دانشنامه, مهندسی پزشکی

بیوتکنولوژی

فهرست مطالب

ادغام فناوری با دانش، آن چیزی را می سازد؛ که در ابتدا در جهان به عنوان معجزه، فرض می­‌شد و زیست فناوری (Biotechnology) را می‌توان به عنوان یک نمونه عالی در نظر گرفت که با آمیختن دانش زیست‌شناسی با فناوری، جهان را به مکانی بهتر برای افزایش کیفیت زندگی و کاهش رنج‌های انسان تبدیل می­‌کند.

1. بیوتکنولوژی

بیوتکنولوژی چیست؟

 “Biotechnology” اصطلاحی است که توسط مهندس مجارستانی، کارل ارکی (Carl Ereky) ابداع شده‌­است و طبق کنوانسیون سازمان ملل در مورد تنوع زیستی (biological) به صورت زیر تعریف می‌­شود:

“هرگونه کاربرد فناوری، که از یک سیستم زیستی و یا ارگانیسم‌های زنده برای ساختن و یا اصلاح فرآیند یا محصولات برای یک بهره‌گیری خاص، استفاده گردد.”

 ایده اصلاح محصولات، متناسب با کاربردهای خاص و مهندسی آنها، برای ایجاد دوام بیشتر؛ الهام‌­بخش انسان برای رسیدن به قله‌ای است که امروزه بایوتکنولوژی در آن قرار دارد.

 

زیست­‌فناوری، تقریبا همه جنبه‌های زندگی بشر را لمس کرده و جایگاه خود را نیز پیدا نموده‌­است. آن شاخه از بیوتکنولوژی که با مراقبت‌های پزشکی و بهداشتی سروکار دارد؛ زیست‌شناسی قرمز (Red Biotechnology) نامیده می­‌شود. زیست‌­فناوری سبز (Green Biotechnology)، زمانی مطرح می‌­شود که مرتبط با فرآیند‌های کشاورزی است و زیست­‌فناوری سفید (White Biotechnology) به فرآیندهای صنعتی می‌­رسد.

تاریخچه

دالی(Dolly) گوسفند کلون‌شده، پروژه ژنوم انسانی، محصولات اصلاح شده ژنتیکی (genetically modified crops)، پیشرفت‌های علوم پزشکی، سبب جلب‌توجه جهان به سمت جاذبه زیست­‌فناوری شده و بنابراین، تصور غلطی از ظهور اخیر دارد. در حالی­که، واقعیت این است که قدمت آن به اندازه تمدن ما است. اگر به صورت روشنی، تعریفی را که از زیست­‌فناوری در بالا آورده شد، درک کرده باشید؛ می‌­توانید متوجه شوید، که وقتی شیر را به ماست یا پنیر تبدیل می­‌کنید، چیزی به جز، زیست­‌فناوری نیست؛ مکانی که یک موجود زنده (باکتری) محصول تولید می­‌کند. 

کشاورزی، نیز از یک طریق، زیست‌­فناوری است. کاشت انتخابی محصولات زراعی و تولید­مثل حیوانات، از زمان انقلاب نوسنگی (Neolithic Revolution) تاکنون مورد استفاده قرار گرفته­‎‌است. سومری‌­ها و بابلی‌­ها، 6000 سال قبل از میلاد، از مخمر برای تهیه آبجو استفاده کردند. فرآیند تخمیر، فرآیندی طبیعی مبتنی بر فعالیت زیستی میکروارگانیسم های تک سلولی، برای اولین‌­بار توسط مصری­‌ها برای پخت نان و تهیه شراب استفاده شد.

پیشرفت Biotechnology در اواخر قرن هجدهم و اوایل قرن نوزدهم میلادی، شامل برخی اکتشافات مهم، مانند: واکسیناسیون، تناوب محصول برای افزایش بازده و استفاده زمین است. کشف میکروارگانیسم­‌ها، کارهای مندل (Mendel) در علم ژنتیک، نظریه انتخاب طبیعی داروین (Darwin)، کارهای پاستور (Pasteur) در مورد بیماری‌های واگیردار، به اواخر قرن نوزدهم باز می‌­گردد.

زیست­‌فناوری، در آغاز قرن بیستم، حضور صنعتی و کشاورزی خود را نشان داد. در طول جنگ های جهانی، تولید و استفاده از سوخت زیستی(Bio Fuel) تشویق شد. در سال 1928، اکساندر فلمینگ، پنی سیلین را کشف نمود. در سال 1953، ساختار DNA پیشنهاد شد؛ که تحقیقات در زمینه زیست­‌شناسی مولکولی و ژنتیک را برانگیخت. با کشف آنزیم محدود، امکان قراردادن ژن‌های بیگانه در باکتری، در سال 1973 امکان‌پذیر شد؛ این راه همگام با “Recombinant DNA”(DNA نو‌ترکیب) است. این روش، تولید انسولین انسانی را از باکتری امکان‌پذیر کرد و هم­چنین به عنوان تولد بیوتکنولوژی مدرن شناخته می­‌شود. میراث پیشرفت‌های Biotechnology که می‌­تواند زندگی را تغییر دهد تا به امروز ادامه دارد.

* دالی، گوسفند شبیه‌سازی شده*

جهان زیست‌فناوری

زیست­‌فناوری، حضور خود را در زمینه‌های پزشکی، صنعتی، زیست محیطی، کشاورزی، پزشکی قانونی و بسیاری از مناطق دیگری که به طور مستقیم زندگی انسان­‌ها را تحت تاثیر قرار می‌­دهد؛ مشخص نموده است و نیز تفاوت چشم­گیری ایجاد می‌­کند.

زیست‌فناوری قرمز (Red Biotechnology)

2. زیست‌فناوری قرمز اعمال شده در زمینه‌های پزشکی و بهداشتی

زیست‌­فناوری که در زمینه‌های پزشکی و مراقبت‌های پزشکی به کار­گرفته می­‌شود؛ زیست‌­فناوری قرمز نامیده می‌­شود. تحقیقات فشرده در این زمینه، نه تنها پرتوی امیدی برای بیماری­‌های مختلف تهدید‌کننده زندگی می‌باشد؛ بلکه کیفیت زندگی را نیز ارتقا داده‌­است. زیست‌فناوری قرمز، با فارماکوژنومیک (pharmacogenomic)، طراحی میکرو‌ارگانیسم‌ها برای تولید آنتی‌بیوتیک و واکسن، تحقیقات و آزمایشات بالینی، ژن‌درمانی و تشخیص سر و کار دارد. این فناوری در علوم دامپزشکی و مرغداری نیز مفید است.

مهندسی ژنتیک

این کاربرد بایوتکنولوژی، از مزیت­‌های مراقبت‌های بهداشتی کمتر نیست و با تغییر در ماده ژنتیک یک فرد، سبب بهبود می­‌شود. DNA، ماده ژنتیکی است که با استفاده از ژن‌درمانی، یا جایگزینی ژن­‌های معیوب و یا تکمیل ژن­‌های طبیعی با استفاده از روش‌های درمانی داخل بدنی (In-vivo) و خارج بدنی (Ex-vivo) دست­‌کاری می­‌شود.

3. کاربرد زیست‌فناوری قرمز در مهندسی ژنتیک

پیرایش ژن (Gene Splicing)، ابزاری برای مهندسی ژنتیک به دانشمندان ارائه می‌­دهد که ژن را از موجودی به موجود دیگر منتقل کنند. این تغییر در ساختار ژنتیکی ارگانیسم­‌ها، منجر به تولید DNA نوترکیبی می‌­شود که یک نقطه‌­عطف برای تولید انسولین مورد‌­نیاز برای دیابت نوع 2 است. برخی از ژن‌های انسولین انسانی، به باکتری‌های E-coli منتقل می‌شوند که از طریق آن، تولید بیشتر انسولین حاصل می­شود. زیست­فناوری قرمز نیز در تولید واکسن­‌ها‌ نقش اساسی دارد. آبله گاو تغییر‌یافته ژنتیکی علیه آنفولانزا، تبخال و هپاتیت استفاده می‌­شود.

فارماکوژنومیک و دارو‌ها

مطالعه علم داروسازی، ژنتیک و فارماکوژنومیک، طراحی و تولید داروهایی را که مناسب الزامات ژنتیکی خاص در بیماران خاص می­باشد؛ امکان­پذیر می­نماید. با استفاده از این فناوری، هم­چنین می‌­توا‌ن دوز داروها را برای بیماران تعیین نمود؛ زیرا اطلاعات ژنتیکی قادر به تشخیص پاسخ بدن به دارو است. این صنعت، به داروسازی کمک می­‌کند تا داروهای باکیفیت بهتری تولید ­کند.

4. کاربرد زیست‌فناوری در فارماژنومیک و داروها

داروهای بایوتک (Biotech) که به عنوان بایولوژیک (biologics) یا بایوتراپیک (biotherapeutic) شناخته می‌­شود، از مهندسی ژنتیک یا دستکاری پروتئین‌ها در ارگانیسم­‌ها حاصل می­‌شود. برخلاف داروهای معمول، که علائم را به روش گسترده‌ای درمان می­‌کنند؛ از داروهای بیولوژیکی به طور خاص استفاده می‌­شود.

کلون سازی

اعتبار محبوبیت این زمینه نو به “دالی” گوسفند شبیه‌سازی شده در موسسه روزلین در سال 1997 تعلق می‌­گیرد. این امر، هم­چنین، امید موفقیت در ایجاد شبیه‌سازی‌های انسانی را؛ که در آن زمان، تنها بخشی از داستان‌های علمی دور از ذهن بود، برانگیخت. در این روش، یک هسته از یک سلول خارج شده و در داخل تخمک بارور نشده قرار می­‌گیرد و می­ت‌وان اجازه داد تا همانند اهداکننده هسته اصلی رشد نماید.

درمان با سلول های بنیادی

این چهره‌ی نوی پیشرفت در فناوری، دارای پتانسیل بسیار عظیمی است و می­‌تواند به طور کامل، روش درمان بیماری­‌های کشنده مانند سرطان را تغییر دهد. سلول­‌های بنیادی، سلول‌هایی می‌­باشند که در مرحله اولیه خود قرار دارند؛ زمانی­که، هنوز برای توسعه سلول­‌های خاص تخصص ندارند. این سلول‌­های نامشخص، می­‌توانند خود را برای مدت زمان طولانی، از طریق تقسیم سلول تجدید نموده و تحت شرایط خاص بیوشیمیایی (biochemical) می­‌توانند تمایز ایجاد کنند؛ یعنی به سلول خاص تبدیل شوند. بنابراین، می‌­توان سلول­‌های جدیدی را به جای سلول­‌های آسیب‌دیده برای معالجه وارد کرد و خاصیت تجدید حیات خود به خود اجازه می‌دهد تا بافت‌­ها جایگزین بافت‌­های آسیب‌دیده شوند.

اخیرا، دانشمندان، موفق به تولید سلول‌های­­ بنیادی از گونه‌­های در معرض انقراض شدند؛ که دستیابی به موفقیت بزرگی برای نجات جانوران در معرض خطر انقراض است.

زیست‌فناوری سبز‌ (Green Biotechnology)

زیست­‌فناوری، انقلابی در زمینه کشاورزی ایجاد کرده‌­است. در حال حاضر، شنیدن درباره‌­ی میوه‌های اصلاح­‌شده ژنتیکی، سبزیجات موجود در هر فصل و ارائه ارزش غذایی خاص برای شما جذابیتی نخواهد­ داشت.

5. زیست‌فناوری سبز یا زیست‌فناوری گیاهی

 گیاهان ترنس ژنتیکی (Trans-genetic plants) ،برای افزایش مقاومت در برابر آفات و بیماری­‌ها، بهبود بو و طعم و افزایش رشد ،در شرایط نامساعد جوی در یخچال‌­های ما، مکان‌های مربوط به خود را اشغال کرده‌­اند. نه تنها این مورد، بلکه موارد بیشتری نیز وجود دارد که نشان­ می­‌دهد؛ زیست­‌فناوری سبز،که به آن زیست‌­فناوری گیاهی نیز گفته می­­‌شود؛ به کشاورزان کمک­‌های شایانی نموده‌­است. زمینه‌ها و برنامه‌های اصلی تحقیق شامل:

کشت بافت گیاهی

این روش، این امکان را فراهم می­‌نماید؛ که گیاهان کامل، از مقادیر اندکی از قسمت­‌های گیاه، مانند: ریشه، برگ یا ساقه و یا حتی، فقط یک سلول گیاهی در شرایط آزمایشگاهی (in vitro)؛ تولید شده و منابع ژنتیکی را نیز حفظ کنند. بنابراین، این روش، امکان تولید مواد کاشت خالص و عاری از بیماری را با سرعت بالا فراهم می­‌کند.

مهندسی ژنتیک گیاهان

روش انتقال انتخابی و حساب‌­شده ژن­‌ها، برای تولید محصولات جدید اصلاح شده، امکان رشد محصولات مهندسی ژنتیک با ویژگی‌­های پیشرفته‌ای مانند آن در: پنبه، سیب­‌زمینی شیرین و غیره را فراهم کرده‌­است. هم­چنین، ممکن است محصولاتی تولید شوند؛ که بتوانند در برابر فشارهای محیطی مقاومت نمایند. این ژن­‌ها با ویژگی‌­هایی برای کنارآمدن با خشکی، خاک­ شور و سایر شرایط، ممکن است به طور کامل، مشکل فساد محصولات را حل کنند.

اکنون دیده می­‌شود که سه نسل از گیاهان اصلاح­‌شده ژنتیکی، وجود دارد. ژن­ اول شامل، ژن­‌هایی با صفات مورد نیاز است که از نظر کشت قابل توجه می‌­باشند؛ مانند تحمل علف کش‌­ها و یا مقاومت در برابر حشرات و بیماری­‌ها. نسل دوم، شامل گیاهانی است؛ که صفات بهبودیافته آن­ها در مرحله­‌ی نهایی استفاده از آن­ها نمایان می­‌شود. چنین گیاهانی منبعی از محصولات غذایی بهبود‌یافته خواهد بود. ژن­‌های وارد­شده به آن­ها ممکن است، عملکرد پروتئین‌های خاصی را تغییر دهند. به عنوان مثال، یک ترکیب آمینواسید بهبودیافته یا افزایش مقدار خاصی از یک ویتامین (مانند “برنج طلایی” اصلاح‌شده با افزایش مقدار پروویتامین A)؛ ممکن است کیفیت غذا را بهبود ببخشد و سبب جلوگیری از بیماری­‌های خطرناک گردد؛ مانند نابینایی کودکان در آسیا به دلیل کمبود ویتامین A.

 اصلاح ژنتیکی، هم­چنین، ممکن است به بهبود طعم میوه­‌ها و سبزیجات یا کاهش آلرژن در غذاها کمک کند. بنابراین، چنین تغییری، مزایای مستقیم مصرف­‌کنندگان را به همراه دارد. نسل سوم و آخرین نسل، از گیاهان تراریخته (GM plants)، تشکیل شده‌­است که مانند کارخانه‌­ی زیستی فعالیت­ می­‌کند و مواد لازم مورد استفاده در صنایع مختلف را تولید می­‌نماید.

گیاهان دارای مسیر سنتز اسیدهای چرب تغییریافته، در تولید روغن­‌های صنعتی، کاربرد دارند و نیز می‌­توانند بیوپلیمر (biopolymer)هایی برای جایگزینی ترکیبات مشتق‌­شده از نفت تولید کنند. تغییر ژنتیکی خواص بسیاری از محصولات، برای به‌دست ­آوردن برخی از ویژگی­‌ها و پروتئین­‌های خاص، به­‌ویژه، برای محصولاتی که دارای ارزش‌­های صنعتی و دارویی می باشند، کمک بسیار نموده‌­است.

کودهای زیستی و سموم زیستی

حشرات و آفات، در صورتی­‌که، کشاورزان از روش­‌های زیست­‌فناوری استفاده نمایند تا محصولات خود را در امان نگه دارند؛ دیگر مشکل جدی محسوب نمی‌­شوند. روش دیگری که زیست‌­فناوری ارائه می‌­دهد، کودهای زیستی (Bio fertilizers) و آفت­کش­‌ها (pesticides) می‌باشد. استفاده از کود­های زیستی، علاوه بر صرفه­‌جویی در هزینه­‌های زیادی که صرف خرید کودهای شیمیایی می‌­شود؛ موجب جلوگیری از اثرات مخرب بیماری کودهای شیمیایی بر محصولات نیز می­‌شود.

ترکیب‌سازی (Hybridization)، “اصلاح نژاد به کمک مارکر(marker)مولکولی”،برخی از کاربردهای مختلف زیست­‌فناوری سبز با هدف ایجاد محصولاتی با صفات خاص و عملکرد بهتر است.

زیست‌فناوری سفید (White Biotechnology)

با پتانسیل برجسته‌­ای که از زیست­‌فناوری در بخش‌­های پزشکی و کشاورزی مشاهده می­‌شود؛ فرآیندهای صنعتی، نمی‌­تواند دست­‌نخورده باقی بماند. در هنگام سروکار داشتن با فرآیندهای صنعتی، زیست‌­فناوری مربوطه را زیست­‌فناوری سفید­ می‌­نامند. این فناوری با تولید انواع محصولات مختلف، از نان گرفته تا بیودیزل (biodiesel) سروکار دارد. آنزیم­‌ها و ارگانیسم­‌ها برای پردازش و تولید مواد شیمیایی و سایر­ محصولات استفاده می­‌شوند. چنین فرآیندهای تخمیر و آنزیمی در مقایسه با فرآیندهای فیزیکی و مکانیکی آن­ها، اقتصادی بوده و سازگار با محیط‌­زیست نیز می­‌باشند.

بیوتکنولوژی سفید، با معرفی فرآیندهای بیولوژیکی سازگار با محیط‌­زیست به جای روش‌های سنتی وابسته به مواد سنتزی مبتنی بر نفت، تاثیر قابل توجهی بر صنایع شیمیایی، نساجی، کاغذ، غذا، معدن و آرایشی دارد. استفاده از آنزیم‌­ها، برای فرآیندهای شستشو در صنایع نساجی، مثال خوبی از جایی است که فرآیندهای بیولوژیکی هزینه و انرژی مصرفی را به نصف کاهش داده‌­است. این فناوری، هم­چنین، برای تصفیه آب با باکتری­‌های خاص، تولید پلاستیک­‌های زیست‌تخریب­‌پذیر، آنزیم­‌ها در تولید مواد­غذایی، تولید انسولین و موارد دیگر استفاده می­‌شود.

زیست‌­فناوری سفید، هم­چنین به تولید منابع انرژی جایگزین می‌­پردازد. تولید اتانول، به عنوان جایگزین بنزین، از نشاسته و کربوهیدرات، دوره سوخت­‌های زیستی را آغاز نموده‌­است. تحقیقات در حال انجام امیدوار­کننده است و ما می­‌توانیم به آینده‌­ای با سوخت­‌های زیست‌­محیطی دوستانه و تغییر از “اقتصاد هیدروکربن” (hydrocarbon economy) به “اقتصاد کربوهیدرات”(carbohydrate economy) امیدوار باشیم.

زیست‌فناوری آبی (Blue Biotechnology)

زیست‌فناوری آبی، در رابطه با، کاربرد روش­‌های بیولوژیکی مولکولی در موجودات دریایی و آب شیرین است. این فناوری، شامل استفاده از ارگانیسم­‌ها و مشتقات آن­‌ها، برای اهدافی از جمله: افزایش تامین و امنیت غذای دریایی، کنترل تکثیر موجودات مضر از طریق آب و تولید دارو‌های جدید است.

بیوانفورماتیک

علوم اطلاعات کاربردی در زیست­‌شناسی، سبب تولید رشته”بیوانفورماتیک “(bioinformatics) شده‌است. بیوانفورماتیک و زیست‌­شناسی محاسباتی (computational biology)، از روش­‌های محاسباتی برای حل مسئله‌­های بیولوژیکی و تجزیه و تحلیل داده­‌ها استفاده می‌کند. این رشته چند زمینه‌ای می­‌باشد که شامل: ریاضیات کاربردی، آمار، علوم کامپیوتر، هوش مصنوعی، انفورماتیک و بیوشیمی است. 

6. رشته بیوانفورماتیک

اصطلاحات بیوانفورماتیک و زیست­‌شناسی محاسباتی، اغلب به جای یکدیگر استفاده می‌­شوند. با این‌­وجود، بیوانفورماتیک به طور مناسب‌­تری به ایجاد و پیشرفت الگوریتم­‌ها، روش­‌های محاسباتی و آماری و نظریه برای حل مسائل رسمی و عملی، نشات گرفته از مدیریت و تجزیه و تحلیل داده­‌های بیولوژیکی اشاره دارد. از طرف­‌دیگر، زیست­‌شناسی محاسباتی، به بررسی فرضیه محور یک مسئله خاص بیولوژیکی با استفاده از رایانه، با داده­‌های تجربی و شبیه‌سازی­‌شده، با هدف اصلی کشف و پیشرفت بیولوژیکی اشاره دارد.

بیوانفورماتیک با ایجاد و نگه­داری پایگاه­ داده­‌های بیولوژیکی سروکار دارد. پیشرفت در زیست­‌شناسی مولکولی و تجهیزات مدرن در این زمینه، توالی سریع ژن­‌ها (rapid sequencing of genes) را ممکن ساخته‌است.

 بیوانفورماتیک مسئول یافتن DNA در ارگانیسم‌­ها، پیش­بینی ساختار پروتئین­‌های کشف‌شده، خوشه‌بندی توالی پروتئین‌­ها (clustering protein sequences) و ایجاد مدل­‌های پروتئینی­ است. زمینه‌های عمده تحقیقاتی که از بیوانفورماتیک استفاده می‌­نمایند شامل: ژنومیک ساختاری (structural genomics)، مهندسی ژنتیک، چاپ انگشت (finger print)DNA، مدل­‌سازی تکامل (modelling of evolution) و ژنومیک عملکردی (functional genomics) می‌­باشد.

آینده

فناوری فردا

بایوتکنولوژی، توانایی تغییر جهان ما را دارد. سال­‌های آینده، ممکن است شاهد روشی کاملا نو، برای پرورش محصولات کشاورزی، مقابله با بیماری­‌های کشنده و رسیدگی به مشکلات زیست­‌محیطی باشد.

7. استفاده زیست‌فناوری در رسیدگی به بیماری‌ها و مسائل زیست‌محیطی

از داروها گرفته یا غذای ما، زیست‌­فناوری تمام روش‌­های جدید سالم را برای هر جنبه از زندگی ارائه می‌­دهد. در عصرآینده زیست‌­فناوری، بیشتر فرزندان به جای تولد طبیعی در دستگاه تولید­ می‌شوند. علاوه بر این، والدین می­‌توانند انتخاب نمایند که کدام یک از ترکیبات ژنی خود را  می‌خواهند به فرزندان خود انتقال دهند.

برخی از روش­‌ها مانند سیتوژنتیک (Cytogenetics)، زنوترنسپلنتیشن (Xenotransplantation)، پروتئومیک (Proteomics) و ریزآرایه‌­های DNA، آمادگی اضافه‌نمودن افق­‌های جدیدی به پیشرفت زیست­‌فناوری را دارند. برخی از پروژه‌­های بلندپروازان‌ای، که قادر به تغییر چهره جهان می‌­باشند، شامل: ” بیوچیپ” (biochip) های مبتنی بر پروتئین (که ممکن است جایگزین تراشه‌های سیلیکون شود)، حسگر­های بیولوژیکی، فناوری نانو به کارگرفته‌­شده در زیست­‌فناوری، توپ­‌های بادی (buckyballs) DNA، رایانه‌های آنزیمی و بسیاری موارد دیگر می‌باشند. آینده زیست‌فناوری، نویدبخش بهبود کیفیت زندگی، رفع گرسنگی، تسکین دردها، ریشه‌­کن کردن بیماری­‌ها و بسیاری احتمالات ناگفته است. جهان زیست­‌فناوری، هر روز سریع و سریع‌­تر م‌ی­چرخد.

منبع:

Biotechnology

نظرتان را درباره این مقاله بگویید 0 نظر

1 0
بیوتکنولوژی

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.