نقلة نوعية مصرية في الرصد البيئي والزراعة الذكية: جين جديد يضيء طريق اكتشاف النيتروجين الحيوي

شبكة بيئة ابوظبي، د. طارق قابيل (*)، القاهرة، جمهورية مصر العربية، 04 يوليو 2025

لطالما اعتمد العلماء على التحاليل الكيميائية التقليدية لقياس مستويات النيتروجين، وهي عمليات غالبًا ما تكون بطيئة ومكلفة ومعقدة. فماذا لو تمكنا من تطوير “رقيب حيوي” ذكي، يخبرنا في الوقت الفعلي عن وجود هذا التلوث؟ هذا الخيال العلمي أصبح حقيقة ملموسة بفضل دراسة علمية رائدة قادها فريق من الباحثين المصريين في إنجاز علمي غير مسبوق، حيث أعلن فريق بحثي مصري من معهد الهندسة الوراثية والتكنولوجيا الحيوية بمدينة الأبحاث العلمية والتطبيقات التكنولوجية (SRTA-City) ببرج العرب في الإسكندرية عن اكتشاف جين جديد يمثل طفرة حقيقية في مجال الاستشعار البيولوجي والتحكم في النيتروجين الحيوي، حيث يتميز الجين بقدرة فريدة على الكشف عن جميع أشكال النيتروجين، العضوية وغير العضوية، في البيئة، وذلك باستخدام تقنية الإضاءة الحيوية المهندسة وراثيًا.

نجح هذا الفريق في تطوير “مستشعر حيوي مضيء” فريد من نوعه، يعد بقلب موازين الرصد البيئي رأسًا على عقب، ويأتي هذا الإنجاز ليؤكد على الدور المتنامي للعلماء المصريين في دفع عجلة الابتكار العلمي على المستوى العالمي، ويقدم حلولًا عملية لمشكلات بيئية وزراعية ملحة. ويغوص هذا التقرير في تفاصيل الإنجاز العلمي الذي تمثل في تطوير سلالة بكتيرية مهندسة وراثيًا، قادرة على الكشف عن النيتروجين بكفاءة وحساسية فائقة، مع تسليط الضوء على الآليات الجزيئية المعقدة التي تجعل هذا الابتكار المصري ممكنًا.

إنجاز يغير قواعد اللعبة
في عالم يواجه تحديات بيئية متزايدة، يمثل تلوث النيتروجين أحد أخطر التهديدات الصامتة. إن النيتروجين المتاح حيويًا (Bioavailable Nitrogen) – بأشكاله المختلفة مثل النترات (NO₃⁻) والأمونيوم (NH₄⁺) – هو سيف ذو حدين. فمن ناحية، هو عنصر أساسي للحياة، يدعم خصوبة التربة ونمو المحاصيل. ومن ناحية أخرى، يمكن أن يؤدي فائضه، الناتج عن مياه الصرف الصحي غير المعالجة والإفراط في استخدام الأسمدة، إلى كوارث بيئية مثل ظاهرة الإثراء الغذائي (Eutrophication) التي تخنق الأنهار والبحيرات وتؤدي إلى تكاثر الطحالب الضارة.

لقد أثبت الفريق البحثي المصري من مدينة الأبحاث العلمية والتطبيقات التكنولوجية ببرج العرب، بقيادة الأستاذ الدكتور دسوقي عبدالحليم والأستاذ الدكتور جاد الله أبو الريش، أن الابتكار العلمي لا يعرف حدودًا بعداكتشاف الجين (nasR2) وتوظيفه في تطوير كاشف حيوي ذكي للنيتروجين الحيوي يمثل سابقة عالمية، ويضع مصر في طليعة الدول الرائدة في مجال التكنولوجيا الحيوية. هذا الجين الفريد، بقدرته على الكشف الشامل عن أشكال النيتروجين المتعددة، وحساسيته الفائقة، وثباته في ظروف بيئية متنوعة، يعد أداة قوية يمكن أن تحدث تحولًا جذريًا في كيفية إدارة الموارد النيتروجينية ومعالجة التلوث البيئي.

تفاصيل الاكتشاف وآفاقه المستقبلية
لطالما كان النيتروجين عنصرًا حيويًا لا غنى عنه في الأنظمة البيئية والزراعية، لكن تحديد كمياته وأشكاله المتاحة بيولوجيًا بدقة كان يمثل تحديًا كبيرًا. الأساليب التقليدية غالبًا ما تكون معقدة، مكلفة، وتتطلب معدات مختبرية متخصصة. هنا تبرز أهمية هذا الاكتشاف المصري الرائد، حيث يقدم الجين (nasR2) حلاً مبتكرًا وفعالًا لهذه التحديات.

كشفت الدراسة التفصيلية، التي أشرف عليها الباحثان المصريان ونُشرت في مجلة Discover Sensors المرموقة الصادرة عن مؤسسة Springer Nature العالمية في الأول من يوليو 2025، عن خصائص فريدة لهذا الجين الجديد. يمتلك الجين عناصر تنظيمية متداخلة. هذه المواقع التنظيمية تشير إلى تكامل فريد بين استشعار النيتروجين والتكيف مع الإجهاد والظروف اللاهوائية. كما تم تحديد مواقع فسفرة عند السيرين (Serine) 49 و75، والتي يُحتمل أن تعزز من استقرار ووظيفة البروتين المشفر بواسطة الجين المكتشف.

في قلب هذا الابتكار تقف بكتيريا شائعة تُعرف باسم كليبسيلا أوكسيتوكا (Klebsiella oxytoca). اختار فريق البحث المصري، هذه البكتيريا كنقطة انطلاق وقاموا بتعديلها وراثيًا ببراعة لتصبح أداة استشعار متطورة. أطلقوا على السلالة الجديدة اسم (W6-nasR2.).

الفكرة الأساسية بسيطة في مفهومها وعميقة في تنفيذها: جعل البكتيريا تتوهج استجابةً لوجود النيتروجين. لتحقيق ذلك، قام العالمان المصريان بربط جزأين جينيين رئيسيين معًا:

1. المفتاح الجيني المُحفِّز (Promoter): تم استخدام “مفتاح التشغيل” الخاص بجين يُدعى(nasR2) هذا المفتاح حساس للغاية لوجود النيتروجين؛ أي أنه لا يعمل إلا عند استشعار هذا العنصر.
2. الجينات المنتجة للضوء: هذه مجموعة من الجينات مأخوذة من بكتيريا بحرية مضيئة طبيعيًا تسمى Vibrio fischeri. عندما تعمل هذه الجينات معًا، فإنها تنتج إنزيمات تتسبب في إصدار ضوء مرئي، وهي الظاهرة المعروفة باسم التلألؤ البيولوجي (Bioluminescence).

من خلال دمج “مفتاح” nasR2 الحساس للنيتروجين مع “مصباح” جينات lux، وُلد المستشعر الحيوي. عندما توضع البكتيريا في عينة (ماء أو تربة) تحتوي على نيتروجين متاح، يستشعر المفتاح الجيني وجود الجين، فيقوم بتشغيل الجينات المجاورة له، وهي جينات الضوء، والنتيجة: تبدأ البكتيريا في التوهج، وتكون شدة هذا التوهج متناسبة طرديًا مع كمية النيتروجين الموجودة. كلما زاد التلوث، زاد سطوع الضوء.

الجين العبقري.. أكثر من مجرد مفتاح تشغيل
كشفت الدراسة التي أجراها الفريق المصري أن جين (nasR2) ليس مجرد مفتاح بسيط، بل هو أشبه بلوحة تحكم جزيئية متطورة للغاية، تدمج معلومات من مصادر متعددة لتنظيم استجابة البكتيريا بدقة. هذا الجين الصغير (267 زوجًا قاعديًا فقط) ينتج بروتينًا مكونًا من 88 حمضًا أمينيًا، لكنه يحتوي على مجموعة مذهلة من عناصر التحكم التنظيمية:
• مستشعرات النيتروجين: تعمل هذه المواقع كمستشعرات أساسية لمستويات النيتروجين في البيئة.
• مستشعرات الأكسجين: تيح هذه المواقع للجين معرفة مدى توفر الأكسجين، مما يمكنه من التكيف مع الظروف الهوائية واللاهوائية.
• مستشعرات الإجهاد: بشكل مفاجئ، وجد الباحثون أن الجين يحتوي أيضًا على مواقع تستجيب للإجهاد السمي أو تلف الحمض النووي (DNA)، مما يربط عملية التغذية بالاستجابة لحالات “الطوارئ” الصحية للخلية.

بالإضافة إلى ذلك، توقعت التحليلات وجود مواقع فسفرة (Phosphorylation sites) في البروتين الناتج. الفسفرة هي تعديل كيميائي يشبه “ضبطًا دقيقًا” للبروتين، حيث يُعتقد أنه يزيد من استقراره وحساسيته، مما يجعل المستشعر أكثر قوة وموثوقية.

ما يميز هذا الجين بشكل خاص هو اكتشاف نطاق ضمن البروتين المشفر بواسطة الجين. هذا النطاق يشير إلى أن الجين المكتشف ليس مجرد منظم للنترات (Nitrate regulator) فحسب، بل يمتلك أيضًا خصائص مرتبطة بالاستجابة للإجهاد والتكيف البيئي. هذا التنوع الوظيفي يجعله مرشحًا مثاليًا للاستخدام في تطبيقات بيئية متعددة.

كاشف حيوي بدقة وحساسية غير مسبوقة
لتأكيد فعالية الجين، قام الفريق بتطوير كاشف حيوي (Bioreporter) يعتمد على الجين، أطلقوا عليه اسم (W6-nasR2) وأظهر هذا الكاشف الحيوي قدرة فائقة على رصد النيتروجين المتاح بيولوجيًا في بيئات متنوعة، وهو ما يمثل نقطة تحول حقيقية في تقنيات الرصد.

نتائج مبهرة في بيئات مختلفة:
• مياه الصرف الصحي: سجل الكاشف أعلى استجابة في مياه الصرف الصحي، حيث بلغت الإضاءة الحيوية (Bioluminescence) ما بين 45,000 و62,000 وحدة ضوئية (CPS – Counts Per Second) عند تركيز نيتروجين كلي يبلغ 0.045 ملليجرام/لتر. هذه النتائج تؤكد حساسية الكاشف الفائقة للمركبات النيتروجينية حتى في التركيزات المنخفضة.
• مياه الصرف الصناعي: بلغت الإضاءة في مياه الصرف الصناعي 42,000 CPS رغم انخفاض تركيز النيتروجين الكلي إلى 0.046 ملليجرام/لتر. هذا يشير إلى قدرة الكاشف على رصد المركبات النيتروجينية الوسيطة، مما يجعله أداة قيمة لمراقبة التلوث الصناعي.
• التربة الزراعية: في التربة الزراعية، بلغت الإضاءة 25,000 CPS رغم انخفاض تركيز النيتروجين الكلي (0.026 ملليجرام/لتر). هذه النتيجة بالغة الأهمية، حيث تؤكد أن الكاشف الجديد يقيس النيتروجين المتاح فعليًا للنباتات والميكروبات، وليس مجرد التركيز الكلي للنيتروجين، والذي قد لا يكون كله متاحًا حيويًا.
• التربة الصحراوية: مقارنة بالتربة الزراعية، سجل الكاشف 4,000 CPS فقط في التربة الصحراوية، على الرغم من أن تركيز النيتروجين الكلي فيها كان أعلى (0.058 ملليجرام/لتر). هذا يعزز الفهم بأن الكاشف يقيس النيتروجين المتاح بيولوجيًا (Bioavailable nitrogen)، مما يجعله أداة دقيقة وفعالة لرصد توافر النيتروجين في البيئات الطبيعية والمعالجة.

ميزات غير مسبوقة للكاشف الحيوي الجديد:
هذا النظام الحيوي الجديد يمتلك عدة خصائص تميزه عن أي كواشف نيتروجين سابقة:
1. الكشف الشامل: الجين (nasR2) هو الأول من نوعه الذي يُستخدم لاكتشاف النيتروجين العضوي، وغير العضوي، والأحماض الأمينية معًا من خلال نظام واحد. هذه القدرة الشاملة تبسط عملية الرصد بشكل كبير وتوفر صورة كاملة عن حالة النيتروجين في البيئة.
2. حساسية فائقة: أظهر النظام ارتفاعًا في شدة الإضاءة الحيوية بمعدل 186 ضعفًا عند وجود مصادر نيتروجينية. هذه الحساسية الفائقة تمكنه من اكتشاف حتى أدنى مستويات النيتروجين، مما يجعله مثاليًا للتطبيقات التي تتطلب دقة عالية.
3. ثبات الأداء: يتمتع النظام بثبات استثنائي في الأداء ضمن نطاق واسع من الحموضة (pH 4–10). هذه الميزة تجعله صالحًا للاستخدام الميداني في ظروف بيئية متنوعة، من التربة الحمضية إلى المياه القلوية.
4. تطبيقات واسعة: تم استخدامه بنجاح في الكشف عن النيتروجين في مياه الصرف الصناعي والصحي، والتربة الزراعية، والتربة الصحراوية، مما يبرهن على مرونته وفعاليته في سيناريوهات مختلفة.

أهمية مزدوجة: الاستشعار البيولوجي والتحفيز الإنزيمي
لا يقتصر الاكتشاف على كونه مستشعرًا بيولوجيًا ذكيًا فحسب، بل تشير نتائج الدراسة أيضًا إلى أن الجين المكتشف قد يكون نوعًا جديدًا من إنزيم نازعة النترات (Nitrate Reductase) إذا تأكدت هذه الفرضية، فسيكون للجين أهمية مزدوجة في الاستشعار الحيوي والتحفيز الإنزيمي، مما يفتح آفاقًا جديدة في معالجة المياه والتربة من التلوث. إنزيمات نازعة النترات تلعب دورًا حيويًا في دورة النيتروجين، وتحويل النترات إلى مركبات أقل ضررًا، مما قد يوفر حلولًا طبيعية وفعالة لإزالة النيتروجين الزائد من البيئات الملوثة.

تداعيات مستقبلية: نحو زراعة ذكية وبيئة أنظف
يمثل هذا الاكتشاف المصري نقلة نوعية في تقنيات الزراعة الذكية (Smart Agriculture)، حيث يمكن للمزارعين الآن رصد توافر النيتروجين في تربتهم بدقة غير مسبوقة، مما يتيح لهم تحسين استخدام الأسمدة وتقليل الهدر والتلوث. كما سيسهم بشكل كبير في الرصد البيئي (Environmental Monitoring)، من خلال توفير أداة فعالة لمراقبة جودة المياه والتربة وتحديد مصادر التلوث النيتروجيني. وفي مجال معالجة المياه (Water Treatment)، يمكن أن يُحدث ثورة في تقنيات إزالة النيتروجين من مياه الصرف، مما يؤدي إلى مياه أنظف وبيئة أكثر صحة.

ويمثل هذا المستشعر الحيوي المضيء، الذي ولد في معامل مدينة الأبحاث العلمية بالإسكندرية، قفزة نوعية في مجال الرصد البيئي. فهو يقدم بديلاً سريعًا وفعالًا من حيث التكلفة للطرق الكيميائية التقليدية، مما يفتح الباب أمام تطبيقات واسعة النطاق، من المراقبة المستمرة لجودة المياه في نهر النيل ومحطات المعالجة، إلى مساعدة المزارعين على تحسين استخدام الأسمدة في الأراضي المصرية.

لقد نجح الباحثان المصريان، الدكتور جاد الله أبو الريش والدكتور دسوقي عبد الحليم، في تحقيق إنجاز كبير على جبهتين: الهندسة الحيوية وعلوم البيئة. فمن خلال فك شفرة الآليات التنظيمية للجين nasR2، تمكنا من تسخير قوة البكتيريا لتطوير مستشعر حيوي مضيء يتمتع بميزات استثنائية. وهذا العمل لا يمنحنا فقط أداة قوية لحماية بيئتنا، بل يبرز أيضًا القدرات البحثية المتقدمة في مصر ويضعها في طليعة الابتكار في مجال التكنولوجيا الحيوية البيئية.

هذا الاكتشاف ليس مجرد إضافة علمية جديدة، بل هو دليل ساطع على قدرة العقول المصرية على تقديم حلول علمية مبتكرة ذات تأثير عالمي. إنه يعزز من مكانة البحث العلمي في مصر ويفتح آفاقًا واسعة للتعاون الدولي في مجالات حيوية مثل الزراعة المستدامة، وحماية البيئة، والصحة العامة. إن الاستثمار في البحث العلمي ودعم الباحثين الموهوبين أمثال فريق مدينة الأبحاث العلمية والتطبيقات التكنولوجية هو مفتاح بناء مستقبل أفضل وأكثر استدامة للأجيال القادمة. هذا الإنجاز يعكس التزام مصر بالتقدم العلمي والتكنولوجي، ويؤكد على أن الابتكار ينبع من أرض الحضارات ليضيء دروب المستقبل.

للاطلاع على الدراسة الكاملة:
• مجلة Discover Sensors – Springer Nature:
• المصدر: https://link.springer.com/article/10.1007/s44397-025-00011-3

الكاتب: د. طارق قابيل
– أكاديمي، خبير التقنية الحيوية، كاتب ومحرر ومترجم علمي، ومستشار في الصحافة العلمية والتواصل العلمي.
– أستاذ جامعي متفرغ، وعضو هيئة التدريس بقسم التقنية الحيوية – كلية العلوم – جامعة القاهرة.
– مقرر لجنة الآداب والفنون والعلوم الاجتماعية والثقافة العلمية والدراسات الاستراتيجية ومؤشرات العلوم والتكنولوجي، وزميل أكاديمية البحث العلمي والتكنولوجيا، وزارة التعليم العالي – مصر.
– أمين مجلس بحوث الثقافة والمعرفة، أكاديمية البحث العلمي والتكنولوجيا، وزارة التعليم العالي – مصر.
– الباحث الرئيسي لمشروع خارطة طريق “مستقبل التواصل العلمي في مصر ودوره في الاعلام العلمي”، أكاديمية البحث العلمي والتكنولوجيا، وزارة التعليم العالي والبحث العلمي، مصر.
– السفير الإقليمي للاقتصاد الدائري والمواد المستدامة لمنظمة “سستينابلتي جلوبال” (Sustainability Global)، فينا، النمسا.
– عضو المجموعة الاستشارية العربية للعلوم والتكنولوجيا، التابعة للمكتب الإقليمي للأمم المتحدة للحد من مخاطر الكوارث للدول العربية.
https://orcid.org/0000-0002-2213-8911
http://scholar.cu.edu.eg/tkapiel
tkapiel@sci.cu.edu.eg