మీరు మునుపటి అధ్యాయం నుండి తెలుసుకున్నట్లుగా, జీవసాంంకేతిక శాస్త్రం ప్రాథమికంగా జన్యుపరంగా మార్పు చేయబడిన సూక్ష్మజీవులు, శిలీంధ్రాలు, మొక్కలు మరియు జంతువులను ఉపయోగించి జీవ ఔషధాలు మరియు జీవ పదార్థాల పారిశ్రామిక స్థాయి ఉత్పత్తితో వ్యవహరిస్తుంది. జీవసాంకేతిక శాస్త్రం యొక్క అనువర్తనాలలో చికిత్సా పద్ధతులు, రోగ నిర్ధారణ, వ్యవసాయం కోసం జన్యుపరంగా మార్పు చేయబడిన పంటలు, ప్రాసెస్ చేయబడిన ఆహారం, జీవ పునరుద్ధరణ, వ్యర్థాల చికిత్స మరియు శక్తి ఉత్పత్తి ఉన్నాయి. జీవసాంకేతిక శాస్త్రం యొక్క మూడు క్లిష్టమైన పరిశోధనా రంగాలు:

(i) మెరుగైన జీవి రూపంలో ఉత్తమమైన ఉత్ప్రేరకాన్ని అందించడం, సాధారణంగా ఒక సూక్ష్మజీవి లేదా స్వచ్ఛమైన ఎంజైమ్.

(ii) ఉత్ప్రేరకం పనిచేయడానికి ఇంజనీరింగ్ ద్వారా సరైన పరిస్థితులను సృష్టించడం, మరియు

(iii) ప్రోటీన్/సేంద్రియ సమ్మేళనాన్ని శుద్ధి చేయడానికి డౌన్స్ట్రీమ్ ప్రాసెసింగ్ సాంకేతికతలు.

ఇప్పుడు మానవులు, ముఖ్యంగా ఆహార ఉత్పత్తి మరియు ఆరోగ్య రంగంలో, మానవ జీవనం యొక్క నాణ్యతను మెరుగుపరచడానికి జీవసాంకేతిక శాస్త్రాన్ని ఎలా ఉపయోగించారో తెలుసుకుందాం.

12.1 వ్యవసాయంలో జీవసాంకేతిక అనువర్తనాలు

ఆహార ఉత్పత్తిని పెంచడానికి ఆలోచించగల మూడు ఎంపికలను పరిశీలిద్దాం

(i) వ్యవసాయ రసాయన ఆధారిత వ్యవసాయం;

(ii) సేంద్రీయ వ్యవసాయం; మరియు

(iii) జన్యుపరంగా ఇంజనీరింగ్ చేయబడిన పంట ఆధారిత వ్యవసాయం.

హరిత విప్లవం ఆహార సరఫరాను మూడు రెట్లు పెంచడంలో విజయం సాధించింది, అయినా పెరుగుతున్న మానవ జనాభాకు తినిపించడానికి ఇది సరిపోలేదు. పెరిగిన దిగుబడులు పాక్షికంగా మెరుగైన పంటల రకాల ఉపయోగం వలన, కానీ ప్రధానంగా మెరుగైన నిర్వహణ పద్ధతులు మరియు వ్యవసాయ రసాయనాల (ఎరువులు మరియు పురుగుమందులు) ఉపయోగం వలన సాధ్యమయ్యాయి. అయితే, అభివృద్ధి చెందుతున్న ప్రపంచంలోని రైతులకు, వ్యవసాయ రసాయనాలు తరచుగా చాలా ఖరీదైనవి, మరియు ప్రస్తుత రకాలతో మరింత దిగుబడి పెరుగుదల సాంప్రదాయక సంకరణ ఉపయోగించి సాధ్యం కాదు. సాంప్రదాయక సంకరణ పద్ధతులు డిమాండ్ తో అడుగు జోడించడంలో విఫలమైనందున మరియు పంట మెరుగుదారి కోసం తగినంత వేగవంతమైన మరియు సమర్థవంతమైన వ్యవస్థలను అందించడంలో విఫలమైనందున, కణజాల సంవర్ధనం అనే మరొక సాంకేతికత అభివృద్ధి చేయబడింది. కణజాల సంవర్ధనం అంటే ఏమిటి? శాస్త్రవేత్తలు, 1950లలో, మొత్తం మొక్కలను ఎక్స్ప్లాంట్ల నుండి పునరుత్పత్తి చేయవచ్చని తెలుసుకున్నారు, అనగా, ఒక మొక్క యొక్క ఏ భాగమైనా తీసి, నిర్దిష్ట పోషక మాధ్యమంలో, స్టెరైల్ పరిస్థితుల్లో టెస్ట్ ట్యూబ్లో పెంచవచ్చు. ఏదైనా కణం/ఎక్స్ప్లాంట్ నుండి మొత్తం మొక్కను ఉత్పత్తి చేసే ఈ సామర్థ్యాన్ని సర్వశక్తి (టోటిపోటెన్సీ) అంటారు. దీన్ని ఎలా సాధించాలో మీరు ఉన్నత తరగతుల్లో నేర్చుకుంటారు. పోషక మాధ్యమం సుక్రోజ్ వంటి కార్బన్ మూలాన్ని మరియు అకర్బన లవణాలు, విటమిన్లు, అమైనో ఆమ్లాలు మరియు ఆక్సిన్లు, సైటోకినిన్లు వంటి వృద్ధి నియంత్రకాలను కూడా అందించాలని ఇక్కడ నొక్కి చెప్పడం ముఖ్యం. ఈ పద్ధతులను వర్తింపజేయడం ద్వారా చాలా తక్కువ వ్యవధిలో పెద్ద సంఖ్యలో మొక్కల వ్యాప్తిని సాధించడం సాధ్యమవుతుంది. ఈ కణజాల సంవర్ధనం ద్వారా వేలాది మొక్కలను ఉత్పత్తి చేసే పద్ధతిని సూక్ష్మ ప్రచారం (మైక్రో-ప్రొపగేషన్) అంటారు. ఈ మొక్కలలో ప్రతి ఒక్కటి అవి పెరిగిన అసలు మొక్కకు జన్యుపరంగా సమానంగా ఉంటాయి, అనగా, అవి సోమాక్లోన్లు. టమాటో, అరటి, ఆపిల్ మొదలైన అనేక ముఖ్యమైన ఆహార మొక్కలు ఈ పద్ధతిని ఉపయోగించి వాణిజ్య స్థాయిలో ఉత్పత్తి చేయబడ్డాయి. ఈ ప్రక్రియను బాగా అర్థం చేసుకోవడానికి మరియు మెచ్చుకోవడానికి మీ ఉపాధ్యాయుడితో కలిసి ఒక కణజాల సంవర్ధన ప్రయోగశాలను సందర్శించడానికి ప్రయత్నించండి.

ఈ పద్ధతి యొక్క మరొక ముఖ్యమైన అనువర్తనం రోగగ్రస్త మొక్కల నుండి ఆరోగ్యకరమైన మొక్కలను పునరుద్ధరించడం. మొక్క వైరస్ తో సోకినప్పటికీ, మెరిస్టెమ్ (అపికల్ మరియు అక్సిలరీ) వైరస్ నుండి విముక్తం. అందువలన, ఒకరు మెరిస్టెమ్ను తీసివేసి, వైరస్-రహిత మొక్కలను పొందడానికి దానిని ఇన్ విట్రోలో పెంచవచ్చు. శాస్త్రవేత్తలు అరటి, చెరకు, బంగాళాదుంప మొదలైన వాటి మెరిస్టెమ్లను సంవర్ధన చేయడంలో విజయం సాధించారు.

శాస్త్రవేత్తలు మొక్కల నుండి ఒకే కణాలను వేరు చేసి, వాటి కణ గోడలను జీర్ణం చేసిన తర్వాత నగ్న ప్రోటోప్లాస్ట్లను (ప్లాస్మా పొరలతో చుట్టుముట్టబడినవి) వేరు చేయగలిగారు. రెండు వేర్వేరు రకాల మొక్కల నుండి వేరు చేయబడిన ప్రోటోప్లాస్ట్లు – ప్రతి ఒక్కటి కావాల్సిన లక్షణాన్ని కలిగి ఉంటాయి – సంకర ప్రోటోప్లాస్ట్లను పొందడానికి కలపవచ్చు, అవి మరింత పెరిగి కొత్త మొక్కగా రూపొందవచ్చు. ఈ సంకరాలు దైహిక సంకరాలు (సోమాటిక్ హైబ్రిడ్స్) అంటారు, అయితే ఈ ప్రక్రియను దైహిక సంకరీకరణ (సోమాటిక్ హైబ్రిడైజేషన్) అంటారు. టమాటో యొక్క ప్రోటోప్లాస్ట్ బంగాళాదుంప యొక్క ప్రోటోప్లాస్ట్తో కలిపినప్పుడు, ఆపై అవి పెరిగి – టమాటో మరియు బంగాళాదుంప లక్షణాలను కలిపిన కొత్త సంకర మొక్కలను ఏర్పరచే పరిస్థితిని ఊహించండి. బాగా, ఇది సాధించబడింది – పొమాటో ఏర్పడటానికి దారితీసింది; దురదృష్టవశాత్తు ఈ మొక్కకు దాని వాణిజ్య ఉపయోగం కోసం అన్ని కావాల్సిన లక్షణాల కలయిక లేదు.

మన జన్యుశాస్త్ర అవగాహన రైతులు తమ పొలాల నుండి గరిష్ట దిగుబడిని పొందేలా చూపించగల మార్గం ఏదైనా ఉందా? ఎరువులు మరియు రసాయనాల ఉపయోగాన్ని తగ్గించడానికి ఒక మార్గం ఉందా, తద్వారా పర్యావరణంపై వాటి హానికరమైన ప్రభావాలు తగ్గించబడతాయి? జన్యుపరంగా మార్పు చేయబడిన పంటల ఉపయోగం ఒక సాధ్యమైన పరిష్కారం.

వాటి జన్యువులు మానవులచే మార్పు చేయబడిన మొక్కలు, బ్యాక్టీరియా, శిలీంధ్రాలు మరియు జంతువులను జన్యుపరంగా మార్పు చేయబడిన జీవులు (జీఎంఓలు) అంటారు. జీఎం మొక్కలు అనేక విధాలుగా ఉపయోగకరంగా ఉన్నాయి. జన్యు మార్పు చేయడం వలన:

(i) పంటలు అజీవ ఒత్తిళ్లకు (చలి, కరువు, ఉప్పు, వేడి) మరింత సహనశీలంగా మారాయి.

(ii) రసాయన పురుగుమందులపై ఆధారపడటం తగ్గింది (పురుగు నిరోధక పంటలు).

(iii) పంట తర్వాత నష్టాలను తగ్గించడంలో సహాయపడింది.

(iv) మొక్కల ద్వారా ఖనిజాల ఉపయోగం సామర్థ్యం పెరిగింది (ఇది నేల సారం యొక్క ప్రారంభ అయిపోవడాన్ని నిరోధిస్తుంది).

(v) ఆహారం యొక్క పోషక విలువను పెంచింది, ఉదా., బంగారు బియ్యం, అనగా విటమిన్ ‘ఎ’ సమృద్ధిగా ఉన్న బియ్యం.

ఈ ఉపయోగాలతో పాటు, జీఎం పరిశ్రమలకు ప్రత్యామ్నాయ వనరులను సరఫరా చేయడానికి స్టార్చ్లు, ఇంధనాలు మరియు ఔషధాల రూపంలో కస్టమ్-మేడ్ మొక్కలను సృష్టించడానికి ఉపయోగించబడింది.

వ్యవసాయంలో జీవసాంకేతిక శాస్త్రం యొక్క కొన్ని అనువర్తనాలు మీరు వివరంగా అధ్యయనం చేస్తారు, అవి పురుగు నిరోధక మొక్కల ఉత్పత్తి, ఇది ఉపయోగించే పురుగుమందు మొత్తాన్ని తగ్గించగలదు. బీటీ విషాన్ని బాసిల్లస్ థురింజియెన్సిస్ (సంక్షిప్తంగా బీటీ) అనే బ్యాక్టీరియా ఉత్పత్తి చేస్తుంది. బీటీ విష జన్యువు బ్యాక్టీరియా నుండి క్లోన్ చేయబడింది మరియు పురుగుమందులు అవసరం లేకుండా కీటకాలకు నిరోధకతను అందించడానికి మొక్కలలో వ్యక్తీకరించబడింది; ప్రభావవంతంగా ఒక జీవ పురుగుమందును సృష్టించింది. ఉదాహరణలు బీటీ పత్తి, బీటీ మొక్కజొన్న, బియ్యం, టమాటో, బంగాళాదుంప మరియు సోయాబీన్ మొదలైనవి.

బీటీ పత్తి: బాసిల్లస్ థురింజియెన్సిస్ యొక్క కొన్ని తెగలు లెపిడోప్టెరాన్లు (టొబాకో బడ్వార్మ్, ఆర్మీవార్మ్), కోలియోప్టెరాన్లు (బీటిల్స్) మరియు డిప్టెరాన్లు (ఈగలు, దోమలు) వంటి కొన్ని కీటకాలను చంపే ప్రోటీన్లను ఉత్పత్తి చేస్తాయి. బి. థురింజియెన్సిస్ వాటి వృద్ధి యొక్క ఒక నిర్దిష్ట దశలో ప్రోటీన్ స్ఫటికాలను ఏర్పరుస్తుంది. ఈ స్ఫటికాలు ఒక విషపూరిత కీటకనాశక ప్రోటీన్ను కలిగి ఉంటాయి. ఈ విషం బాసిల్లస్ను ఎందుకు చంపదు? వాస్తవానికి, బీటీ విష ప్రోటీన్ నిష్క్రియాత్మక ప్రోటాక్సిన్లుగా ఉంటుంది కానీ ఒక కీటకం నిష్క్రియాత్మక విషాన్ని తీసుకున్న తర్వాత, అది ఆల్కలీన్ pH వలన సక్రియ రూపంలోకి మార్చబడుతుంది, ఇది స్ఫటికాలను ద్రవీకరిస్తుంది. సక్రియం చేయబడిన విషం మధ్య ప్రేగు ఎపిథీలియల్ కణాల ఉపరితలంపై బంధించి, కణ వాపు మరియు విచ్ఛిన్నం కలిగించే రంధ్రాలను సృష్టించి, చివరికి కీటకం మరణానికి కారణమవుతుంది.

నిర్దిష్ట బీటీ విష జన్యువులు బాసిల్లస్ థురింజియెన్సిస్ నుండి వేరు చేయబడ్డాయి మరియు పత్తి (చిత్రం 12.1) వంటి అనేక పంట మొక్కలలో చేర్చబడ్డాయి. జన్యువుల ఎంపిక పంట మరియు లక్ష్యంగా ఉన్న పురుగుపై ఆధారపడి ఉంటుంది, ఎందుకంటే చాలా బీటీ విషాలు కీటక-సమూహ నిర్దిష్టమైనవి. విషం క్రై అనే జన్యువు cryIAc ద్వారా కోడ్ చేయబడింది. వాటిలో అనేకం ఉన్నాయి, ఉదాహరణకు, జన్యువులు cryIAc మరియు cryIIAb ద్వారా ఎన్కోడ్ చేయబడిన ప్రోటీన్లు పత్తి బోల్వార్మ్లను నియంత్రిస్తాయి, cryIAb యొక్కది కార్న్ బోరర్ను నియంత్రిస్తుంది.

చిత్రం 12.1 పత్తి గుత్తి: (ఎ) బోల్వార్మ్ల ద్వారా నాశనం చేయబడింది; (బి) పూర్తిగా పక్వమైన పత్తి గుత్తి

పురుగు నిరోధక మొక్కలు: అనేక నెమటోడ్లు మానవులతో సహా విస్తృత రకాల మొక్కలు మరియు జంతువులను పరాన్నజీవులుగా మారుస్తాయి. ఒక నెమటోడ్ మెలోయిడోజైన్ ఇంకోగ్నిటియా పొగాకు మొక్కల వేర్లకు సోకి, దిగుబడిలో గణనీయమైన తగ్గుదలకు కారణమవుతుంది. ఈ సంక్రమణను నిరోధించడానికి ఆర్ఎన్ఏ జోక్యం (ఆర్ఎన్ఏఐ) ప్రక్రియ ఆధారంగా ఒక కొత్త వ్యూహం అనుసరించబడింది. ఆర్ఎన్ఏఐ అన్ని న్యూక్లియస్ కణజాల జీవులలో కణ రక్షణ పద్ధతిగా జరుగుతుంది. ఈ పద్ధతిలో ఒక నిర్దిష్ట mRNA యొక్క మౌనీకరణ ఉంటుంది, ఇది పూరక dsRNA అణువు కారణంగా, ఇది mRNAకి బంధించి అనువాదాన్ని నిరోధిస్తుంది (మౌనీకరణ). ఈ పూరక RNA యొక్క మూలం RNA జన్యువులను కలిగి ఉన్న వైరస్ల సంక్రమణ లేదా RNA మధ్యస్థ ద్వారా ప్రతికృతి చేసే మొబైల్ జన్యు అంశాలు (ట్రాన్స్పోజోన్లు) నుండి కావచ్చు.

అగ్రోబాక్టీరియం వెక్టర్లను ఉపయోగించి, నెమటోడ్-నిర్దిష్ట జన్యువులు హోస్ట్ మొక్కలోకి ప్రవేశపెట్టబడ్డాయి (చిత్రం 12.2). DNA యొక్క ప్రవేశం అంతటికీ హోస్ట్ కణాలలో సెన్స్ మరియు యాంటీ-సెన్స్ RNA రెండింటినీ ఉత్పత్తి చేసేలా ఉండేది. ఈ రెండు RNAలు ఒకదానికొకటి పూరకంగా ఉండడం వలన డబుల్ స్ట్రాండెడ్ (dsRNA) ఏర్పడింది, ఇది RNAiని ప్రారంభించింది మరియు అందువలన, నెమటోడ్ యొక్క నిర్దిష్ట mRNAను మౌనం చేసింది. ఫలితంగా పరాన్నజీవి నిర్దిష్ట జోక్యం చేసే RNAని వ్యక్తీకరించే ట్రాన్స్జెనిక్ హోస్ట్లో జీవించలేకపోయింది. అందువలన ట్రాన్స్జెనిక్ మొక్క పరాన్నజీవి నుండి స్వయంగా రక్షించుకుంది (చిత్రం 12.2).

చిత్రం 12.2 హోస్ట్ మొక్క-ఉత్పత్తి చేసిన dsRNA నెమటోడ్ సంక్రమణకు వ్యతిరేకంగా రక్షణను ప్రేరేపిస్తుంది: (ఎ) సాధారణ నియంత్రణ మొక్కల వేర్లు; (బి) ట్రాన్స్జెనిక్ మొక్క వేర్లు నెమటోడ్ యొక్క ఉద్దేశపూర్వక సంక్రమణ తర్వాత 5 రోజులు కానీ కొత్త యాంత్రికం ద్వారా రక్షించబడ్డాయి.

12.2 వైద్యంలో జీవసాంకేతిక అనువర్తనాలు

పునఃసంయోజక DNA సాంకేతిక ప్రక్రియలు సురక్షితమైన మరియు మరింత ప్రభావవంతమైన చికిత్సా ఔషధాల సామూహిక ఉత్పత్తిని సాధ్యం చేయడం ద్వారా ఆరోగ్య సంరక్షణ రంగంలో గణనీయమైన ప్రభావాన్ని చూపాయి. ఇంకా, పునఃసంయోజక చికిత్సా పదార్థాలు మానవేతర మూలాల నుండి వేరు చేయబడిన సారూప్య ఉత్పత్తుల విషయంలో సాధారణంగా ఉండే అవాంఛిత రోగనిరోధక ప్రతిస్పందనలను ప్రేరేపించవు. ప్రస్తుతం, ప్రపంచవ్యాప్తంగా మానవ ఉపయోగం కోసం సుమారు 30 పునఃసంయోజక చికిత్సా పదార్థాలు ఆమోదించబడ్డాయి. భారతదేశంలో, వీటిలో 12 ప్రస్తుతం మార్కెట్లో ఉన్నాయి.

12.2.1 జన్యుపరంగా ఇంజనీరింగ్ చేయబడిన ఇన్సులిన్

వయోజన-ప్రారంభ మధుమేహం నిర్వహణ సాధారణ సమయ వ్యవధిలో ఇన్సులిన్ తీసుకోవడం ద్వారా సాధ్యమవుతుంది. తగినంత మానవ-ఇన్సులిన్ లభించకపోతే ఒక మధుమేహ రోగి ఏమి చేస్తాడు? మీరు దీన్ని చర్చిస్తే, ఒకరు ఇతర జంతువుల నుండి ఇన్సులిన్ను వేరు చేసి ఉపయోగించవలసి ఉంటుందని మీరు త్వరలో గ్రహిస్తారు. ఇతర జంతువుల నుండి వేరు చేయబడిన ఇన్సులిన్ మానవ శరీరం స్వయంగా స్రవించేదానికి సమానంగా ప్రభావవంతంగా ఉంటుందా మరియు అది మానవ శరీరంలో రోగనిరోధక ప్రతిస్పందనను ప్రేరేపించదా? ఇప్పుడు, మానవ ఇన్సులిన్ను తయారు చేయగల బ్యాక్టీరియం అందుబాటులో ఉంటే ఊహించండి. అప్పుడు మొత్తం ప్రక్రియ చాలా సరళంగా మారుతుంది. మీరు సులభంగా పెద్ద మొత్తంలో బ్యాక్టీరియాను పెంచవచ్చు మరియు మీకు అవసరమైనంత ఇన్సులిన్ను తయారు చేయవచ్చు. ఇన్సులిన్ను మధుమేహ రోగులకు నోటి ద్వారా ఇవ్వవచ్చా లేదా? ఎందుకు?

మధుమేహం కోసం ఉపయోగించే ఇన్సులిన్ మునుపు వధ చేయబడిన పశువులు మరియు పందుల క్లోమం నుండి సేకరించబడింది. జంతు మూలం నుండి వచ్చే ఇన్సులిన్, కొంతమంది రోగులు విదేశీ ప్రోటీన్కు అలెర్జీ లేదా ఇతర రకాల ప్రతిస్పందనలను అభివృద్ధి చేయడానికి కారణమైంది. ఇన్సులిన్ రెండు చిన్న పాలిపెప్టైడ్ శ్రేణులను కలిగి ఉంటుంది: శ్రేణి A మరియు శ్రేణి B, అవి డైసల్ఫైడ్ వంతెనల ద్వారా ఒకదానితో ఒకటి లింక్ చేయబడతాయి (చిత్రం 12.3).

చిత్రం 12.3 ప్రో-ఇన్సులిన్ నుండి ఇన్సులిన్గా పరిపక్వత (సరళీకృతం)

స్తనపాయులలో, మానవులతో సహా, ఇన్సులిన్ ఒక ప్రో-హార్మోన్గా సంశ్లేషణ చేయబడుతుంది (ప్రో-ఎంజైమ్ వలె, ప్రో-హార్మోన్ కూడా పూర్తిగా పరిపక్వమైన మరియు క్రియాశీల హార్మోన్గా మారే ముందు ప్రాసెస్ చేయబడాలి) ఇందులో సి పెప్టైడ్ అనే అదనపు భాగం ఉంటుంది. ఈ సి పెప్టైడ్ పరిపక్వ ఇన