જૈવપ્રૌદ્યોગિકી એ સજીવો અથવા સજીવોમાંથી મેળવેલા ઉત્સેચકોનો ઉપયોગ કરીને માનવ માટે ઉપયોગી ઉત્પાદનો અને પ્રક્રિયાઓ બનાવવાની તકનીકો સાથે વ્યવહાર કરે છે. આ અર્થમાં, દહીં, બ્રેડ અથવા વાઇન બનાવવી, જે બધી સૂક્ષ્મજીવ-મધ્યસ્થ પ્રક્રિયાઓ છે, તેને પણ જૈવપ્રૌદ્યોગિકીનું એક સ્વરૂપ ગણી શકાય. જો કે, આજે તેનો ઉપયોગ સંકુચિત અર્થમાં થાય છે, તેવી પ્રક્રિયાઓનો સંદર્ભ આપવા માટે કે જે જનીનીય રીતે રૂપાંતરિત સજીવોનો ઉપયોગ કરીને વધુ મોટા પાયે સમાન પરિણામ પ્રાપ્ત કરે છે. વધુમાં, અન્ય ઘણી પ્રક્રિયાઓ/તકનીકો પણ જૈવપ્રૌદ્યોગિકી હેઠળ સમાવિષ્ટ છે. ઉદાહરણ તરીકે, ઇન વિટ્રો ફર્ટિલાઇઝેશન જે ‘ટેસ્ટ-ટ્યુબ’ બેબી તરફ દોરી જાય છે, જનીનનું સંશ્લેષણ કરવું અને તેનો ઉપયોગ કરવો, DNA વેક્સીન વિકસાવવી અથવા ખામીયુક્ત જનીનને સુધારવું, આ બધું જૈવપ્રૌદ્યોગિકીનો ભાગ છે.

યુરોપિયન ફેડરેશન ઓફ બાયોટેકનોલોજી (EFB) એ જૈવપ્રૌદ્યોગિકીની વ્યાખ્યા આપી છે જે પરંપરાગત દૃષ્ટિકોણ અને આધુનિક આણ્વીય જૈવપ્રૌદ્યોગિકી બંનેને આવરી લે છે. EFB દ્વારા આપવામાં આવેલી વ્યાખ્યા નીચે મુજબ છે: ‘ઉત્પાદનો અને સેવાઓ માટે કુદરતી વિજ્ઞાન અને સજીવો, કોષો, તેમના ભાગો અને આણ્વીય સમરૂપોનું એકીકરણ’.

11.1 જૈવપ્રૌદ્યોગિકીના સિદ્ધાંતો

ઘણામાંથી, બે મુખ્ય તકનીકો જેમણે આધુનિક જૈવપ્રૌદ્યોગિકીના જન્મને સક્ષમ બનાવ્યો તે છે:

(i) જનીન ઇજનેરી : જનીનીય દ્રવ્ય (DNA અને RNA) ની રસાયણશાસ્ત્રમાં ફેરફાર કરવાની તકનીકો, તેમને યજમાન સજીવોમાં દાખલ કરવા અને આમ યજમાન સજીવની ફિનોટાઇપ બદલવી.

(ii) જૈવપ્રક્રિયા ઇજનેરી : રાસાયણિક ઇજનેરી પ્રક્રિયાઓમાં નિર્જંતુ (સૂક્ષ્મજીવીય દૂષણ-મુક્ત) વાતાવરણ જાળવવું જેથી માત્ર ઇચ્છિત સૂક્ષ્મજીવ/યુકેરિયોટિક કોષની મોટી માત્રામાં વૃદ્ધિ થઈ શકે અને પ્રતિજૈવિક, રસી, ઉત્સેચકો વગેરે જેવા જૈવપ્રૌદ્યોગિકી ઉત્પાદનોનું ઉત્પાદન થઈ શકે.

ચાલો હવે જનીન ઇજનેરીના સિદ્ધાંતોની વૈચારિક વિકાસને સમજીએ. તમે કદાચ અલિંગી પ્રજનન કરતાં લૈંગિક પ્રજનનના ફાયદાઓની કદર કરો છો. પહેલાનું જનીનીય સેટઅપના અનન્ય સંયોજનો માટે વિવિધતાની તકો પૂરી પાડે છે, જેમાંથી કેટલાક સજીવ તેમજ વસ્તી માટે ફાયદાકારક પણ હોઈ શકે છે. અલિંગી પ્રજનન જનીનીય માહિતીને સાચવે છે, જ્યારે લૈંગિક પ્રજનન વિવિધતાની મંજૂરી આપે છે. વનસ્પતિ અને પ્રાણી પ્રજનનમાં વપરાતી પરંપરાગત સંકરણ પ્રક્રિયાઓ, ઘણી વખત ઇચ્છિત જનીનો સાથે અનિચ્છનીય જનીનોના સમાવેશ અને ગુણાકાર તરફ દોરી જાય છે. જનીન ઇજનેરીની તકનીકો જેમાં પુનઃસંયોજિત DNA ની રચના, જનીન ક્લોનિંગ અને જનીન સ્થાનાંતરણનો ઉપયોગ સામેલ છે, આ મર્યાદાને દૂર કરે છે અને અનિચ્છનીય જનીનોને લક્ષ્ય સજીવમાં દાખલ કર્યા વિના માત્ર એક અથવા ઇચ્છિત જનીનોના સમૂહને અલગ કરવા અને દાખલ કરવાની મંજૂરી આપે છે.

શું તમે જાણો છો કે DNA ના એક ટુકડાનું શું થાય છે, જે કોઈક રીતે અન્ય સજીવમાં સ્થાનાંતરિત થાય છે? સૌથી વધુ સંભાવના છે કે, આ DNA નો ટુકડો સજીવના સંતતિ કોષોમાં પોતાનો ગુણાકાર કરવામાં સમર્થ નહીં થાય. પરંતુ, જ્યારે તે પ્રાપ્તકર્તાના જીનોમમાં સંકલિત થાય છે, ત્યારે તે ગુણાકાર કરી શકે છે અને યજમાન DNA સાથે વારસામાં મળી શકે છે. આ એટલા માટે કે બાહ્ય DNA નો ટુકડો ક્રોમોઝોમનો ભાગ બની ગયો છે, જેમાં પ્રતિકૃતિ બનાવવાની ક્ષમતા હોય છે. ક્રોમોઝોમમાં એક ચોક્કસ DNA ક્રમ હોય છે જેને પ્રતિકૃતિનો ઉદ્ગમ કહેવાય છે, જે પ્રતિકૃતિ શરૂ કરવા માટે જવાબદાર છે. તેથી, કોઈપણ બાહ્ય DNA ટુકડાના સજીવમાં ગુણાકાર માટે તેને ક્રોમોઝોમ(ઓ)નો ભાગ બનવાની જરૂર છે જેમાં ‘પ્રતિકૃતિનો ઉદ્ગમ’ તરીકે ઓળખાતો ચોક્કસ ક્રમ હોય છે. આમ, બાહ્ય DNA ને પ્રતિકૃતિના ઉદ્ગમ સાથે જોડવામાં આવે છે, જેથી આ બાહ્ય DNA ટુકડો યજમાન સજીવમાં પોતાની પ્રતિકૃતિ અને ગુણાકાર કરી શકે. આને ક્લોનિંગ અથવા કોઈપણ ટેમ્પલેટ DNA ની બહુવિધ સમાન નકલો બનાવવી પણ કહી શકાય.

ચાલો હવે કૃત્રિમ પુનઃસંયોજિત DNA અણુના નિર્માણના પ્રથમ ઉદાહરણ પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરીએ. પ્રથમ પુનઃસંયોજિત DNA નું નિર્માણ એન્ટિબાયોટિક પ્રતિરોધને એનકોડ કરતા જનીનને સાલ્મોનેલા ટાઇફિમ્યુરિયમના મૂળ પ્લાઝમિડ (સ્વાયત્ત રીતે પ્રતિકૃતિ બનાવતું વર્તુળાકાર અતિરિક્ત-ક્રોમોઝોમલ DNA) સાથે જોડવાની સંભાવનામાંથી ઉદ્ભવ્યું. સ્ટેનલી કોહેન અને હર્બર્ટ બોયરે 1972માં પ્લાઝમિડમાંથી DNA નો એક ટુકડો કાપીને એન્ટિબાયોટિક પ્રતિરોધ જનીનને અલગ કરીને આ સિદ્ધિ હાંસલ કરી. ચોક્કસ સ્થાનોએ DNA ને કાપવું ‘આણ્વીય કાતર’ - નિયંત્રણ ઉત્સેચકોની શોધ સાથે શક્ય બન્યું. પછી કાપેલા DNA ટુકડાને પ્લાઝમિડ DNA સાથે જોડવામાં આવ્યું. આ પ્લાઝમિડ DNA વેક્ટર તરીકે કાર્ય કરે છે જે તેની સાથે જોડાયેલા DNA ટુકડાને સ્થાનાંતરિત કરે છે. તમે કદાચ જાણો છો કે મચ્છર એક જંતુ વેક્ટર તરીકે કાર્ય કરે છે જે મલેરિયા પરોપજીવીને માનવ શરીરમાં સ્થાનાંતરિત કરે છે. તે જ રીતે, પ્લાઝમિડનો ઉપયોગ યજમાન સજીવમાં બાહ્ય DNA નો ટુકડો પહોંચાડવા માટે વેક્ટર તરીકે થઈ શકે છે. એન્ટિબાયોટિક પ્રતિરોધ જનીનને પ્લાઝમિડ વેક્ટર સાથે જોડવું DNA લાઇગેઝ ઉત્સેચક સાથે શક્ય બન્યું, જે કાપેલા DNA અણુઓ પર કાર્ય કરે છે અને તેમના છેડા જોડે છે. આ ઇન વિટ્રોમાં બનાવેલા વર્તુળાકાર સ્વાયત્ત રીતે પ્રતિકૃતિ બનાવતા DNA નું એક નવું સંયોજન બનાવે છે અને તેને પુનઃસંયોજિત DNA તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. જ્યારે આ DNA ને ઇશેરીશિયા કોલાઈમાં સ્થાનાંતરિત કરવામાં આવે છે, જે સાલ્મોનેલા સાથે નજીકથી સંબંધિત બેક્ટેરિયા છે, ત્યારે તે નવા યજમાનના DNA પોલિમરેઝ ઉત્સેચકનો ઉપયોગ કરીને પ્રતિકૃતિ બનાવી શકે છે અને બહુવિધ નકલો બનાવી શકે છે. ઇ. કોલાઈમાં એન્ટિબાયોટિક પ્રતિરોધ જનીનની નકલોનો ગુણાકાર કરવાની ક્ષમતાને ઇ. કોલાઈમાં એન્ટિબાયોટિક પ્રતિરોધ જનીનનું ક્લોનિંગ કહેવામાં આવ્યું.

તેથી તમે અનુમાન કરી શકો છો કે સજીવને જનીનીય રીતે રૂપાંતરિત કરવામાં ત્રણ મૂળભૂત પગલાં છે —

(i) ઇચ્છિત જનીનો સાથે DNA ની ઓળખ;

(ii) ઓળખાયેલા DNA ને યજમાનમાં દાખલ કરવું;

(iii) યજમાનમાં દાખલ કરેલા DNA નું જાળવણી અને તેના સંતતિમાં DNA નું સ્થાનાંતરણ.

11.2 પુનઃસંયોજિત DNA ટેકનોલોજીના સાધનો

હવે આપણે અગાઉની ચર્ચામાંથી જાણીએ છીએ કે જનીન ઇજનેરી અથવા પુનઃસંયોજિત DNA ટેકનોલોજી ત્યારે જ પૂર્ણ થઈ શકે છે જ્યારે આપણી પાસે મુખ્ય સાધનો હોય, એટલે કે, નિયંત્રણ ઉત્સેચકો, પોલિમરેઝ ઉત્સેચકો, લાઇગેઝ, વેક્ટર અને યજમાન સજીવ. ચાલો આમાંથી કેટલાકને વિગતવાર સમજવાનો પ્રયાસ કરીએ.

11.2.1 નિયંત્રણ ઉત્સેચકો

વર્ષ 1963 માં, ઇશેરીશિયા કોલાઈમાં બેક્ટેરિયોફેજની વૃદ્ધિને નિયંત્રિત કરવા માટે જવાબદાર બે ઉત્સેચકો અલગ કરવામાં આવ્યા હતા. આમાંથી એક DNA માં મિથાઇલ સમૂહો ઉમેરતો હતો, જ્યારે બીજો DNA ને કાપતો હતો. બાદમાં તેને રેસ્ટ્રિક્શન એન્ડોન્યુક્લિએઝ કહેવામાં આવ્યું.

પ્રથમ રેસ્ટ્રિક્શન એન્ડોન્યુક્લિએઝ – હિન્ડ II, જેનું કાર્ય DNA ન્યુક્લિઓટાઇડના ચોક્કસ ક્રમ પર આધારિત હતું, તે પાંચ વર્ષ પછી અલગ કરવામાં આવ્યું અને લક્ષણવર્ણન કરવામાં આવ્યું. જાણવા મળ્યું કે હિન્ડ II હંમેશા છ બેઈસ જોડીના ચોક્કસ ક્રમને ઓળખીને ચોક્કસ બિંદુએ DNA અણુઓને કાપે છે. આ ચોક્કસ બેઈસ ક્રમ હિન્ડ II માટે ઓળખ ક્રમ તરીકે ઓળખાય છે. હિન્ડ II ઉપરાંત, આજે આપણે 900 થી વધુ રેસ્ટ્રિક્શન ઉત્સેચકો જાણીએ છીએ જે બેક્ટેરિયાની 230 થી વધુ સ્ટ્રેઇનમાંથી અલગ કરવામાં આવ્યા છે જેમાંથી દરેક અલગ અલગ ઓળખ ક્રમને ઓળખે છે.

આ ઉત્સેચકોનું નામકરણ કરવાનો રિવાજ એ છે કે નામનો પ્રથમ અક્ષર જીનસમાંથી આવે છે અને બીજા બે અક્ષરો પ્રોકેરિયોટિક કોષની સ્પીસીઝમાંથી આવે છે જ્યાંથી તે અલગ કરવામાં આવ્યા હતા, ઉદાહરણ તરીકે, ઇકોRI ઇશેરીશિયા કોલાઈ RY 13 માંથી આવે છે. ઇકોRI માં, અક્ષર ‘R’ સ્ટ્રેઇનના નામમાંથી લેવામાં આવ્યો છે. નામોને અનુસરતા રોમન અંકો સૂચવે છે કે બેક્ટેરિયાની તે સ્ટ્રેઇનમાંથી ઉત્સેચકો કયા ક્રમમાં અલગ કરવામાં આવ્યા હતા.

રેસ્ટ્રિક્શન ઉત્સેચકો ન્યુક્લિએઝ નામના મોટા વર્ગના ઉત્સેચકો સાથે સંબંધિત છે. આ બે પ્રકારના છે; એક્સોન્યુક્લિએઝ અને એન્ડોન્યુક્લિએઝ. એક્સોન્યુક્લિએઝ DNA ના છેડેથી ન્યુક્લિઓટાઇડને દૂર કરે છે જ્યારે, એન્ડોન્યુક્લિએઝ DNA ની અંદર ચોક્કસ સ્થાનોએ કાપ મૂકે છે.

દરેક રેસ્ટ્રિક્શન એન્ડોન્યુક્લિએઝ DNA ક્રમની લંબાઈનું ‘નિરીક્ષણ’ કરીને કાર્ય કરે છે. એકવાર તે તેનો ચોક્કસ ઓળખ ક્રમ શોધી કાઢે છે, ત્યારે તે DNA સાથે જોડાશે અને ડબલ હેલિક્સની બંને શૃંખલાઓને તેમના શર્કરા-ફોસ્ફેટ બેકબોનમાં ચોક્કસ બિંદુઓ પર કાપી નાખશે (આકૃતિ 11.1). દરેક રેસ્ટ્રિક્શન એન્ડોન્યુક્લિએઝ DNA માં ચોક્કસ પેલિન્ડ્રોમિક ન્યુક્લિઓટાઇડ ક્રમને ઓળખે છે.

આકૃતિ 11.1 રેસ્ટ્રિક્શન એન્ડોન્યુક્લિએઝ ઉત્સેચક - ઇકોRI ની ક્રિયા દ્વારા પુનઃસંયોજિત DNA ની રચના માટેના પગલાં

શું તમે જાણો છો પેલિન્ડ્રોમ શું છે? આ અક્ષરોના સમૂહ છે જે આગળ અને પાછળ બંને તરફ વાંચતા સમાન શબ્દો બનાવે છે, ઉદાહરણ તરીકે, “મલયાલમ”. શબ્દ-પેલિન્ડ્રોમની વિરુદ્ધ જ્યાં બંને દિશામાં સમાન શબ્દ વાંચવામાં આવે છે, DNA માં પેલિન્ડ્રોમ એ બેઈસ જોડીનો એક ક્રમ છે જે વાંચવાની દિશા સમાન રાખવામાં આવે ત્યારે બે શૃંખલાઓ પર સમાન વાંચે છે. ઉદાહરણ તરીકે, નીચેનો ક્રમ 5’ $\rightarrow$ 3’ દિશામાં બે શૃંખલાઓ પર સમાન વાંચે છે. જો 3’ $\rightarrow$ 5’ દિશામાં વાંચવામાં આવે તો આ પણ સાચું છે

$ \begin{aligned} 5^{\prime}—– \text { GAATTC }—– 3^{\prime} \\ 3^{\prime}—–\text { CTTAAG }—–5^{\prime} \end{aligned} $

રેસ્ટ્રિક્શન ઉત્સેચકો DNA ની શૃંખલાને પેલિન્ડ્રોમ સાઇટ્સના કેન્દ્રથી થોડા દૂર, પરંતુ વિરુદ્ધ શૃંખલાઓ પર સમાન બે બેઈસ વચ્ચે કાપે છે. આ છેડે એક-શૃંખલાવાળા ભાગો છોડે છે. દરેક શૃંખલા પર ઓવરહેંગિંગ સ્ટ્રેચ હોય છે જેને સ્ટીકી એન્ડ કહેવામાં આવે છે (આકૃતિ 11.1). તેમને આ નામ આપવામાં આવ્યું છે કારણ કે તેઓ તેમના પૂરક કાપેલા સમકક્ષો સાથે હાઇડ્રોજન બોન્ડ બનાવે છે. છેડાની આ ચોંટણી DNA લાઇગેઝ ઉત્સેચકની ક્રિયાને સરળ બનાવે છે.

રેસ્ટ્રિક્શન એન્ડોન્યુક્લિએઝનો ઉપયોગ જનીન ઇજનેરીમાં ‘પુનઃસંયોજિત’ DNA અણુઓ બનાવવા માટે થાય છે, જે વિવિધ સ્રોતો/જીનોમમાંથી DNA થી બનેલા હોય છે.

જ્યારે સમાન રેસ્ટ્રિક્શન ઉત્સેચક દ્વારા કાપવામાં આવે છે, ત્યારે પરિણામી DNA ટુકડાઓ સમાન પ્રકારના ‘સ્ટીકી-એન્ડ’ ધરાવે છે અને, આને DNA લાઇગેઝનો ઉપયોગ કરીને એકસાથે જોડી શકાય છે (એન્ડ-ટુ-એન્ડ) (આકૃતિ 11.2).

આકૃતિ 11.2 પુનઃસંયોજિત DNA ટેકનોલોજીનું રેખાકૃતિ નિરૂપણ

તમે સમજ્યા હશો કે સામાન્ય રીતે, જ્યાં સુધી કોઈ વેક્ટર અને સ્રોત DNA ને સમાન રેસ્ટ્રિક્શન ઉત્સેચક સાથે ન કાપે, ત્યાં સુધી પુનઃસંયોજિત વેક્ટર અણુ બનાવી શકાતો નથી.

DNA ટુકડાઓનું અલગીકરણ અને વિલગન : રેસ્ટ્રિક્શન એન્ડોન્યુક્લિએઝ દ્વારા DNA ને કાપવાના પરિણામે DNA ના ટુકડાઓ થાય છે. આ ટુકડાઓને જેલ ઇલેક્ટ્રોફોરેસીસ તરીકે ઓળખાતી તકનીક દ્વારા અલગ કરી શકાય છે. DNA ટુકડાઓ નકારાત્મક રીતે ચાર્જ થયેલા અણુઓ હોવાથી તેમને માધ્યમ/મેટ્રિક્સ દ્વારા વિદ્યુત ક્ષેત્ર હેઠળ એનોડ તરફ ખસેડવા માટે દબાણ કરીને અલગ કરી શકાય છે. આજકાલ સૌથી વધુ વપરાતું મેટ્રિક્સ એગારોઝ છે જે સમુદ્રી ઘાસમાંથી કાઢવામાં આવેલ કુદરતી પોલિમર છે. DNA ટુકડાઓ એગારોઝ જેલ દ્વારા પૂરી પાડવામાં આવેલ છાણણી અસર દ્વારા તેમના કદ મુજબ અલગ (રિઝોલ્વ) થાય છે. તેથી, ટુકડાનું કદ જેટલું નાનું હશે, તેટલું દૂર જશે. આકૃતિ 11.3 જુઓ અને અનુમાન લગાવો કે જેલના કયા છેડે નમૂનો લોડ કરવામાં આવ્યો હતો.

આકૃતિ 11.3 એક લાક્ષણિક એગારોઝ જેલ ઇલેક્ટ્રોફોરેસીસ અનડાઇજેસ્ટેડ (લેન 1) અને ડાઇજેસ્ટેડ DNA ટુકડાઓના સમૂહ (લેન 2 થી 4) ના સ્થળાંતરણ દર્શાવે છે.

અલગ કરેલા DNA ટુકડાઓ DNA ને એથિડિયમ બ્રોમાઇડ તરીકે ઓળખાતા સંયોજન સાથે રંગવા અને UV વિકિરણને ઉડાવ્યા પછી જ દ્રશ્યમાન થઈ શકે છે (તમે દૃશ્યમાન પ્રકાશમાં અને રંગ્યા વિના શુદ્ધ DNA ટુકડાઓ જોઈ શકતા નથી). તમે UV પ્રકાશમાં ઉડાવેલા એથિડિયમ બ્રોમાઇડ રંગેલા જેલમાં DNA ની તેજસ્વી નારંગી રંગની પટ્ટીઓ જોઈ શકો છો (આકૃતિ 11.3). DNA ની અલગ પડેલી પટ્ટીઓને એગારોઝ જેલમાંથી કાપીને જેલના ટુકડામાંથી કાઢવામાં આવે છે. આ પગલાને એલ્યુશન કહેવામાં આવે છે. આ રીતે શુદ્ધ કરેલા DNA ટુકડાઓનો ઉપયોગ ક્લોનિંગ વેક્ટર સાથે