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.
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.
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)
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.
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.
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.
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.
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.
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