જૈવતકનીક, જેમ તમે પાછલા અધ્યાયમાંથી શીખ્યા હશો, તે આવશ્યક રીતે જનીનીય રીતે રૂપાંતરિત સૂક્ષ્મજીવો, ફૂગ, છોડ અને પ્રાણીઓનો ઉપયોગ કરીને ઔદ્યોગિક સ્તરે જૈવ-ઔષધીય પદાર્થો અને જૈવિક પદાર્થોના ઉત્પાદન સાથે સંબંધિત છે. જૈવતકનીકના ઉપયોગોમાં ઉપચાર, નિદાન, ખેતી માટે જનીનીય રીતે રૂપાંતરિત પાક, પ્રોસેસ્ડ ફૂડ, જૈવ-સુધારણા, કચરા સંસ્કરણ અને ઊર્જા ઉત્પાદનનો સમાવેશ થાય છે. જૈવતકનીકના ત્રણ મહત્વપૂર્ણ સંશોધન ક્ષેત્રો છે:

(i) સુધારેલ સજીવના રૂપમાં શ્રેષ્ઠ ઉત્પ્રેરક પૂરો પાડવો, જે સામાન્ય રીતે સૂક્ષ્મજીવ અથવા શુદ્ધ ઉત્સેચક હોય છે.

(ii) ઉત્પ્રેરકને કાર્ય કરવા માટે ઇજનેરી દ્વારા શ્રેષ્ઠ પરિસ્થિતિઓનું સર્જન કરવું, અને

(iii) પ્રોટીન/કાર્બનિક સંયોજનને શુદ્ધ કરવા માટે ડાઉનસ્ટ્રીમ પ્રોસેસિંગ ટેકનોલોજી.

ચાલો હવે આપણે શીખીએ કે મનુષ્યોએ માનવ જીવનની ગુણવત્તા સુધારવા માટે, ખાસ કરીને ખાદ્ય ઉત્પાદન અને આરોગ્યના ક્ષેત્રમાં, જૈવતકનીકનો ઉપયોગ કેવી રીતે કર્યો છે.

12.1 ખેતીમાં જૈવતકનીકી ઉપયોગો

ચાલો ખાદ્ય ઉત્પાદન વધારવા માટે વિચારી શકાય તેવા ત્રણ વિકલ્પો પર એક નજર નાખીએ

(i) કૃષિ-રાસાયણિક આધારિત ખેતી;

(ii) જૈવિક ખેતી; અને

(iii) જનીનીય ઇજનેરી પાક-આધારિત ખેતી.

ગ્રીન રિવોલ્યુશન ખાદ્ય પુરવઠાને ત્રણ ગણો કરવામાં સફળ રહ્યું પરંતુ તે વધતી માનવ વસ્તીને ખવડાવવા માટે પૂરતું ન હતું. વધેલી ઉપજ આંશિક રીતે સુધારેલ પાકની જાતોના ઉપયોગને કારણે, પરંતુ મુખ્યત્વે સારી વ્યવસ્થાપન પદ્ધતિઓના ઉપયોગ અને કૃષિ-રસાયણો (ખાતર અને કીટનાશકો)ના ઉપયોગને કારણે હતી. જો કે, વિકાસશીલ વિશ્વના ખેડૂતો માટે, કૃષિ-રસાયણો ઘણી વખત ખૂબ ખર્ચાળ હોય છે, અને હાલની જાતો સાથે પરંપરાગત પ્રજનનનો ઉપયોગ કરીને વધુ ઉપજ વધારવી શક્ય નથી. જેમ જેમ પરંપરાગત પ્રજનન તકનીકો માંગ સાથે પગલું મેળવવામાં અને પાક સુધારણા માટે પૂરતી ઝડપી અને કાર્યક્ષમ પ્રણાલીઓ પૂરી પાડવામાં નિષ્ફળ રહી, તેમ બીજી એક ટેકનોલોજી જેને પેશી સંવર્ધન કહેવાય તે વિકસિત થઈ. પેશી સંવર્ધનનો અર્થ શું છે? વૈજ્ઞાનિકોએ 1950ના દાયકા દરમિયાન શીખ્યા કે સમગ્ર છોડને એક્સપ્લાન્ટ્સમાંથી પુનઃઉત્પન્ન કરી શકાય છે, એટલે કે, છોડનો કોઈપણ ભાગ લઈને નિષ્ક્રિય પરિસ્થિતિઓમાં વિશિષ્ટ પોષક માધ્યમમાં ટેસ્ટ ટ્યુબમાં ઉગાડવામાં આવે છે. કોઈપણ કોષ/એક્સપ્લાન્ટમાંથી સમગ્ર છોડ ઉત્પન્ન કરવાની આ ક્ષમતાને ટોટિપોટેન્સી કહેવામાં આવે છે. તમે ઉચ્ચ વર્ગોમાં આ કેવી રીતે પરિપૂર્ણ કરવું તે શીખશો. અહીં એ ભાર મૂકવું મહત્વપૂર્ણ છે કે પોષક માધ્યમે સુક્રોઝ જેવો કાર્બન સ્રોત અને અકાર્બનિક ક્ષાર, વિટામિન્સ, એમિનો એસિડ્સ અને ઓક્સિન્સ, સાયટોકિનિન્સ જેવા વૃદ્ધિ નિયામકો પણ પૂરા પાડવા જોઈએ. આ પદ્ધતિઓના ઉપયોગ દ્વારા ખૂબ જ ટૂંકા સમયમાં મોટી સંખ્યામાં છોડના પ્રસારણને પ્રાપ્ત કરવું શક્ય છે. આ પેશી સંવર્ધન દ્વારા હજારો છોડ ઉત્પન્ન કરવાની પદ્ધતિને સૂક્ષ્મ-પ્રસારણ કહેવામાં આવે છે. આ દરેક છોડ તે મૂળ છોડ સાથે જનીનીય રીતે સમાન હશે જેમાંથી તેઓ ઉગાડવામાં આવ્યા હતા, એટલે કે, તેઓ સોમાક્લોન્સ છે. ટમેટા, કેળા, સફરજન વગેરે જેવા ઘણા મહત્વપૂર્ણ ખાદ્ય છોડ આ પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરીને વ્યાપારિક સ્તરે ઉત્પાદિત કરવામાં આવ્યા છે. પ્રક્રિયાને વધુ સારી રીતે સમજવા અને પ્રશંસા કરવા માટે તમારા શિક્ષક સાથે પેશી સંવર્ધન પ્રયોગશાળાની મુલાકાત લેવાનો પ્રયાસ કરો.

આ પદ્ધતિનો બીજો મહત્વપૂર્ણ ઉપયોગ છે રોગગ્રસ્ત છોડમાંથી સ્વસ્થ છોડને પુનઃપ્રાપ્ત કરવો. ભલે છોડ વાઇરસથી ચેપાયેલો હોય, પરંતુ મેરિસ્ટેમ (શિખરીય અને કક્ષીય) વાઇરસથી મુક્ત હોય છે. તેથી, કોઈ વ્યક્તિ મેરિસ્ટેમને દૂર કરી શકે છે અને વાઇરસ-મુક્ત છોડ મેળવવા માટે તેને ઇન વિટ્રોમાં ઉગાડી શકે છે. વૈજ્ઞાનિકોએ કેળા, ખાંડ, બટાટા વગેરેના મેરિસ્ટેમ્સને સંવર્ધિત કરવામાં સફળતા મેળવી છે.

વૈજ્ઞાનિકોએ છોડમાંથી એકલ કોષોને પણ અલગ કર્યા છે અને તેમના કોષ દીવાલોને પાચન કર્યા પછી નગ્ન પ્રોટોપ્લાસ્ટ્સ (પ્લાઝ્મા પટલ દ્વારા ઘેરાયેલા)ને અલગ કરવામાં સફળ રહ્યા છે. બે વિવિધ જાતિના છોડમાંથી અલગ કરાયેલા પ્રોટોપ્લાસ્ટ્સ - દરેકમાં એક ઇચ્છનીય લક્ષણ હોય છે - તેમને સંકર પ્રોટોપ્લાસ્સ્ટ મેળવવા માટે સંલયન કરી શકાય છે, જેને આગળ નવા છોડ રચવા માટે ઉગાડી શકાય છે. આ સંકરોને દૈહિક સંકર કહેવામાં આવે છે જ્યારે પ્રક્રિયાને દૈહિક સંકરીકરણ કહેવામાં આવે છે. એક પરિસ્થિતિની કલ્પના કરો જ્યારે ટમેટાના પ્રોટોપ્લાસ્ટને બટાટાના પ્રોટોપ્લાસ્ટ સાથે સંલયન કરવામાં આવે છે, અને પછી તેમને ઉગાડવામાં આવે છે - ટમેટા અને બટાટાની લાક્ષણિકતાઓને જોડીને નવા સંકર છોડ રચવા માટે. સારું, આ પ્રાપ્ત કરવામાં આવ્યું છે - જેના પરિણામે પોમેટોની રચના થઈ છે; કમનસીબે આ છોડમાં તેના વ્યાપારિક ઉપયોગ માટે ઇચ્છિત લાક્ષણિકતાઓનું સંયોજન ન હતું.

શું કોઈ વૈકલ્પિક માર્ગ છે જે આપણી આનુવંશિકતાની સમજ દર્શાવી શકે છે જેથી ખેડૂતોને તેમના ખેતરોમાં મહત્તમ ઉપજ મળી શકે? શું ખાતરો અને રસાયણોના ઉપયોગને ઘટાડવાનો કોઈ માર્ગ છે જેથી પર્યાવરણ પર તેમના હાનિકારક અસરો ઘટે? જનીનીય રીતે રૂપાંતરિત પાકનો ઉપયોગ એક સંભવિત ઉકેલ છે.

છોડ, બેક્ટેરિયા, ફૂગ અને પ્રાણીઓ જેના જનીનોમાં ફેરફાર કરીને ફેરફાર કરવામાં આવ્યો છે તેને જનીનીય રીતે રૂપાંતરિત સજીવો (GMO) કહેવામાં આવે છે. જીએમ છોડ ઘણી રીતે ઉપયોગી રહ્યા છે. જનીનીય રૂપાંતરણે:

(i) પાકને અજૈવિક તણાવ (ઠંડુ, દુષ્કાળ, લવણ, ગરમી) માટે વધુ સહનશીલ બનાવ્યા છે.

(ii) રાસાયણિક કીટનાશકો પર નિર્ભરતા ઘટાડી છે (કીટ-પ્રતિરોધક પાક).

(iii) કાપણી પછીના નુકસાનને ઘટાડવામાં મદદ કરી છે.

(iv) છોડ દ્વારા ખનિજ ઉપયોગની કાર્યક્ષમતા વધારી છે (આ માટીની ફળદ્રુપતાના પ્રારંભિક ખલાસાને અટકાવે છે).

(v) ખાદ્યનું પોષણ મૂલ્ય વધાર્યું છે, ઉદાહરણ તરીકે, સુવર્ણ ચોખા, એટલે કે, વિટામિન ‘એ’ યુક્ત ચોખા.

આ ઉપયોગો ઉપરાંત, જીએમનો ઉપયોગ ઉદ્યોગો માટે વૈકલ્પિક સંસાધનો પૂરા પાડવા માટે ટેલર-મેડ છોડ બનાવવા માટે થયો છે, જે સ્ટાર્ચ, ઇંધણ અને ઔષધીય પદાર્થોના રૂપમાં છે.

ખેતીમાં જૈવતકનીકના કેટલાક ઉપયોગો જે તમે વિગતવાર અભ્યાસ કરશો તે છે કીટ-પ્રતિરોધક છોડનું ઉત્પાદન, જે કીટનાશકોના ઉપયોગની માત્રા ઘટાડી શકે છે. બીટી ટોક્સિન બેસિલસ થ્યુરિન્જિએન્સિસ (ટૂંકમાં બીટી) નામના બેક્ટેરિયા દ્વારા ઉત્પન્ન થાય છે. બીટી ટોક્સિન જનીનને બેક્ટેરિયામાંથી ક્લોન કરવામાં આવ્યું છે અને કીટનાશકોની જરૂરિયાત વિના કીડાઓ સામે પ્રતિરોધકતા પૂરી પાડવા માટે છોડમાં વ્યક્ત કરવામાં આવ્યું છે; અસરકારક રીતે જૈવ-કીટનાશક બનાવ્યું. ઉદાહરણો છે બીટી કપાસ, બીટી મકાઈ, ચોખા, ટમેટા, બટાટા અને સોયાબીન વગેરે.

બીટી કપાસ: બેસિલસ થ્યુરિન્જિએન્સિસના કેટલાક દ્રાવ્ય પ્રોટીન ઉત્પન્ન કરે છે જે લેપિડોપ્ટેરન્સ (તમાકુ બડવર્મ, આર્મીવર્મ), કોલીઓપ્ટેરન્સ (ભમરો) અને ડિપ્ટેરન્સ (માખીઓ, મચ્છરો) જેવા ચોક્કસ કીડાઓને મારી નાખે છે. બી. થ્યુરિન્જિએન્સિસ તેમની વૃદ્ધિના ચોક્કસ તબક્કા દરમિયાન પ્રોટીન સ્ફટિકો રચે છે. આ સ્ફટિકોમાં એક ઝેરી કીટનાશક પ્રોટીન હોય છે. આ ઝેર બેસિલસને કેમ મારતું નથી? વાસ્તવમાં, બીટી ટોક્સિન પ્રોટીન નિષ્ક્રિય પ્રોટોક્સિન તરીકે અસ્તિત્વમાં છે પરંતુ એકવાર કીડો નિષ્ક્રિય ઝેર ગળી જાય છે, ત્યારે તે આંતરડાના ક્ષારીય pH ને કારણે ઝેરના સક્રિય સ્વરૂપમાં રૂપાંતરિત થાય છે જે સ્ફટિકોને ઓગળવા યોગ્ય બનાવે છે. સક્રિય ઝેર મધ્યાંત્રના ઉપકલા કોષોની સપાટી સાથે જોડાય છે અને છિદ્રો બનાવે છે જે કોષ સોજો અને વિઘટનનું કારણ બને છે અને અંતે કીડાના મૃત્યુનું કારણ બને છે.

ચોક્કસ બીટી ટોક્સિન જનીનો બેસિલસ થ્યુરિન્જિએન્સિસમાંથી અલગ કરવામાં આવ્યા હતા અને કપાસ (આકૃતિ 12.1) જેવા અનેક પાક છોડમાં સમાવિષ્ટ કરવામાં આવ્યા હતા. જનીનોની પસંદગી પાક અને લક્ષિત કીટ પર આધારિત છે, કારણ કે મોટાભાગના બીટી ટોક્સિન કીટ-સમૂહ વિશિષ્ટ હોય છે. ઝેર ક્રાય નામના જનીન દ્વારા કોડિંગ થાય છે. તેમાંથી ઘણા છે, ઉદાહરણ તરીકે, જનીનો ક્રાયઆઇએસી અને ક્રાયઆઇઆઇએબી દ્વારા એન્કોડ કરાયેલા પ્રોટીન કપાસના બોલવર્મ્સને નિયંત્રિત કરે છે, જે ક્રાયઆઇએબી કોર્ન બોરરને નિયંત્રિત કરે છે.

આકૃતિ 12.1 કપાસનો ડોડો: (a) બોલવર્મ્સ દ્વારા નષ્ટ; (b) સંપૂર્ણ પરિપક્વ કપાસનો ડોડો

કીટ-પ્રતિરોધક છોડ: અનેક નેમાટોડ્સ મનુષ્ય સહિત વિવિધ પ્રકારના છોડ અને પ્રાણીઓમાં પરોપજીવી તરીકે રહે છે. એક નેમાટોડ મેલોઇડેજાઇન ઇનકોગ્નિટિયા તમાકુના છોડની મૂળને ચેપિત કરે છે અને ઉપજમાં મોટી ઘટાડો કરે છે. આ ચેપલગાવાને અટકાવવા માટે એક નવીન વ્યૂહરચના અપનાવવામાં આવી હતી જે આરએનએ દખલગીરી (RNAi) ની પ્રક્રિયા પર આધારિત હતી. RNAi બધા યુકેરિયોટિક સજીવોમાં કોષીય રક્ષણની પદ્ધતિ તરીકે થાય છે. આ પદ્ધતિમાં પૂરક dsRNA અણુને કારણે ચોક્કસ mRNA ની શાંતિનો સમાવેશ થાય છે જે mRNA (શાંતિ) ના અનુવાદને બાંધે છે અને અટકાવે છે. આ પૂરક RNA નો સ્રોત RNA જીનોમ ધરાવતા વાઇરસના ચેપ અથવા મોબાઇલ જનીનીય તત્વો (ટ્રાન્સપોઝન્સ) હોઈ શકે છે જે RNA મધ્યવર્તી દ્વારા પ્રતિકૃતિ કરે છે.

એગ્રોબેક્ટેરિયમ વેક્ટર્સનો ઉપયોગ કરીને, નેમાટોડ-વિશિષ્ટ જનીનોને યજમાન છોડમાં રજૂ કરવામાં આવ્યા હતા (આકૃતિ 12.2). DNA ની રજૂઆત એવી હતી કે તે યજમાન કોષોમાં સેન્સ અને એન્ટી-સેન્સ RNA બંને ઉત્પન્ન કરે છે. આ બે RNA એકબીજાના પૂરક હોવાથી ડબલ સ્ટ્રેન્ડેડ (dsRNA) રચાયું જે RNAi શરૂ કરે છે અને આમ, નેમાટોડના ચોક્કસ mRNA ને શાંત કરે છે. પરિણામ એ હતું કે પરોપજીવી ચોક્કસ દખલગીરી RNA વ્યક્ત કરતા ટ્રાન્સજેનિક યજમાનમાં જીવી શકતો નથી. તેથી ટ્રાન્સજેનિક છોડ પોતાને પરોપજીવીથી સુરક્ષિત કરી લે છે (આકૃતિ 12.2).

આકૃતિ 12.2 યજમાન છોડ-ઉત્પન્ન dsRNA નેમાટોડ ચેપલગાવા સામે રક્ષણને ટ્રિગર કરે છે: (a) લાક્ષણિક નિયંત્રણ છોડની મૂળ; (b) નેમાટોડના ઇરાદાપૂર્વકના ચેપ પછી 5 દિવસ પરંતુ નવીન પદ્ધતિ દ્વારા સુરક્ષિત ટ્રાન્સજેનિક છોડની મૂળ.

12.2 દવામાં જૈવતકનીકી ઉપયોગો

પુનઃસંયોજિત DNA તકનીકી પ્રક્રિયાઓએ સલામત અને વધુ અસરકારક ઉપચારાત્મક દવાઓના સામૂહિક ઉત્પાદનને સક્ષમ કરીને આરોગ્યસંભાળના ક્ષેત્રમાં વિશાળ પ્રભાવ પાડ્યો છે. વધુમાં, પુનઃસંયોજિત ઉપચારાત્મક દવાઓ અનિચ્છનીય રોગપ્રતિકારક પ્રતિભાવોને પ્રેરિત કરતી નથી જેમ કે માનવ-સિવાયના સ્રોતોમાંથી અલગ કરાયેલા સમાન ઉત્પાદનોના કિસ્સામાં સામાન્ય છે. હાલમાં, વિશ્વભરમાં માનવ-ઉપયોગ માટે લગભગ 30 પુનઃસંયોજિત ઉપચારાત્મક દવાઓ મંજૂર છે. ભારતમાં, આમાંથી 12 હાલમાં વેચાણ કરવામાં આવી રહી છે.

12.2.1 જનીનીય ઇજનેરી ઇન્સ્યુલિન

વયસ્ક-શરૂઆત ડાયાબિટીસનું સંચાલન નિયમિત સમય અંતરે ઇન્સ્યુલિન લઈને શક્ય છે. જો પૂરતું માનવ-ઇન્સ્યુલિન ઉપલબ્ધ ન હોય તો ડાયાબિટીક રોગી શું કરશે? જો તમે આ વિશે ચર્ચા કરો, તો તમે શીઘ્ર જ સમજી શકશો કે એક વ્યક્તિને અન્ય પ્રાણીઓમાંથી ઇન્સ્યુલિનને અલગ કરવું અને ઉપયોગ કરવો પડશે. શું અન્ય પ્રાણીઓમાંથી અલગ કરાયેલું ઇન્સ્યુલિન માનવ શરીર દ્વારા સ્ત્રાવિત થતા ઇન્સ્યુલિન જેટલું જ અસરકારક હશે અને શું તે માનવ શરીરમાં રોગપ્રતિકારક પ્રતિભાવને પ્રેરિત કરશે નહીં? હવે, કલ્પના કરો કે જો બેક્ટેરિયમ ઉપલબ્ધ હોય જે માનવ ઇન્સ્યુલિન બનાવી શકે. અચાનક સમગ્ર પ્રક્રિયા એટલી સરળ બની જાય છે. તમે સરળતાથી મોટી માત્રામાં બેક્ટેરિયાને ઉગાડી શકો છો અને તમને જરૂરી તેટલું ઇન્સ્યુલિન બનાવી શકો છો. વિચારો કે શું ઇન્સ્યુલિન ડાયાબિટીક લોકોને મૌખિક રીતે આપી શકાય છે કે નહીં. શા માટે?

ડાયાબિટીસ માટે ઉપયોગમાં લેવાતું ઇન્સ્યુલિન અગાઉ કતલ થયેલા ઢોર અને ડુક્કરના સ્વાદુપિંડમાંથી કાઢવામાં આવતું હતું. પ્રાણી સ્રોતમાંથી ઇન્સ્યુલિન, જોકે કેટલાક રોગીઓમાં પરદેશી પ્રોટીન પ્રત્યે એલર્જી અથવા અન્ય પ્રકારની પ્રતિક્રિયાઓ વિકસિત કરવાનું કારણ બન્યું. ઇન્સ્યુલિનમાં બે ટૂંકી પોલિપેપ્ટાઇડ સાંકળો હોય છે: સાંકળ A અને સાંકળ B, જે ડાયસલ્ફાઇડ બ્રિજ દ્વારા એકબીજા સાથે જોડાયેલા હોય છે (આકૃતિ 12.3).

આકૃતિ 12.3 પ્રો-ઇન્સ્યુલિનમાંથી ઇન્સ્યુલિનનું પરિપક્વતા (સરળ)

સસ્તન પ્રાણીઓમાં, મન