe oryzae دارد که عامل بیماری بلاست برنج است و مزارع برنج سراسر جهان را ویران می‌کند.

مارک سینگلتون، رئیس بخش سلامت گیاهان و حیوانات در استارتاپ GreenLight Biosciences، بوتریتیس را فاجعه‌ی بزرگی می‌خواند. این استارتاپ روی نسل جدیدی از اسپری‌ها برای دفاع دربرابر بوتریتیس و آفات دیگری کار می‌کند که کشاورزان را به‌ستوه آورده‌اند.

مضرات قارچ‌کش‌ها و آفت‌کش‌های موجود به‌خوبی شناخته شده‌اند: بقایای آن‌ها می‌تواند در محیط جمع شود و به ارگانیسم‌های غیرهدف آسیب برساند؛ درحالی‌که استفاده بیش‌ازحد از آن‌ها می‌تواند موجب مقاومت آفات و علف‌های هرز شود.

سینگلتون در حال کار روی روشی برای حل این مشکلات است. نقطه‌ی شروع او RNA است؛ مولکولی شبیه به DNA که یکی از اجزای اساسی سازنده حیات است. نسل جدید آفت‌کش‌ها مبتنی‌بر ترفندی سلولی است که قدمت آن به بیش از یک‌میلیاد سال پیش برمی‌گردد؛ یعنی حداقل از زمان آخرین جد مشترک حیوانات، گیاهان، قارچ‌ها و آغازیان.

در مقطعی از زمان (دقیقا مطمئن نیستیم چه زمانی)، سلول‌ها توانایی خرد‌کردن و تخریب مواد ژنتیکی عوامل بیماری‌زای مهاجم مانند ویروس‌ها را به‌دست آوردند. وقتی سلولی وجود RNA دورشته‌ای (dsRNA) را تشخیص می‌دهد (قطعه‌ای از کد ژنتیکی که ویروس‌ها از آن برای تکثیر خود استفاده می‌کنند)، dsRNA را به قطعات کوچکی می‌شکند.

این تکه‌های dsRNA مانند «پوستر تحت تعقیب» عمل می‌کنند. مولکول‌های موجود در سلول آن‌ها را می‌گیرند و از آن‌ها برای پیداکردن بخش‌های مکمل RNA پیام‌رسان (mRNA) استفاده می‌کنند. RNA پیام‌رسان مولکولی است که سلول از آن برای تبدیل دستورالعمل‌های ژنتیکی به پروتئین استفاده می‌کند. اگر مولکول‌های شریر قبل از تبدیل‌شدن به پروتئین خرد شوند، سلول تهاجم موفقی را آغاز کرده است.

کشف فرایند یادشده که تداخل RNA یا RNAi نامیده می‌شود، موجب شد دو دانشمند کاشف آن در سال ۲۰۰۶ جایزه نوبل رشته‌ی فیزیولوژی یا پزشکی را دریافت کنند. همچنین، این کشف موجب تلاش برای ساخت ابزارهای جدیدی براساس آن شد.

دانشمندان به‌زودی متوجه شدند که اگر بتوانند dsRNA را به عامل بیماری‌زای مزاحم وارد کنند (برای مثال یک قارچ آزاردهنده)، می‌توانند به سلول‌های پاتوژن دستور دهند تا mRNA خود را تخریب کند و مانع از ساخت پروتئین‌های حیاتی شود. در اصل، دانشمندان می‌توانند ژن‌های موجود در پاتوژن‌ها را به‌دلخواه خاموش کنند. مایکل هلمستتر، رئیس استارتاپ RNAissance Ag می‌گوید: «فقط به آنجا می‌رویم و به ارکسترای ژن‌ها و پروتئین‌ها نگاه و ویولن‌ها را خاموش می‌کنیم. تمام کاری که انجام می‌دهیم، همین است.»

چندین اسپری مبتنی‌بر RNA نیز برای دفع آفات کشاورزی در حال تولید است. استارتاپ RNAissance Ag در تلاش است اسپری‌های RNA مخصوص دفع آفات را به بازار عرضه کند؛ ازجمله نوعی اسپری که شب‌پره‌ی پشت‌الماسی را هدف قرار می‌دهد. آفت مذکور اشتهای سیری‌ناپذیری برای خوردن کلم دارد و دربرابر آفت‌کش‌های رایج مقاوم شده است.

شرکت GreenLight Biosciences اسپری RNAیی دارد که سوسک سیب‌زمینی کلرادو را هدف قرار می‌دهد که سازمان حفاظت از محیط‌زیست ایالات متحده‌ی آمریکا در حال ارزیابی آن است. این شرکت پیش‌بینی می‌کند که تا اواسط سال ۲۰۲۲ درباره‌ی اسپری تصمیم‌گیری شود. همچنین، شرکت مذکور در حال کار روی نوعی اسپری‌ برای مبارزه با بوتریتیس و نیز اسپری‌ای که با کنه واروا مبارزه می‌کند. کنه واروا آفت شایعی است که زنبورهای عسل را آلوده می‌کند.

پس از کارآزمایی‌های آزمایشگاهی اولیه، GreenLight در حال آزمایش میدانی اسپری بوتریتیس خود روی انگور در کالیفرنیا و توت‌فرنگی در ایتالیا است. آن‌ها می‌خواهند متوجه شوند اسپری تا چه مدت روی گیاهان می‌ماند و عملکرد آن درمقایسه‌با قارچ‌کش‌های شیمیایی چگونه است.

اسپری‌های RNA مخصوص مبارزه با آفات درمقایسه‌با آفت‌کش‌های مبتنی‌بر مواد شیمیایی مزیت‌های عمده‌ای می‌توانند داشته باشد. میکروب‌ها طی چند روز RNA را درون خاک تجزیه می‌کنند که مشکل تجمع محیطی را کاهش می‌دهد. علاوه‌بر‌این، ازآنجاکه اسپری‌های RNA ژن‌های خاص هرگونه را هدف قرار می‌دهند (حداقل ازنظر تئوری)، احتمال بسیار کمتری وجود دارد که ارگانیسم‌های دیگر تحت‌تأثیر آن قرار گیرند.

کلوویس ان‌تی تنینگ پژوهشگری است که در دانشگاه خنت بلژیک به مطالعه آفت‌کش‌های RNAi مشغول است. وی می‌گوید حتی دو گونه‌ی بسیار مشابه تفاوت‌های ژنتیکی کافی دارند که بتوان اسپری‌های RNAیی را ساخت که آفت را هدف قرار دهند و کاری به گونه‌ی مشابه نداشته باشند. ساخت اسپری‌های RNA دفع آفات راه‌های میان‌بری نیز برای تولید آفت‌کش‌های جدید باز می‌کند. انجام این کار به روش‌های سنتی معمولا حداقل یک دهه طول می‌کشد و به صدهامیلیون دلار هزینه نیاز دارد.

تبدیل آفت‌کش‌های موجود به آفت‌کش جدید بسیار دشوار است؛ چرا‌که با تغییری کوچک نمی‌توانید انتظار نتیجه‌ی خارق‌العاده‌ای داشته باشید و آزمایش و تأیید آفت‌کش جدید بسیار زمان‌بر است. در اسپری‌های RNA، کل این دینامیک متحول می‌شود. هر اسپری جدید ژن (ترکیب ژنی) متفاوتی را در آفت هدف قرار می‌دهد که سازندگان آن می‌خواهند از شرّ آن خلاص شوند. هر اسپری ممکن است با ژن‌هایی تداخل داشته باشد که تقسیم سلولی قارچ را کنترل می‌کنند؛ درحالی‌که دیگری ممکن است ژن‌هایی را هدف قرار دهد که به قارچ در تولید توکسین‌ها کمک می‌کنند.

استارتاپ RNAissance Ag مشغول کار روی نوعی اسپری‌ است که سیستم ایمنی شب‌پره‌های پشت الماسی را دچار اختلال می‌کند و آن‌ها را دربرابر نوعی باکتری‌ که این حشرات در حالت معمول ازنظر مبارزه با آن مشکلی ندارند، آسیب‌پذیر می‌کند.

ازآنجاکه تولید dsRNA جدیدی که ژن خاصی را هدف قرار دهد، نسبتا آسان است، درصورتی‌که آفات دربرابر برخی حالت‌های عمل مقاوم شوند، دانشمندان می‌توانند به آزمایشگاه برگردند و فرمولاسیون اسپری را تغییر دهند. البته اسپری جدید هنوز باید آزمایش شود و تأییدیه بگیرد؛ اما روش بسته‌بندی و تحویل dsRNA تغییری نخواهد کرد و فقط اطلاعات ژنتیکی اصلاح می‌شود.

البته ناشناخته‌ی بزرگی در زمینه‌‌ی این رویکرد وجود دارد که می‌تواند امید برای اسپری‌های RNA را از بین برد. اسپری‌های RNA تا زمانی که آفات مولکول‌ها را جذب می‌کنند، باید مؤثر باشند؛ اما اگر آفات در‌برابر خود dsRNA مقاوم شوند، چه اتفاقی می‌افتد؟ مارک بلمونته، استاد زیست‌شناسی گیاهی در دانشگاه منیتوبا در کانادا می‌گوید:

این مسئله بسیار نگران‌کننده است. درحال‌حاضر، حداقل در شرایط آزمایشگاهی می‌بینیم که وقتی RNA دو رشته‌ای می‌سازید که آفتی را هدف قرار می‌دهد، می‌توانید به‌طور مصنوعی کاری کنید که حشره دربرابر فناوری dsRNA مقاومت حاصل کند.

دانشمندان چگونه این موضوع را کشف کردند؟ پژوهشگرانی به سرپرستی سواتی میشرا در دانشگاه تنسی چندین نسل از سوسک‌های سیب‌زمینی کلرادو را درمعرض سطوح بالایی از آفت‌کش dsRNA قرار دادند. پس از هربار مواجهه، دانشمندان بازماندگان را جدا کردند و اجازه دادند تا با یکدیگر تولیدمثل کنند و نسل جدیدی از سوسک‌ها را با مقاومت بیشتر دربرابر dsRNA ایجاد کنند.

سینگلتون موافق است که مقاومت همیشه یکی از نگرانی‌ها است. او می‌گوید:

این موضوع اجتناب‌ناپذیر است؛ اما هر کاری که بتوانیم انجام خواهیم داد تا اطمینان حاصل کنیم که کشاورزان از محصولات به‌گونه‌ای استفاده می‌کنند که خطر به حداقل برسد.

ممکن است به کشاورزان گفته شود که dsRNA را فقط در زمان‌های خاصی از سال استفاده کنند و ازآنجاکه RNA در محیط به سرعت تجزیه می‌شود، احتمال کمتری وجود دارد که آفات به‌اندازه‌ی کافی درمعرض آن قرار گیرند تا مقاوم شوند. هلمستتر اضافه می‌کند که اسپری‌های RNA احتمالا با آفت‌کش‌های موجود مخلوط می‌شوند تا آفات از چند جنبه هدف قرار گیرند. این رویکرد تعداد مواد شیمیایی استفاده‌شده را کاهش می‌دهد؛ اما جایگزین کاملی برای آن‌ها نیست.

تنینگ هشدار می‌دهد که مردم و سیاست‌مداران (خصوصا در اروپا) سابقه‌ی سخت‌گیرانه‌ای در زمینه‌ی فناوری‌های جدید کشاورزی دارند. در اواسط دهه‌ی ۱۹۹۰، گوجه‌فرنگی‌های GMO (اصلاح‌شده‌ی ژنتیکی) برای اولین‌بار در بریتانیا عرضه شد. برای چند سال اول، ظاهرا همه‌چیز خوب پیش می‌رفت تا اینکه چندین پژوهش علمی مشکوک درباره‌ی ایمنی غذاهای GMO طوفان رسانه‌ای به‌راه انداخت. از آن زمان، هیچ غذای GMO در بریتانیا فروخته نشده است.

پس از خروج بریتانیا از اتحادیه‌ی اروپا، دولت بریتانیا گفت می‌خواهد قوانین مرتبط با غذاهای ویرایش‌ژن‌شده را کاهش دهد؛ اما حاصل آن فقط هشداری جدی بود که نشان می‌داد مردم درباره‌ی نحوه‌ی پرورش غذایی که به دهان خود می‌برند، به‌شدت حساس هستند. البته از این نظر تأثیر dsRNA ممکن است نسبتا کم باشد. هم سینگلتون و هم هلمستتر می‌گویند اسپری‌های RNA به‌طورکلی جایگزین آفت‌کش‌های دیگر نمی‌شود؛ بلکه فقط ابزار دیگری برای مبارزه با آفات است که درکنار ابزار دیگر استفاده می‌شود.

اسپری‌های RNA ممکن است به‌ویژه برای زمان‌های خاصی از سال مفید باشند. سازمان حفاظت از محیط‌زیست آمریکا محدودیت‌های سختی در زمینه‌ی سطح آفت‌کش‌ها در غذاها تعیین کرده است. این امر مانع از استفاده از اسپری‌های خاصی نزدیک زمان برداشت می‌شود؛ اما به‌علت اینکه RNA در محیط به‌سرعت تخریب می‌شود، زمان‌بندی ممکن است مشکل‌ساز نباشد. سینگلتون می‌گوید تمرکز زیادی روی کاربردهای نزدیک برداشت وجود خواهد داشت. این یکی از مزیت‌های واقعی محصول مبتنی‌بر RNA است.

اسپری‌های RNA به‌تنهایی کشاورزان را از شرّ بوتریتیس نجات نمی‌دهند؛ اما ممکن است به کاهش وابستگی ما به آفت‌کش‌های دیگر کمک کنند. به‌گفته‌ی تنینگ، باید از همه‌ی ابزارهایی که بتوانند به شما در کنترل آفات کمک کنند، استفاده کنید؛ زیرا اگر فقط از یک روش استفاده کنید، نتیجه‌ای نمی‌گیرید.