बायोटेक्नॉलॉजी हा शब्द ‘बायो’ आणि ‘टेक्नॉलॉजी’ या दोन शब्दांचा संयोग आहे - ‘बायो’ म्हणजे जैविक प्रणाली किंवा प्रक्रिया, आणि ‘टेक्नॉलॉजी’ म्हणजे या जैविक प्रणालींमधून उपयुक्त उत्पादने बनवण्यासाठी वापरल्या जाणाऱ्या पद्धती, प्रणाली आणि उपकरणे. अशाप्रकारे, बायोटेक्नॉलॉजी म्हणजे मानवजातीच्या फायद्यासाठी उपयुक्त उत्पादने निर्माण करण्यासाठी सजीव पेशी आणि/किंवा जैविक रेणूंचा वापर करणाऱ्या विविध तंत्रज्ञानांचा संदर्भ.

मानवजात प्राचीन काळापासून बायोटेक्नॉलॉजीचा अभ्यास करत आहे. पॅलिओलिथिक युगात मेंढ्या आणि गुरेढोरे पाळण्यापासून ते प्राचीन इजिप्शियन शेतकऱ्यांद्वारे वनस्पती साठ्यांचे संरक्षण (प्राचीन जर्मप्लाझम संरक्षण), आणि भाकरी, चीज आणि दारू बनवण्याच्या रूपातील किण्वन तंत्रज्ञानाची प्रारंभिक उदाहरणे. तथापि, आधुनिक बायोटेक्नॉलॉजी हा एक बहु-विषयक विषय आहे ज्यामध्ये पेशी आणि आण्विक जीवशास्त्र, सूक्ष्मजीवशास्त्र, आनुवंशिकी, शरीररचनाशास्त्र आणि शरीरक्रियाशास्त्र, जैवरसायनशास्त्र, संगणक विज्ञान आणि पुनर्योगज डीएनए तंत्रज्ञान (आरडीएनए तंत्रज्ञान) यासारख्या विज्ञानाच्या विविध क्षेत्रांमधील ज्ञान सामायिकीकरण समाविष्ट आहे.

हे प्रकरण बायोटेक्नॉलॉजिकल पद्धतींच्या इतिहास आणि आधुनिक संकल्पनांच्या विकासावर; वैद्यकशास्त्र, शेती, अन्न आणि पर्यावरण संरक्षण क्षेत्रातील बायोटेक्नॉलॉजीच्या प्रमुख उपयोगांवर तसेच भारतीय बायोटेक्नॉलॉजी क्षेत्राच्या सध्याच्या परिस्थितीवर तपशीलवार माहिती देईल.

1.1 ऐतिहासिक परिप्रेक्ष्य

प्राचीन बायोटेक्नॉलॉजीची सुरुवात पॅलिओलिथिक युगात, सुमारे 10,000 वर्षांपूर्वी झाली, जेव्हा प्रारंभिक शेतकऱ्यांनी गहू आणि बार्ली यासारख्या पिकांची लागवड सुरू केली. आफ्रिकेच्या सहारा प्रदेशात प्रचलित असलेल्या संस्कृती मेंढ्या, बकरी आणि गुरेढोरे यशस्वीरित्या पाळत होत्या आणि शिकारीच्या तंत्रांशी आणि आगीच्या संभाव्य उपयोगांशी परिचित होत्या. लोक लागवडीसाठी जंगली वनस्पतींची बिया गोळा करत आणि त्यांच्या आजूबाजूला राहणाऱ्या काही जंगली प्राण्यांची प्रजाती पाळीमध्ये आणत, ज्याला आता ‘निवडक पैदास’ म्हणून ओळखले जाते. तथापि, मध्ययुगीन काळातील बायोटेक्नॉलॉजीचे सर्वात क्लासिक उदाहरण म्हणजे भाकरी, चीज, दारू आणि बिअरच्या उत्पादनासाठी किण्वन तंत्रज्ञानाचा वापर.

फायदेशीर परिणाम निर्माण करण्यासाठी विज्ञान आणि पारंपारिक ज्ञान नेहमीच हातात हात घालून चालले आहे. भारतीय पारंपारिक वैद्यकशास्त्र आणि बायोटेक्नॉलॉजीचे ज्ञान लिखित स्वरूपात आणण्यासाठी आणि वापरण्यासाठी अधिक प्रयत्न केले जात आहेत. प्राचीन भारतातील लोकांना त्यांच्या पर्यावरणाचे आणि वनस्पती आणि प्राण्यांच्या गुणधर्मांचे प्रचंड ज्ञान होते. दही, इडली, किनेमा यासारखे किण्वित अन्न आणि स्थानिक जैविक संसाधनांचा वापर करून पेये बनवण्याची पद्धत मध्ययुगीन भारतात सामान्य होती. दही बनवण्यातील पारंपारिक भारतीय ज्ञानाचे महत्त्व युनायटेड स्टेट्स पेटंट डेटाबेसमध्ये आढळलेल्या काही पेटंटमध्ये दर्शवले गेले आहे. दही तयार करणे बॉक्स 1 मध्ये दिले आहे.

किण्वन ही एक सूक्ष्मजीव प्रक्रिया म्हणून स्पष्ट केली जाऊ शकते ज्यामध्ये सेंद्रिय संयुगांचे एंजाइम-नियंत्रित रूपांतर होते. किण्वनाचा वर्षानुवर्षे वापर केला गेला तरी त्यातील प्रक्रियांचे प्रत्यक्ष ज्ञान नव्हते. किण्वित पीठाचा शोध अपघाताने लागला जेव्हा पीठ ताबडतोब भाजले गेले नाही आणि परिणामी त्यात Saccharomyces winlocki सारख्या यीस्टद्वारे किण्वन झाले. इजिप्त आणि मेसोपोटेमियाने ग्रीस आणि रोममध्ये भाकरीची निर्यात केली. तंत्रज्ञान सुधारण्याच्या प्रयत्नात, रोमन लोकांद्वारे बेकर यीस्टचा शोध लागला, ज्याने त्या काळात प्रचलित असलेले

बॉक्स 1

दही बनवणे: एक पारंपारिक बायोटेक्नोलॉजिकल तंत्र

आपल्या आईंना संपूर्ण कुटुंबासाठी दही बनवताना आपण सर्वांनी नक्कीच पाहिले असेल. हे किण्वन तंत्रज्ञानाचे एक उत्कृष्ट उदाहरण आहे, जे घरीच केले जाऊ शकते.

निरीक्षण: कच्चा माल, दूध, पूर्णपणे अर्ध-घन, आंबट चवीच्या उत्पादनात रूपांतरित झाले आहे.

खरोखर काय घडले?

दहीमधील लॅक्टोबॅसिलस जीवाणू दुधातील प्रथिन केसीनशी प्रतिक्रिया देतात. उप-उत्पादन म्हणून तयार झालेले लॅक्टिक आम्ल गोलाकार प्रथिनांचे विरूपण करते आणि गोठून घन दही तयार करते आणि पाण्यासारखे व्हे प्रथिन थर वेगळे करते

भाकरी बनवण्याचे तंत्रज्ञान क्रांतीकारक बनवले. चिनी लोक देखील इ.स.पू. 4000 पर्यंत किण्वन तंत्रज्ञानाचा वापर करत होते, त्यांच्या पारंपारिक अन्नपदार्थांच्या उत्पादनासाठी, जसे की सोया सॉस आणि किण्वित भाज्या. इजिप्शियन लोकांना इ.स.पू. 2000 पर्यंत व्हिनेगर उत्पादनाचे ज्ञान होते, तेथे ते कुटलेले खजूर दीर्घ काळासाठी साठवून ठेवत. प्रागैतिहासिक पूर्व आणि युरोपमध्ये कोरडे करून, धूर देऊन आणि खारट पाण्यात आंबट करून प्राण्यांचे अन्न साठवण्याची कला लोकप्रिय होती.

बिअर बनवणे इ.स.पू. 6000 आणि 5000 च्या दरम्यान सुरू झाले असावे, ज्वारी, मका, तांदूळ, बाजरी आणि गहू यासारख्या धान्य धान्यांचा वापर करून. इ.स.च्या चौदाव्या शतकापर्यंत ब्रूइंग ही एक कला मानली जात होती. तथापि, प्रारंभिक ब्रूअरांना किण्वनाच्या सूक्ष्मजीव आधाराबद्दल कोणतेही व्यावहारिक ज्ञान नव्हते. द्राक्षांच्या रसात यीस्ट आणि इतर सूक्ष्मजीवांचे दूषितीकरण झाल्यावर दारू कदाचित अपघाताने बनवली गेली असेल. 1850 आणि 1860 च्या दरम्यान, लुई पाश्चर यांनी स्थापित केले की यीस्ट आणि इतर सूक्ष्मजीव किण्वनासाठी जबाबदार आहेत.

एकोणिसाव्या शतकात ग्लिसरॉल, अॅसिटोन, ब्युटॅनॉल, लॅक्टिक आम्ल, सायट्रिक आम्ल इत्यादी किण्वनावर आधारित उत्पादनांच्या उत्पादन प्रमाणात वाढ झाली. जर्मनीला स्फोटकांसाठी मोठ्या प्रमाणात ग्लिसरॉलची आवश्यकता असल्यामुळे पहिल्या महायुद्धादरम्यान औद्योगिक किण्वन स्थापित करण्यात आले. 1940 पर्यंत, निर्जंतुकीकरण राखणे, वायुवीजन पद्धती, उत्पादन वेगळे करणे आणि शुद्धीकरण यासंबंधीत तंत्रांमध्ये लक्षणीय सुधारणा करण्यात आली. दुसरे महायुद्ध हे उत्प्रेरक होते ज्यामुळे आधुनिक फर्मेंटर (किण्वनासाठी वापरले जाणारे भांडे), ज्याला बायोरिएक्टर देखील म्हणतात, त्याचा शोध लागला ज्याचा वापर प्रतिजैविक पेनिसिलिनच्या मोठ्या प्रमाणावर उत्पादनासाठी केला जातो. आज, अनेक रसायने जसे की प्रतिजैविके, अमिनो आम्ले, संप्रेरके, रंगद्रव्ये आणि अगदी एंजाइम्सही औद्योगिक बायोरिएक्टरच्या नियंत्रित वातावरणात अत्यंत अचूकतेने तयार केली जातात.

आधुनिक बायोटेक्नॉलॉजीचा पाया अठराव्या आणि एकोणिसाव्या शतकातील विज्ञान आणि तंत्रज्ञानातील प्रगतीसह घातला गेला. अशाप्रकारे 1590 मध्ये डच चष्मा बनवणाऱ्या झचारियास जान्सेन यांनी बनवलेल्या पहिल्या संयुग सूक्ष्मदर्शकाच्या आगमनाने, जे सुमारे $3 \times-9 \times$ वाढवू शकत होते, त्यामुळे मानवांना डोळ्यांनी न पाहिलेल्या गोष्टी ‘पाहणे’ शक्य झाले.

1665 मध्ये, भौतिकशास्त्रज्ञ रॉबर्ट हुक यांनी पातळ पातळीत कापलेल्या कॉर्कची तपासणी केली आणि आयताकृती घटक काढले, ज्यांना त्यांनी सेल्युला (लॅटिनमध्ये ‘लहान खोल्या’) असे म्हटले. 1676 मध्ये, डच दुकानदार अँटोनी व्हॅन लीवेनहोक यांनी तलावाच्या पाण्यात सजीव प्राणी पाहिले आणि त्यांना ‘अॅनिमलक्यूल्स’ म्हटले. अठराव्या शतकात, जर्मन जीवशास्त्रज्ञ मॅथियास श्लेडेन आणि थिओडोर श्वान यांनी पेशी सिद्धांत विकसित केला, ज्यांनी निश्चित केले की सर्व वनस्पती आणि प्राण्यांचे ऊती पेशींपासून बनलेले आहेत. 1858 मध्ये, जर्मन रोगशास्त्रज्ञ रुडोल्फ व्हर्चो यांनी असा निष्कर्ष काढला की ‘सर्व पेशी आधीच अस्तित्वात असलेल्या पेशींपासून उद्भवतात’ आणि पेशी हे जीवनाचे मूलभूत एकक आहे.

1850 आणि 1880 च्या दरम्यान, पाश्चर यांनी पाश्चरायझेशनची प्रक्रिया विकसित केली. 1860 पर्यंत, त्यांनी असा निष्कर्षही काढला की जीवांची स्वयंस्फूर्त निर्मिती होत नाही, हे सिद्ध करून की ‘सर्व पेशी आधीच अस्तित्वात असलेल्या पेशींपासून उद्भवतात’. 1896 मध्ये एडवर्ड बुचनर यांनी यीस्ट एक्सट्रॅक्ट वापरून साखर एथिल अल्कोहोलमध्ये रूपांतरित केली, हे दर्शवून की पेशींचा वापर न करता जैवरासायनिक रूपांतरण होऊ शकते. 1920 आणि 1930 पर्यंत, अनेक महत्त्वाच्या चयापचय मार्गांच्या जैवरासायनिक अभिक्रिया स्थापित करण्यात आल्या.

आनुवंशिकता आणि वंशागति तत्त्वांचा विकास ऑस्ट्रियन भिक्षू ग्रेगोर मेंडेल यांनी 1857 मध्ये सुरू केला, जेव्हा त्यांनी पुंकेसराचा रंग, बियांचा रंग आणि बियांची रचना यासारख्या गुणधर्मांचे परीक्षण करण्यासाठी वाटाण्याच्या झाडांचे परागीभवन केले. 1869 मध्ये, स्विस जैवरसायनशास्त्रज्ञ जोहान फ्रेडरिक मिशर यांनी

पांढऱ्या रक्तपेशींच्या केंद्रकातून न्यूक्लिन नावाचे पदार्थ वेगळे केले. या पदार्थात न्यूक्लिक आम्ले होती. 1882 मध्ये, जर्मन पेशीशास्त्रज्ञ वॉल्टर फ्लेमिंग यांनी पेशी विभाजनादरम्यान दृश्यमान असलेल्या दोरासारख्या पिंडांचे वर्णन केले, तसेच या सामग्रीचे समान वितरण कन्या पेशींमध्ये केले. हे दोरासारखे पिंड प्रत्यक्षात गुणसूत्र होते जे समपेशी विभाजनादरम्यान दोन कन्या पेशींमध्ये विभाजित होत होते.

विसाव्या शतकात अनेक मार्गदर्शक प्रयोग केले गेले ज्यांनी जनुक आणि गुणसूत्राचे स्वरूप स्थापित केले, त्यातील सर्वात महत्त्वाचे म्हणजे 1952 मध्ये क्लासिक अल्फ्रेड हर्शी आणि मार्था चेस प्रयोगाद्वारे डीएनएची आनुवंशिक सामग्री म्हणून ओळख. जेम्स वॉटसन आणि फ्रान्सिस क्रिक यांनी 1953 मध्ये डीएनएची दुहेरी कुंडलित रचना प्रस्तावित केली. त्यानंतर अनेक प्रयोग झाले ज्यांनी जनुकातील माहिती कशी वापरली जाते हे निश्चित केले, जसे की डीएनए प्रतिकृती आणि डीएनए दुरुस्तीमध्ये गुंतलेल्या एंजाइम्सचे हाताळणे.

आधुनिक बायोटेक्नॉलॉजी आरडीएनए तंत्रज्ञानावर आधारित आहे ज्याने वैज्ञानिकांना डीएनएचे वेगवेगळे तुकडे कापण्याची आणि जोडण्याची आणि नवीन पुनर्योगज (किमेरिक/संकर) डीएनए नवीन यजमानात ठेवण्याची परवानगी देऊन बायोटेक्नॉलॉजीमध्ये क्रांती केली आहे (आकृती 1.1). हे एका जीवातून दुसऱ्या जीवात जनुक(चे) हस्तांतरण करण्यास अनुमती देते ज्यामुळे एक नवीन गुणधर्म प्राप्त होतो. यामुळे त्याच्या अचूकतेसह आणि कार्यक्षमतेसह आणि अमर्यादित शक्यतांसह बायोटेक्नॉलॉजीच्या प्राचीन प्रक्रियेत क्रांती झाली आहे. आरडीएनए तंत्रज्ञानाच्या आगमनापासून, बायोटेक्नॉलॉजी अधिक प्रगत झाली आहे आणि वैद्यकशास्त्र, शेती, प्राणी विज्ञान आणि पर्यावरण विज्ञानातील प्रगतीस कारणीभूत ठरली आहे. आधुनिक बायोटेक्नॉलॉजीचे बहु-विषयक स्वरूप आणि त्याच्या उपयोगाची क्षेत्रे आकृती 1.2 आणि तक्ता 1.1 मध्ये दिली आहेत.

तक्ता 1.1: बायोटेक्नॉलॉजी अंतर्गत येणाऱ्या क्षेत्रांची काही सामान्य नावे

1.2 आधुनिक बायोटेक्नॉलॉजीचे उपयोग

आधुनिक बायोटेक्नॉलॉजी, जी आरडीएनए तंत्रज्ञानावर आधारित आहे, तिचे विस्तृत उपयोग आहेत. बायोटेक्नॉलॉजीच्या विस्तृत उपयोग क्षेत्रांमध्ये औषध आणि उपचार संशोधन, रोग निदान, पीक सुधारणा, वनस्पती तेल, बायोइंधने आणि पर्यावरणास अनुकूल उत्पादनांचा विकास (उदाहरणार्थ जैवविघटनशील प्लास्टिक) यांचा समावेश होतो. बायोटेक्नॉलॉजीच्या यशस्वी उपयोगाची काही उत्कृष्ट उदाहरणे आकृती 1.3 मध्ये दिली आहेत. अशाप्रकारे, आधुनिक बायोटेक्नॉलॉजीचे उपयोग प्रामुख्याने खालील प्रमुख क्षेत्रांवर केंद्रित आहेत:

1. वैद्यकशास्त्र आणि आरोग्यसेवा
2. पीक उत्पादन आणि शेती
3. अन्न प्रक्रिया
4. पर्यावरण संरक्षण

आकृती 1.3: बायोटेक्नॉलॉजीच्या काही यशस्वी उपयोगांची उत्कृष्ट उदाहरणे

1.2.1 वैद्यकशास्त्र आणि आरोग्यसेवा

बायोटेक्नॉलॉजी तंत्रांचा वैद्यकशास्त्र क्षेत्रात निदानासाठी निदान साधने आणि किट विकसित करण्यासाठी वापर केला जातो, जे रोगग्रस्त परिस्थितीत व्यक्त होणाऱ्या विशिष्ट रेणू आणि पेशीय घटक शोधण्यात मदत करतात. आरडीएनए तंत्रज्ञान, बायोइन्फॉरमॅटिक्सची साधने, आधुनिक उपकरणे आणि बायोप्रोसेस तंत्रज्ञान वापरून, संश्लेषित औषध अॅनालॉग्सचा अंदाज लावता येतो आणि संभवतः संश्लेषित केले जाऊ शकतात, जे सुधारित रोग उपचार दर्शवू शकतात. लसीचे उत्पादन आणि जनुक उपचार हे देखील वैद्यकशास्त्र क्षेत्रातील बायोटेक्नॉलॉजीचे महत्त्वाचे उपयोग आहेत. वैद्यकशास्त्र क्षेत्रातील आधुनिक बायोटेक्नॉलॉजीचे काही प्रमुख उपयोग खाली सूचीबद्ध केले आहेत:

• महत्त्वाच्या उपचारात्मक रेणूंचे उत्पादन: आरडीएनए तंत्रज्ञान उपचारात्मक मूल्य असलेल्या बायोफार्मास्युटिकल्सच्या विकासासाठी यशस्वीरित्या लागू केले गेले आहे. औषध रेणू म्हणून काम करू शकणारे विविध प्रथिन रेणू सूक्ष्मजीव, वनस्पती (ट्रान्सजेनिक वनस्पती पुढील विभागात स्पष्ट केल्या आहेत) यासारख्या विषमांगी प्रणालींमध्ये व्यक्त केले जात आहेत.

अनेक उपचारात्मक उत्पादने समाविष्ट आहेत

आरडीएनए तंत्रज्ञान वापरून तयार केलेली प्रतिजैविके आणि संप्रेरके बाजारात उपलब्ध आहेत. आरडीएनए तंत्रज्ञान वापरून तयार केलेल्या उपचारात्मक प्रथिनाचे एक सामान्य उदाहरण म्हणजे मानवी इन्सुलिन, मधुमेहाच्या उपचारासाठी वापरले जाते, हा एक रोग आहे ज्यामध्ये रक्तातील साखरेची पातळी वाढलेली असते. हे मानवी प्रथिन Escherichia coli सारख्या विषमांगी प्रणालीमध्ये व्यक्त होण्याचे एक उत्कृष्ट उदाहरण सादर करते. सध्या, इन्सुलिन प्रामुख्याने E. coli आणि Saccharomyces cerevisiae मध्ये तयार केले जात आहे. मानवी वाढ संप्रेरक हे आरडीएनए तंत्रज्ञानाद्वारे विविध सूक्ष्मजीव यजमान प्रणालींमध्ये इच्छित प्रथिनांचे यशस्वी उत्पादनाचे दुसरे उदाहरण आहे. अनेक मानवी प्रथिने ट्रान्सजेनिक मेंढ्या आणि बकरीच्या दुधात देखील व्यक्त केली गेली आहेत. उदाहरणार्थ, यूएसएचे अन्न आणि औषध प्रशासन (एफडीए) ने मानवी वापरासाठी ट्रान्सजेनिक बकरीच्या दुधात रक्त प्रतिगुंठनरोधक तयार करण्यास मंजुरी दिली आहे.

सध्या, वैज्ञानिक हेपॅटायटीस, कर्करोग आणि हृदयरोग यासारख्या रोगांविरुद्ध अशी औषधे विकसित करण्याचा प्रयत्न करत आहेत, जी मानवी मृत्यूची प्रमुख कारणे आहेत.

• जनुक उपचार: हे तंत्रज्ञान सिस्टिक फायब्रोसिस, थॅलेसेमिया, पार्किन्सन रोग इत्यादी जनुक दोषांमुळे होणाऱ्या रोगांच्या उपचारात सर्वात उपयुक्त आहे. 1972 मध्ये संकल्पित केलेला जनुक उपचारामध्ये रोगाच्या उपचारासाठी औषध म्हणून रुग्णाच्या पेशीमध्ये आवश्यक जनुक पोहोचवणे समाविष्ट आहे, जेणेकरून ते दोषपूर्ण जनुकाचे कार्य बदलेल. पहिला प्रयत्न, यशस्वी नसला तरी, 1980 मध्ये $\beta$-थॅलेसेमियाच्या उपचारासाठी मार्टिन क्लाइन यांनी केला. जनुक उपचाराचा पहिला यशस्वी अहवाल 1990 मध्ये मिळाला जेव्हा, अशांती दे सिल्वा यांच्यावर अॅडेनोसिन डीअमिनेस कमतरता [अॅडेनोसिन डीअमिनेस गंभीर संयुक्त प्रतिकारशक्ती कमतरता (एडीए-एससीआयडी) असेही म्हणतात] याच्या उपचारासाठी उपचार केला गेला जी एक ऑटोसोमल रिसेसिव्ह चयापचय विकार आहे ज्यामुळे प्रतिकारशक्ती कमी होते. रशियाने 2011 मध्ये नेव्हास्कुलजेनला परिफेरल धमनी रोगासाठी प्रथम-इन-क्लास-जनुक उ