अध्याय 11 जैव प्रौद्योगिकी: सिद्धांत और प्रक्रियाएँ
अभ्यास
1. क्या आप 10 पुनःसंयोजित प्रोटीनों की सूची बना सकते हैं जो चिकित्सा अभ्यास में प्रयुक्त होते हैं? पता लगाएँ कि वे कहाँ चिकित्सीय रूप में प्रयोग होते हैं (इंटरनेट का प्रयोग करें)।
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उत्तर
पुनःसंयोजित प्रोटीन पुनःसंयोजित DNA प्रौद्योगिकी से प्राप्त किए जाते हैं। इस प्रौद्योगिकी में विशिष्ट जीनों को एक जीव से दूसरे जीव में वेक्टरों और प्रतिबंधन एंजाइमों को अणु-स्तरीय उपकरणों के रूप में प्रयोग करके स्थानांतरित किया जाता है।
चिकित्सा अभ्यास में प्रयुक्त दस पुनःसंयोजित प्रोटीन इस प्रकार हैं -
| पुनःसंयोजित प्रोटीन | चिकित्सीय उपयोग | |
|---|---|---|
| 1. | इंसुलिन | टाइप I मधुमेह मेलिटस का उपचार |
| 2. | इंटरफेरॉन- $\alpha$ | पुरानी हेपेटाइटिस C के लिए प्रयुक्त |
| 3. | इंटरफेरॉन -Ã $\tilde{Z}^{2}{ }^{2}$ | हर्पीज और वायरल एंटेराइटिस के लिए प्रयुक्त |
| 4. | कोएग्युलेशन कारक VII | हीमोफीलिया A का उपचार |
| 5. | कोएग्युलेशन कारक IX | हीमोफीलिया B का उपचार |
| 6. | DNAase I | सिस्टिक फाइब्रोसिस का उपचार |
| 7. | एंटी-थ्रॉम्बिन III | रक्त के थक्के की रोकथाम |
| 8. | इंटरफेरॉन B. | मल्टिपल स्क्लेरोसिस के उपचार के लिए |
| 9. | मानव पुनःसंयोजित वृद्धि हार्मोन | किसी व्यक्ति में वृद्धि को बढ़ावा देने के लिए |
| 10. | टिश्यू प्लास्मिनोजन सक्रियक | तीव्र मायोकार्डियल संक्रमण का उपचार |
2. एक चार्ट बनाएँ (चित्रात्मक निरूपण सहित) जो एक प्रतिबंधन एंजाइम, उस DNA अधिष्ठापक को दिखाए जिस पर वह कार्य करता है, वह स्थल जहाँ वह DNA को काटता है और वह उत्पाद जो वह उत्पन्न करता है।
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उत्तर
प्रतिबंधन एंजाइम का नाम Bam $\mathrm{H} 1$ है।
वह स्थान जहाँ BAM H1 DNA को काटता है
3. आपने जो सीखा है, उससे क्या आप बता सकते हैं कि एंजाइम बड़े होते हैं या DNA आण्विक आकार में बड़ा होता है? आपको यह कैसे पता चला?
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उत्तर
एंजाइम DNA अणुओं की तुलना में छोटे होते हैं। ऐसा इसलिए है क्योंकि DNA में सभी जीवित जीवों के विकास और कार्य के लिए आनुवांशिक जानकारी होती है। इसमें प्रोटीन और DNA अणुओं के संश्लेषण के लिए निर्देश होते हैं। दूसरी ओर, एंजाइम प्रोटीन होते हैं जो DNA के एक छोटे हिस्से जिसे ‘जीन’ कहा जाता है, से संश्लेषित होते हैं, जो पॉलीपेप्टाइड श्रृंखला के उत्पादन में शामिल होते हैं।
4. मानव कोशिका में मानव DNA की मोलर सांद्रता क्या होगी? अपने शिक्षक से परामर्श करें।
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उत्तर
मानव द्विगुणित कोशिका में मानव DNA की मोलर सांद्रता इस प्रकार है:
$\Rightarrow$ क्रोमोसोमों की कुल संख्या $\times 6.023 \times 10^{23}$
$\Rightarrow 46 \times 6.023 \times 10^{23}$
$\Rightarrow 2.77 \times 10^{18}$ मोल
इस प्रकार, मानवों में प्रत्येक द्विगुणित कोशिका में डीएनए की मोलर सांद्रता $2.77 \times 10^{23}$ मोल है।
5. क्या यूकैरियोटिक कोशिकाओं में प्रतिबंधन एंडोन्यूक्लिएसेज़ होते हैं? अपने उत्तर का औचित्य बताइए।
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उत्तर
नहीं, यूकैरियोटिक कोशिकाओं में प्रतिबंधन एंडोन्यूक्लिएसेज़ नहीं होते हैं। ऐसा इसलिए है क्योंकि यूकैरियोट्स के डीएनए को मेथिलेज़ नामक एक संशोधन एंजाइम द्वारा उच्च स्तर पर मेथिलेट किया जाता है। मेथिलेशन डीएनए को प्रतिबंधन एंजाइमों की गतिविधि से सुरक्षित रखता है। ये एंजाइम प्रोकैरियोटिक कोशिकाओं में पाए जाते हैं जहाँ वे वायरस द्वारा डीएनए के आक्रमण को रोकने में मदद करते हैं।
6. बेहतर एयरेशन और मिश्रण गुणों के अलावा, स्टिर्ड टैंक बायोरिएक्टर्स में शेक फ्लास्क की तुलना में और कौन-से लाभ होते हैं?
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उत्तर
शेक फ्लास्क विधि प्रयोगशाला में जैवप्रौद्योगिकी उत्पादों के लघु पैमाने पर उत्पादन के लिए प्रयोग की जाती है। दूसरी ओर, स्टिर्ड टैंक बायोरिएक्टर्स जैवप्रौद्योगिकी उत्पादों के बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए प्रयोग किए जाते हैं।
स्टिर्ड टैंक बायोरिएक्टर्स में शेक फ्लास्क की तुलना में कई लाभ होते हैं:
(1) रिएक्टर से संस्कृति का थोड़ा आयतन नमूने या परीक्षण के लिए निकाला जा सकता है।
(2) इसमें झाग को नियंत्रित करने के लिए एक फोम ब्रेकर होता है।
(3) इसमें एक नियंत्रण प्रणाली होती है जो तापमान और $\mathrm{pH}$ को नियंत्रित करती है।
7. अपने शिक्षक से परामर्श करके पैलिन्ड्रोमिक डीएनए अनुक्रमों के 5 उदाहरण एकत्र कीजिए। बेस-जोड़ नियमों का पालन करते हुए स्वयं एक पैलिन्ड्रोमिक अनुक्रम बनाने का प्रयास करें।
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उत्तर
पैलिंड्रोमिक अनुक्रम डीएनए का एक विशेष अनुक्रम होता है जो चाहे $5^{\prime} \rightarrow 3^{\prime}$ दिशा में पढ़ा जाए या $3 \rightarrow 5$ दिशा में, एक समान पढ़ा जाता है। ये प्रतिबंधन एंजाइमों की क्रिया के स्थल होते हैं। अधिकांश प्रतिबंधन एंजाइम पैलिंड्रोमिक अनुक्रम होते हैं।
पैलिंड्रोमिक अनुक्रमों के पाँच उदाहरण हैं:
(1)
(2)
(3)
(4)
8. क्या आप मियोसिस को याद कर सकते हैं और बता सकते हैं कि पुनः संयोजक डीएनए किस स्तर पर बनता है?
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उत्तर
मियोसिस एक प्रक्रिया है जिसमें जेनेटिक सामग्री की मात्रा में कमी होती है। यह दो प्रकार की होती है, अर्थात् मियोसिस I और मियोसिस II। प्रोफेज़ I के पैकीटीन चरण के दौरान गुणसूत्रों का क्रॉसिंग ओवर होता है जहाँ समजातीय गुणसूत्रों की गैर-बहन क्रोमैटिडों के बीच खंडों का आदान-प्रदान होता है। इससे पुनःसंयोजी डीएनए का निर्माण होता है।
9. क्या आप सोचकर बता सकते हैं कि एक रिपोर्टर एंज़ाइम का उपयोग विदेशी डीएनए द्वारा होस्ट कोशिकाओं के रूपांतरण की निगरानी के लिए चयन योग्य मार्कर के अतिरिक्त कैसे किया जा सकता है?
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उत्तर
एक रिपोर्टर जीन का उपयोग विदेशी डीएनए द्वारा होस्ट कोशिकाओं के रूपांतरण की निगरानी के लिए किया जा सकता है। ये यह निर्धारित करने के लिए चयन योग्य मार्कर के रूप में कार्य करते हैं कि होस्ट कोशिका ने विदेशी डीएनए को ग्रहण किया है या विदेशी जीन कोशिका में अभिव्यक्त हो रहा है। शोधकर्ता रिपोर्टर जीन और विदेशी जीन को एक ही डीएनए निर्माण में रखते हैं। फिर, इस संयुक्त डीएनए निर्माण को कोशिका में डाला जाता है। यहाँ, रिपोर्टर जीन को रुचि के जीनों (विदेशी जीनों) के सफल ग्रहण को ज्ञात करने के लिए चयन योग्य मार्कर के रूप में उपयोग किया जाता है। रिपोर्टर जीनों का एक उदाहरण lac Z जीन है, जो एक जेली फिश में हरित प्रतिदीप्त प्रोटीन को एन्कोड करता है।
10. निम्नलिखित का संक्षेप में वर्णन कीजिए:
(a) रेप्लिकेशन का उद्गम
(b) बायोरिएक्टर
(c) डाउनस्ट्रीम प्रोसेसिंग
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उत्तर
(क) प्रतिकृतिकरण का उद्गम – प्रतिकृतिकरण का उद्गम उस डीएनए क्रम के रूप में परिभाषित किया जाता है जिससे जीनोम में प्रतिकृतिकरण प्रारंभ होता है। प्रतिकृतिकरण की शुरुआत एकतरफा या दोतरफा हो सकती है। एक प्रोटीन समष्टि ‘ऑन’ स्थल की पहचान करती है, दोनों स्ट्रैंडों को खोलती है और डीएनए की प्रतिलिपि बनाना शुरू करती है।
(ख) जैविक अभिकर्मक – जैविक अभिकर्मक बड़े पैमाने पर कच्चे माल से जैवप्रौद्योगिकी उत्पादों के उत्पादन के लिए प्रयुक्त बड़े पात्र होते हैं। वे इष्टतम तापमान, $\mathrm{pH}$, विटामिन, ऑक्सीजन आदि प्रदान कर वांछित उत्पाद प्राप्त करने की अनुकूल परिस्थितियाँ बनाते हैं। जैविक अभिकर्मकों में ऑक्सीजन आपूर्ति प्रणाली, झाग नियंत्रण प्रणाली, pH तथा तापमान नियंत्रण प्रणाली और नमूने के लिए थोड़ी मात्रा में संवर्धन निकालने हेतु नमूना पोर्ट होता है।
(ग) अनुप्रवाह प्रक्रमण – अनुप्रवाह प्रक्रमन जैवसंश्लेषण चरण पूरा होने के बाद विदेशी जीन उत्पादों को पृथक करने और शुद्ध करने की विधि है। उत्पाद को पृथक करने और शुद्ध करने के लिए विभिन्न प्रक्रियाओं से गुजारा जाता है। अनुप्रवाह प्रक्रमन के बाद उत्पाद को तैयार किया जाता है और गुणवत्ता नियंत्रण तथा अन्य परीक्षणों के लिए विभिन्न नैदानिक परीक्षणों से गुजारा जाता है।
11. संक्षेप में समझाइए
(क) पीसीआर
(ख) प्रतिबंधन एंजाइम और डीएनए
(ग) काइटिनेज
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उत्तर
(a) पीसीआर: - पॉलिमरेज चेन रिएक्शन (पीसीआर) आण्विक जीव विज्ञान में एक तकनीक है जिसका उपयोग किसी जीन या डीएनए के टुकड़े को प्रवर्धित कर उसकी कई प्रतियाँ प्राप्त करने के लिए किया जाता है। इसका उपयोग जीन हेरफेर की प्रक्रिया में व्यापक रूप से किया जाता है। इस प्रक्रिया में प्राइमर, टेम्पलेट स्ट्रैंड और थर्मस एक्वाटिकस नामक जीवाणु से प्राप्त थर्मोस्टेबल डीएनए पॉलिमरेज एंजाइम का उपयोग करके इन विट्रो संश्लेषण किया जाता है। यह एंजाइम बिल्डिंग ब्लॉक्स डीएनटीपी (डिऑक्सीन्यूक्लिओटाइड्स) का उपयोग कर प्राइमर को बढ़ाता है। पहले चरण में, डबल स्ट्रैंडेड डीएनए अणुओं को उच्च तापमान पर गरम किया जाता है ताकि दोनों स्ट्रैंड अलग होकर सिंगल स्ट्रैंडेड डीएनए अणु बन जाएँ। इस प्रक्रिया को डिनेचुरेशन कहा जाता है। फिर, इस स्सडीएनए अणु को टेम्पलेट स्ट्रैंड के रूप में उपयोग कर डीएए पॉलिमरेज एंजाइम द्वारा नए स्ट्रैंड का संश्लेषण किया जाता है और इस प्रक्रिया को ऐनीलिंग कहा जाता है, जिससे मूल डीएनए अणु की प्रतिकृति बनती है। इस प्रक्रिया को कई चक्रों तक दोहराया जाता है ताकि आरडीएनए खंड की कई प्रतियाँ प्राप्त की जा सकें।
(ए)
(b) प्रतिबंध एंजाइम (Restriction enzymes) आणविक जीव विज्ञान में डीएनए अनुक्रमों को एक विशिष्ट स्थल से काटने के लिए प्रयुक्त आणविक कैंची हैं। यह जीन हेरफेर में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। ये एंजाइम एक विशिष्ट छह-आधार युग्म अनुक्रम, जिसे पहचान अनुक्रम कहा जाता है, को पहचानते हैं और उसे एक निश्चित स्थल पर काटते हैं। उदाहरण के लिए, एंजाइम ECORI का पहचान स्थल इस प्रकार है:
प्रतिबंध एंजाइमों को दो प्रकारों में वर्गीकृत किया गया है -
(i) एक्जोन्यूक्लिएस (Exonuclease) - यह प्रतिबंध एंजाइम का एक प्रकार है जो डीएनए अणु के 5 या 3 सिरों में से किसी एक से न्यूक्लियोटाइड को हटाता है।
(ii) एंडोन्यूक्लिएस (Endonuclease) - यह प्रतिबंध एंजाइम का एक प्रकार है जो डीएनए के भीतर किसी विशिष्ट स्थल पर काट लगाता है। यह एंजाइम आनुवंशिक इंजीनियरिंग में एक महत्वपूर्ण उपकरण के रूप में कार्य करता है। यह सामान्यतः स्टिकी सिरों वाले डीएनए खंड प्राप्त करने के लिए अनुक्रम में काट लगाने के लिए प्रयुक्त होता है, जिन्हें बाद में डीएनए लाइगेज एंजाइम द्वारा जोड़ा जाता है। (c) चिटिनेज (Chitinase) - चिटिनेज एंजाइमों की एक श्रेणी है जिसका उपयोग चिटिन के अपघटन के लिए किया जाता है, जो कवक कोशिका भित्ति का प्रमुख घटक होता है। इसलिए, कवक की कोशिका झिल्ली के भीतर संलग्न डीएनए को पृथक करने के लिए, चिटिनेज एंजाइम का उपयोग कोशिका को तोड़ने और उसके आनुवंशिक पदार्थ को मुक्त करने के लिए किया जाता है।
12. अपने शिक्षक से चर्चा करें और पता लगाएं कि किस प्रकार भेद किया जा सकता है
(ए) प्लाज्मिड डीएनए और गुणसूत्रीय डीएनए
(ब) आरएनए और डीएनए
(स) एक्जोन्यूक्लिएस और एंडोन्यूक्लिएस
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उत्तर
(ए) प्लाज्मिड डीएनए और गुणसूत्रीय डीएनए
| प्लाज्मिड डीएनए | गुणसूत्रीय डीएनए |
|---|---|
| प्लाज्मिड डीएनए जीवाणुओं में एक अतिरिक्त-गुणसूत्रीय डीएनए अणु होता है जो गुणसूत्रीय डीएनए से स्वतंत्र रूप से प्रतिकृत होने में सक्षम होता है। |
गुणसूत्रीय डीएनए किसी जीव का सम्पूर्ण डीएनए होता है जो गुणसूत्रों के अन्दर उपस्थित होता है। |
(ब) आरएनए और डीएनए
| आरएनए | डीएनए | |
|---|---|---|
| 1. | आरएनए एकल सूत्रीय अणु होता है। | डीएनए द्विसूत्रीय अणु होता है। |
| 2. | इसमें राइबोज शर्करा होती है। | इसमें डिऑक्सीराइबोज शर्करा होती है। |
| 3. | आरएनए में पिरिमिडीन एडेनिन और यूरेसिल होते हैं। | डीएनए में पिरिमिडीन एडेनिन और थाइमिन होते हैं। |
| 4 | आरएनए स्वयं की प्रतिकृति नहीं बना सकता। | डीएनए अणु प्रतिकृत होने की क्षमता रखते हैं। |
| 5 | यह राइबोसोम का एक घटक है। | यह गुणसूत्र का एक घटक है। |
(स) एक्जोन्यूक्लिएस और एंडोन्यूक्लिएस
| एक्जोन्यूक्लिएस | एंडोन्यूक्लिएस |
|---|---|
| यह एक प्रकार का प्रतिबंधन एंजाइम है जो डीएनए अणु के 5 या 3 सिरों से न्यूक्लिओटाइड को हटा देता है। |
यह एक प्रकार का प्रतिबंधन एंजाइम है जो डीएनए के भीतर किसी विशिष्ट स्थल पर कट लगाकर चिपचिपे सिरे उत्पन्न करता है। |
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