બાયોટેકનોલોજી, આ શબ્દ, બે શબ્દો ‘બાયો’ અને ‘ટેકનોલોજી’ નો સંયોજન છે, - ‘બાયો’ નો અર્થ જૈવિક પ્રણાલીઓ અથવા પ્રક્રિયાઓ, અને ‘ટેકનોલોજી’ એ આ જૈવિક પ્રણાલીઓમાંથી ઉપયોગી ઉત્પાદનો બનાવવા માટે ઉપયોગમાં લેવાતી પદ્ધતિઓ, પ્રણાલીઓ અને ઉપકરણોનો સંદર્ભ આપે છે. આમ, બાયોટેકનોલોજી એ વિવિધ તકનીકોનો સંદર્ભ આપે છે જે માનવજાતના લાભ માટે ઉપયોગી ઉત્પાદનો ઉત્પન્ન કરવા માટે જીવંત કોષો અને/અથવા જૈવિક અણુઓનો ઉપયોગ કરે છે.

માનવજાત લાંબા સમયથી બાયોટેકનોલોજીનો અભ્યાસ કરી રહી છે. પેલિયોલિથિક યુગમાં ઘેટાં અને ઢોરના પાલન-પોષણથી લઈને, પ્રાચીન ઇજિપ્તિયન ખેડૂતો દ્વારા વનસ્પતિ સ્ટોકનું સંરક્ષણ (પ્રાચીન જર્મપ્લાઝમ સંરક્ષણ), બ્રેડ, ચીઝ અને વાઇન બનાવવાના સ્વરૂપમાં પ્રારંભિક કિણ્વન તકનીકના શાસ્ત્રીય ઉદાહરણો સુધી. જોકે, આધુનિક બાયોટેકનોલોજી એક બહુશાખાવાળો વિષય છે જેમાં વિજ્ઞાનના વિવિધ ક્ષેત્રો જેવા કે કોષ અને આણ્વિક જીવવિજ્ઞાન, સૂક્ષ્મજીવવિજ્ઞાન, આનુવંશિકતા, શરીરરચનાશાસ્ત્ર અને શરીરક્રિયાશાસ્ત્ર, જૈવરસાયણશાસ્સ્ત્ર, કોમ્પ્યુટર વિજ્ઞાન અને પુનઃસંયોજિત DNA તકનીક (rDNA તકનીક) વચ્ચે જ્ઞાનનું વહેંચણીનો સમાવેશ થાય છે.

આ પ્રકરણ બાયોટેકનોલોજીકલ પ્રથાઓના ઇતિહાસ અને આધુનિક ખ્યાલોના વિકાસ; દવા, ખેતી, ખાદ્ય અને પર્યાવરણ સંરક્ષણના ક્ષેત્રમાં બાયોટેકનોલોજીના મુખ્ય ઉપયોગો તેમજ ભારતીય બાયોટેકનોલોજી ક્ષેત્રના વર્તમાન દૃશ્ય પર વિસ્તૃતપણે ચર્ચા કરશે.

1.1 ઐતિહાસિક પરિપ્રેક્ષ્ય

પ્રાચીન બાયોટેકનોલોજીની શરૂઆત પેલિયોલિથિક યુગમાં, લગભગ 10,000 વર્ષ પહેલાં, જ્યારે પ્રારંભિક ખેડૂતોએ ઘઉં અને જવ જેવી પાકોની ખેતી શરૂ કરી ત્યારે થઈ હતી. આફ્રિકાના સહારા પ્રદેશમાં પ્રચલિત સંસ્કૃતિઓ ઘેટાં, બકરી અને ઢોરનું સફળતાપૂર્વક પાલન-પોષણ કરી રહી હતી, અને શિકારની તકનીકો અને અગ્નિના સંભવિત ઉપયોગોથી પરિચિત હતી. લોકો જંગલી છોડના બીજ ખેતી માટે એકત્રિત કરતા હતા અને તેમની આસપાસ રહેતી જંગલી પ્રાણીઓની કેટલીક પ્રજાતિઓને પાળતા હતા, જે હવે ‘પસંદગીપૂર્વક પ્રજનન’ તરીકે ઓળખાય છે. જોકે, મધ્યયુગીન સમયમાં બાયોટેકનોલોજીનું સૌથી શાસ્ત્રીય ઉદાહરણ બ્રેડ, ચીઝ, વાઇન અને બીયરના ઉત્પાદન માટે કિણ્વન તકનીકનો ઉપયોગ છે.

લાભકારી પરિણામો ઉત્પન્ન કરવા માટે વિજ્ઞાન અને પરંપરાગત જ્ઞાન હંમેશા હાથમાં હાથ ઘાલીને આગળ વધ્યા છે. ભારતીય પરંપરાગત દવા અને બાયોટેકનોલોજીના જ્ઞાનને દસ્તાવેજીકરણ અને ઉપયોગ કરવા માટે વધુ પ્રયાસો કરવામાં આવી રહ્યા છે. પ્રાચીન ભારતના લોકોને તેમના પર્યાવરણ અને છોડ અને પ્રાણીઓના ગુણધર્મોનું પ્રચંડ જ્ઞાન હતું. સ્થાનિક જૈવિક સંસાધનોનો ઉપયોગ કરીને દહીં, ઇડલી, કિનેમા અને પીણાં જેવા કિણ્વિત ખોરાક બનાવવાની પ્રથા મધ્યયુગીન ભારતમાં સામાન્ય હતી. દહીં (દહીં) બનાવવામાં પરંપરાગત ભારતીય જ્ઞાનની સુસંગતતા યુનાઇટેડ સ્ટેટ્સ પેટન્ટ ડેટાબેઝમાં મળેલા થોડા પેટન્ટમાં સૂચવવામાં આવી છે. દહીં બનાવવાની રીત બોક્સ 1માં આપવામાં આવી છે.

કિણ્વનને સૂક્ષ્મજીવીય પ્રક્રિયા તરીકે સમજાવી શકાય છે જેમાં કાર્બનિક સંયોજનોનું ઉચ્ચચય-નિયંત્રિત રૂપાંતરણ થાય છે. કિણ્વનનો અભ્યાસ વર્ષોથી સંકળાયેલી પ્રક્રિયાઓના કોઈ વાસ્તવિક જ્ઞાન વિના કરવામાં આવતો હતો. કિણ્વિત લોટની શોધ અકસ્માતે થઈ જ્યારે લોટ તરત જ બેક કરવામાં આવ્યો ન હતો અને પરિણામે તે યીસ્ટ જેવા કે Saccharomyces winlocki દ્વારા કિણ્વનની પ્રક્રિયામાંથી પસાર થયો. ઇજિપ્ત અને મેસોપોટેમિયા ગ્રીસ અને રોમમાં બ્રેડની નિકાસ કરતા હતા. તકનીકમાં સુધારો કરવાના પ્રયાસોમાં, બેકર્સ યીસ્ટની શોધ રોમનો દ્વારા કરવામાં આવી, જેણે તે સમયે પ્રચલિત

બોક્સ 1

દહીં બનાવવું: એક પરંપરાગત બાયોટેકનોલોજીકલ તકનીક

આપણે બધાએ જરૂર આપણી માતાઓને સમગ્ર પરિવાર માટે દહીં બનાવતી જોઈ હશે. તે કિણ્વન તકનીકનું એક શાસ્ત્રીય ઉદાહરણ છે, જે ઘરે જ હાથ ધરી શકાય છે.

નિરીક્ષણ: કાચી સામગ્રી, દૂધ, સંપૂર્ણપણે અર્ધઘન, ખાટા સ્વાદવાળા ઉત્પાદનમાં રૂપાંતરિત થઈ ગઈ છે.

વાસ્તવમાં શું થયું?

દહીંમાંથી Lactobacillus બેક્ટેરિયા દૂધના પ્રોટીન કેસીન સાથે પ્રક્રિયા કરે છે. ઉપ-ઉત્પાદન તરીકે બનેલું લેક્ટિક એસિડ, ગોળાકાર પ્રોટીનને વિકૃત કરે છે અને ઘન દહીં ઉત્પન્ન કરવા માટે સંકોચાય છે અને પાણીવાળા વ્હે પ્રોટીન સ્તરને અલગ કરે છે.

બ્રેડ-મેકિંગ તકનીકમાં ક્રાંતિ લાવી. ચીનિઓ 4000 B.C. સુધીમાં પણ કિણ્વન તકનીકનો ઉપયોગ કરી રહ્યા હતા, તેમના પરંપરાગત ખાદ્ય પદાર્થો, જેમ કે સોયા સોસ અને કિણ્વિત શાકભાજીના ઉત્પાદન માટે. સિરકાનું ઉત્પાદન ઇજિપ્તવાસીઓને 2000 B.C. સુધીમાં, લાંબા સમય માટે કચડેલી ખજૂર સાચવીને, જાણીતું હતું. પ્રાણીઓના ખોરાકને સુકાવીને, ધૂમ્રપાન કરીને અને ખારણમાં આચાર બનાવીને સાચવવાની કળા પૂર્વ-ઐતિહાસિક પૂર્વ અને યુરોપમાં લોકપ્રિય હતી.

બીયર બનાવવાની શરૂઆત 6000 અને 5000 B.C. ની વચ્ચે જ શરૂ થઈ હોઈ શકે છે, જેમાં જુવાર, મકાઈ, ચોખા, બાજરી અને ઘઉં જેવા અનાજના દાણાનો ઉપયોગ થતો હતો. ચૌદમી સદી A.D. સુધી બ્રૂવિંગને એક કલા તરીકે ગણવામાં આવતી હતી. જોકે, પ્રારંભિક બ્રૂવર્સને કિણ્વનના સૂક્ષ્મજીવીય આધાર વિશે કોઈ વ્યવહારુ જ્ઞાન ન હતું. વાઇન કદાચ અકસ્માતે બનાવવામાં આવી હતી, જ્યારે દ્રાક્ષના રસમાં યીસ્ટ અને અન્ય સૂક્ષ્મજીવો દ્વારા દૂષિત થયો હતો. 1850 અને 1860 ની વચ્ચે, લૂઈ પાશ્ચરે સ્થાપિત કર્યું કે યીસ્ટ અને અન્ય સૂક્ષ્મજીવો કિણ્વન માટે જવાબદાર હતા.

ઓગણીસમી સદીમાં ગ્લિસરોલ, એસિટોન, બ્યુટેનોલ, લેક્ટિક એસિડ, સાઇટ્રિક એસિડ વગેરે જેવા કિણ્વન આધારિત ઉત્પાદનોના ઉત્પાદનના પાયામાં વધારો જોવા મળ્યો. ઔદ્યોગિક કિણ્વન પ્રથમ વિશ્વયુદ્ધ દરમિયાન સ્થાપિત થયું હતું કારણ કે જર્મનીને વિસ્ફોટકો માટે મોટી માત્રામાં ગ્લિસરોલની જરૂરિયાત હતી. 1940 સુધીમાં, નિષ્ક્રિયતા જાળવણી, હવાઈકરણ પદ્ધતિઓ, ઉત્પાદન અલગીકરણ અને શુદ્ધિકરણ સંબંધિત તકનીકોમાં નોંધપાત્ર સુધારો કરવામાં આવ્યો હતો. બીજું વિશ્વયુદ્ધ એ ઉત્પ્રેરક હતું જેણે એન્ટિબાયોટિક પેનિસિલિનના સામૂહિક ઉત્પાદન માટે આધુનિક ફર્મેન્ટર (કિણ્વન માટે વપરાતા પાત્રો), જેને બાયોરિએક્ટર પણ કહેવાય છે, ની શોધ તરફ દોરી ગયું. આજે, ઘણા રસાયણો જેવા કે એન્ટિબાયોટિક્સ, એમિનો એસિડ, હોર્મોન્સ, રંગદ્રવ્યો અને તે પણ એન્ઝાઇમ્સ ઔદ્યોગિક બાયોરિએક્ટરના નિયંત્રિત વાતાવરણમાં અત્યંત ચોકસાઈ સાથે ઉત્પન્ન થાય છે.

આધુનિક બાયોટેકનોલોજીનો પાયો અઢારમી અને ઓગણીસમી સદી દરમિયાન વિજ્ઞાન અને તકનીકમાં થયેલી પ્રગતિ સાથે નાખવામાં આવ્યો હતો. આમ 1590માં ડચ ચશ્મા બનાવનાર ઝચારિયાસ જાન્સેન દ્વારા બનાવવામાં આવેલા પ્રથમ સંયોગિક માઇક્રોસ્કોપના આગમન સાથે, જે લગભગ $3 \times-9 \times$ ની વધારે વિસ્તૃતિ કરી શકતું હતું, મનુષ્યને તે વસ્તુઓ ‘જોવા’ માટે સક્ષમ બનાવ્યા જે નગ્ન આંખે જોવા મળતી ન હતી.

1665માં, રોબર્ટ હૂક, એક ભૌતિકશાસ્ત્રી, પાતળા સ્લાઇસ કરેલા કોર્કની તપાસ કરી અને લંબચોરસ ઘટકો દોર્યા, જેને તેમણે સેલ્યુલે (લેટિનમાં ‘નાના ઓરડા’) કહ્યા. 1676માં, એન્ટોની વાન લીવેનહૂક, એક ડચ દુકાનદાર, તળાવના પાણીમાં જીવંત સજીવો જોયા અને તેમને ‘એનિમલ્ક્યુલ્સ’ કહ્યા. અઢારમી સદી દરમિયાન, કોષ સિદ્ધાંત જર્મન જીવવિજ્ઞાનીઓ, મેથિયાસ શ્લેઇડન અને થિયોડોર શ્વાન દ્વારા વિકસિત કરવામાં આવ્યો હતો, જેમણે નક્કી કર્યું કે બધા વનસ્પતિ અને પ્રાણી ઊતકો કોષોથી બનેલા હતા. 1858માં, રુડોલ્ફ વિર્ચો, એક જર્મન પેથોલોજિસ્ટ, નિષ્કર્ષ પર આવ્યા કે ‘બધા કોષો પહેલાથી અસ્તિત્વમાં હતા તે કોષોમાંથી ઉદ્ભવે છે’ અને તે કોષ જીવનનો મૂળભૂત એકમ છે.

1850 અને 1880 ની વચ્ચે, પાશ્ચરે પાશ્ચરાઇઝેશનની પ્રક્રિયા વિકસાવી. 1860 સુધીમાં, તેમણે એ પણ નિષ્કર્ષ કાઢ્યો કે સજીવોનું સ્વયંભૂ ઉદ્ભવ થતું નથી, એ સાબિત કર્યું કે ‘બધા કોષો પહેલાથી અસ્તિત્વમાં હતા તે કોષોમાંથી ઉદ્ભવે છે’. 1896માં એડુઆર્ડ બુચનરે યીસ્ટ એક્સ્ટ્રેક્ટનો ઉપયોગ કરીને શર્કરાને ઇથાઇલ આલ્કોહોલમાં રૂપાંતરિત કર્યું, જે દર્શાવે છે કે કોષોનો ઉપયોગ કર્યા વિના જૈવરાસાયણિક પરિવર્તનો થઈ શકે છે. 1920 અને 1930 સુધીમાં, ઘણી મહત્વપૂર્ણ ચયાપચય માર્ગોની જૈવરાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓ સ્થાપિત કરવામાં આવી હતી.

આનુવંશિકતા અને વંશાવળીના સિદ્ધાંતો એક ઑસ્ટ્રિયન ભિક્ષુ ગ્રેગોર મેન્ડેલ દ્વારા વિકસિત કરવામાં આવ્યા હતા, 1857માં શરૂ થયા હતા, જ્યારે તેમણે પાંખડી રંગ, બીજ રંગ અને બીજ ટેક્સ્ચર જેવા લક્ષણોની તપાસ કરવા માટે મટરના છોડને ક્રોસ-પરાગિત કર્યા હતા. 1869માં, જોહાન ફ્રેડરિક મિશર, એક

સ્વિસ જૈવરસાયણશાસ્ત્રી, એક પદાર્થને અલગ કર્યો જેને તેમણે સફેદ રક્ત કોષોના કેન્દ્રકમાંથી ન્યુક્લિન કહ્યું. આ પદાર્થમાં ન્યુક્લિક એસિડ હતા. 1882માં, જર્મન સાયટોલોજિસ્ટ વોલ્ટર ફ્લેમિંગે થ્રેડ-જેવા શરીરનું વર્ણન કર્યું જે કોષ વિભાજન દરમિયાન દૃશ્યમાન હતા, તેમજ આ સામગ્રીનું પુત્રી કોષોમાં સમાન વિતરણ. આ થ્રેડ જેવા શરીર વાસ્તવમાં માઇટોસિસ દરમિયાન બે પુત્રી કોષો વચ્ચે વિભાજિત થતા ક્રોમોઝોમ હતા.

વીસમી સદી દરમિયાન ઘણા મહત્વપૂર્ણ પ્રયોગો હાથ ધરવામાં આવ્યા હતા જેણે જનીન અને ક્રોમોઝોમની પ્રકૃતિ સ્થાપિત કરી હતી, જેમાં સૌથી મહત્વપૂર્ણ 1952માં શાસ્ત્રીય આલ્ફ્રેડ હર્શી અને માર્થા ચેસ પ્રયોગ દ્વારા DNA ની આનુવંશિક સામગ્રી તરીકે ઓળખ હતી. જેમ્સ વોટસન અને ફ્રાન્સિસ ક્રિકે 1953માં DNA ની ડબલ હેલિકલ સ્ટ્રક્ચરનો પ્રસ્તાવ મૂક્યો. ઘણા પ્રયોગો અનુસર્યા જેણે નક્કી કર્યું કે જનીનમાંની માહિતીનો ઉપયોગ કેવી રીતે થાય છે, જેમ કે DNA પ્રતિકૃતિમાં સંકળાયેલા ઉચ્ચચયોનું ચાલાકી, અને DNA સમારકામ.

આધુનિક બાયોટેકનોલોજી rDNA તકનીક પર આધારિત છે જેણે વૈજ્ઞાનિકોને DNA ના વિવિધ ટુકડાઓ કાપવા અને જોડવાની અને નવા પુનઃસંયોજિત (કિમેરિક/ સંકર) DNA ને નવા યજમાનમાં મૂકવાની મંજૂરી આપીને બાયોટેકનોલોજીમાં ક્રાંતિ લાવી છે (ફિગ. 1.1). તે એક સજીવમાંથી બીજા સજીવમાં જનીન(ઓ)ના સ્થાનાંતરણની મંજૂરી આપે છે જે નવી મિલકત આપે છે. આથી તેના ઓળખ પ્રોટીન )

ફિગ. 1.1: આધુનિક બાયોટેકનોલોજીનો અવલોકન ચોકસાઈ અને કાર્યક્ષમતા અને અમર્યાદિત શક્યતાઓ સાથે બાયોટેકનોલોજીની પ્રાચીન પ્રક્રિયામાં ક્રાંતિ લાવી છે. rDNA તકનીકના આગમન પછીથી, બાયોટેકનોલોજી વધુ અદ્યતન બની છે અને દવા, ખેતી, પશુ વિજ્ઞાન અને પર્યાવરણ વિજ્ઞાનમાં પ્રગતિ તરફ દોરી ગઈ છે. આધુનિક બાયોટેકનોલોજીની બહુ-શાખાવાળી પ્રકૃતિ અને તેના ઉપયોગના ક્ષેત્રો ફિગ. 1.2 અને કોષ્ટક 1.1માં આપવામાં આવ્યા છે.

કોષ્ટક 1.1: બાયોટેકનોલોજી હેઠળ આવરી લેવાયેલા ક્ષેત્રોના કેટલાક સામાન્ય નામો

1.2 આધુનિક બાયોટેકનોલોજીના ઉપયોગો

આધુનિક બાયોટેકનોલોજી, જે rDNA તકનીક પર આધારિત છે, ઉપયોગોની વિશાળ શ્રેણી પ્રદર્શિત કરે છે. બાયોટેકનોલોજીના વ્યાપક ઉપયોગના ક્ષેત્રોમાં ફાર્માસ્યુટિકલ અને ઉપચારાત્મક સંશોધન, રોગ નિદાન, પાક સુધારણા, વનસ્પતિ તેલ, બાયોફ્યુઅલ્સ અને પર્યાવરણ-મિત્રવત્ ઉત્પાદનોનો વિકાસ (ઉદાહરણ તર