گستردگیو تنوع كاربردهای بیوتكنولوژی، تعریف و توصیف آنرا كمی مشكل و نیز متنوعساخته است.
برخی آنرا مترادف میكروبیولوژی صنعتی واستفاده از میكروارگانیسمها میدانند و برخی آنرا معادل مهندسی ژنتیك تعریفمیكنند بههمین دلیل در اینجا مختصراً اشارهای به تعاریف متفاوت ازبیوتكنولوژی میكنیم كه البته دارای وجوه اشتراك زیادی نیز هستند(1)و (2)
• بیوتكنولوژی مجموعهای از متون و روشها است كه برای تولید، تغییر و اصلاحفراوردهها، بهنژادی گیاهان و جانوران و تولید میكروارگانیسمها برایكاربردهای ویژه، از ارگانیسمهای زنده استفاده میكند.
• كاربرد روشهای علمی و فنی در تبدیل بعضی مواد به كمك عوامل بیولوژیك(میكروارگانیسمها، یاختههای گیاهی و جانوری و آنزیمها) برای تولید كالاها وخدمات در كشاورزی، صنایع غذائی و دارویی و پزشكی
• مجموعهای از فنون و روشها كه در آن از ارگانیسمهای زنده یا قسمتی از آنهادر فرایندهای تولید، تغییر و بهینهسازی گیاهان و جانوران استفاده میشود.
• كاربرد تكنیكهای مهندسی ژنتیك در تولید محصولات كشاورزی، صنعتی، درمانی وتشخیص باكیفیت بالاتر و قیمت ارزانتر و محصول بیشتر و كم خطرتر
• استفاده از سلول زنده یا توانائیهای سلولهای زنده یا اجزای آنها و فرآوریو انتقال آنها بهصورت تولید در مقیاس انبوه
• بهرهبرداری تجاری از ارگانیسمها یا اجزای آنها
• كاربرد روشهای مهندسی ژنتیك در تولید یا دستكاری میكروارگانیسمها وارگانیسمها
• علم رامكردن و استفاده از میكروارگانیسمها در راستای منافع انسان
تعاریف بالا از بیوتكنولوژی هركدام بهتنهائی توصیف كاملی از بیوتكنولوژینیست ولی با قدر مشترك گرفتن از آنها میتوان به تعریف جامعی ازبیوتكنولوژی دست یافت.
براستی چرا چنین است؟ هرچند كه با مرورزمان دانشمندان به مفاهیم مشتركی در مورد تعریف بیوتكنولوژی نزدیك شدهانداما چرا هر متخصص و دانشمندی تعریف جداگانهای از بیوتكنولوژی ارائه میدهدكه درجای خود نیز میتواند صحیح باشد (نه الزاماً جامع).
علت این حقیقت را باید درماهیت بیوتكنولوژیجُست.
بیوتكنولوژی همانند زیست شناسی، ژنتیك یامهندسی بیوشیمی یك علم پایه یا كاربردی نیست كه بتوان محدوده و قلمروآنرا بسادگی تعریف كرد. بیوتكنولوژی شامل حوزهای مشترك از علوم مختلف استكه در اثر همپوشانی و تلاقی این علوم بایكدیگر بوجود آمده است. بیوتكنولوژیمعادل زیست شناسی مولكولی، مهندسی ژنتیك، مهندسی شیمی یا هیچ یك از علومسنتی و مدرن موجود نیست؛ بلكه پیوند میان این علوم در جهت تحقق بخشیدنبه تولید بهینه یك محصول حیاتی (زیستی) یا انجام یك فرآیند زیستی بروشهاینوین و دقیق با كارآئی بسیار بالا میباشد.
بیوتكنولوژی را میتوان به درختی شبیه كردكه ریشههای تناور آنرا علومی بعضاً با قدمت زیاد مانند زیست شناسی بویژهزیست شناسی مولكولی، ژنتیك، میكروبیولوژی، بیوشیمی، ایمونولوژی، شیمی،مهندسی شیمی، مهندسی بیوشیمی، گیاهشناسی، جانورشناسی، داروسازی، كامپیوترو... تشكیل میدهند لیكن شاخههای این درخت كه كم و بیش به تازگی روئیدنگرفتهاند و هرلحظه با رشد خود شاخههای فرعی بیشتری را بهوجود میآورند بسیارمتعدد و متنوع بوده كه فهرست كردن كامل آنها در این نوشته را ناممكنمیسازد.
تقسیمبندی بیوتكنولوژی به شاخههای مختلفنیز برحسب دیدگاه متخصصین و دانشمندان مختلف فرق میكند و در رایجترینتقسیمبندی از تلاقی و پیوند علوم مختلف با بیوتكنولوژی استفاده میكنند ونام شاخهای از بیوتكنولوژی را بدینترتیب وضع میكنند. مانند بیوتكنولوژیپزشكی كه از تلاقی بیوتكنولوژی با علم پزشكی بوجود آمده است یابیوتكنولوژی كشاورزی كه كاربرد بیوتكنولوژی در كشاورزی را نشان میدهد. بدینترتیب میتوان از بیوتكنولوژی داروئیPharmaceuticalBiotechnology بیوتكنولوژیمیكروبی، MicrobialBiotechnology، بیوتكنولوژی دریا MarineBiotech، بیوتكنولوژی قضائی یا پزشكی قانونی ForensicBiotech، بیوتكنولوژی محیطی EnvironmentalBiotech، بیوتكنولوژی غذائی foodand food stuffBiotech بیوانفورماتیك Bioinformatic، بیوتكنولوژی صنعتی Industrial، بیوتكنولوژی نفت ...... بیوتكنولوژی تشخیصی و ... نام برد.
این شاخههای متعدد در عمل همپوشانیها وپیوندهای متقاطع زیادی دارند و باز بدلیل ماهیت همهجانبه بودن بیوتكنولوژینمیتوان در این مورد نیز به ضرس قاطع محدودههائی را برای آنها تعییننمود.
گستردگی كاربرد بیوتكنولوژی در قرن بیست ویكم بحدی است كه، اقتصاد، بهداشت، درمان، محیطزیست، آموزش، كشاورزی،صنعت، تغذیه و سایر جنبههای زندگی بشر را تحت تأثیر شگرفت خود قرار خواهدداد. بهمین دلیل اندیشمندان جهان قرن بیست و یكم را قرن بیوتكنولوژینامگذاری كردهاند.
تاریخچه
بیوتكنولوژیریشه در تاریخ دارد و تكوین آن از سالهای بسیار دور آغاز شده تابحال ادامهیافته است.
درتقسیمبندی زمانی میتوان سهدوره برای تكامل بیوتكنولوژی قائل شد.
1)دورة تاریخی كه بشر با استفاده ناخودآگاه از فرآیندهای زیستی به تولیدمحصولات تخمیری مانند نان، مشروبات الكلی، لبنیات ترشیجات و سركه و غیرهمیپرداخت. در شش هزار سال قبل از میلاد مسیح، سومریان و بابلیها از مخمرهادر مشروبسازی استفاده كردند. مصریها در چهار هزار سال قبل با كمك مخمر و خمیرمایه نان میپختند. در این دوران فرآیندهای ساده و اولیه بیوتكنولوژی وبویژه تخمیر توسط انسان بكار گرفته میشد.
2)دوره اولیه قرن حاضر كه با استفاده آگاهانه از تكنیكهای تخمیر و كشتمیكروارگانیسمها در محیطهای مناسب و متعاقباً استفاده از فرمانتورها در تولیدآنتیبیوتیكها، آنزیمها، اجراء مواد غذائی، مواد شیمیائی آلی و سایر تركیبات،بشر به گسترش این علم مبادرت ورزید. در آن دوره این بخش از علم ناممیكروبیولوژی صنعتی بخود گرفت و هماكنون نیز روند استفاده از این فرآیندهادر زندگی انسان ادامه دارد. لیكن پیشبینی میشود به تدریج با استفاده ازتكنیكهای بیوتكنولوژی نوین بسیاری از فرآیندهای فوق نیز تحت تأثیر قرارگرفته و بهسمت بهبودی و كارآمدی بیشتر تغییر پیدا كنند.
3)دوره نوین بیوتكنولوژی كه با كمك علم ژنتیك درحال ایجاد تحول در زندگیبشر است. بیوتكنولوژی نوین مدتی است كه روبه توسعه گذاشته و روز بروزدامنه وسعت بیشتری به خود میگیرد.
این دوره زمانی از سال 1976 با انتقالژنهائی از یك میكروارگانیسم به میكروارگانیسم دیگر آغاز شد. تا قبل از آندانشمندان در فرآیندهای بیوتكنولوژی از خصوصیات طبیعی و ذاتی (میكرو)ارگانیسمها استفاده میگردند لیكن در اثر پیشرفت در زیستشناسی مولكولی وژنتیك و شناخت عمیقتراجزاء ومكانیسمهای سلولی ومولكولی متخصصینعلومزیستیتوانستند تا به اصلاح و تغییر خصوصیات (میكرو) ارگانیسمها بپردازندو(میكرو) ارگانیسمهائی باخصوصیات كاملاً جدید بوجود آوردند تا با استفاده ازآنها بتوان تركیبات جدید را بامقادیر بسیار بیشتر و كارائی بالاتر تولید نمود.
600سال قبل از میلاد 1830 1833 1855 1869 1914 1919 1938 1939 1953 1959 1954 1955 1966 1970 1971 1975 1976 1977 1978 1983 1984 1986 1990 1995 1997 1998 2000 2001 آبجو سازی در مصر و كشورهای حاشیه رود نیل كشف پروتئینها جداسازی اولین آنزیمها كشف باكتری ایكلای كشف DNA استفاده از باكتریها در تصفیه فاضلاب استفاده از واژه بیوتكنولوژی توسط یكمهندس كشاورزی استفاده از اصلاح بیولوژی مولكولی كشف فعالیت ضدباكتریائی قارچ پنیسیلیومتوسط فلمینگ (كشف پنیسیلین) كشت ساختمان رشتهای مارپیچ DNA توسط واتسون و گریك توضیح و تشریح ساختمان آنتیبادی توسطپورتر، ارلن وینسونوف كشت سلول جداسازی یك آنزیم سنتز كننده DNA كشف كدهای ژنتیكی اولین سنتز كامل یك ژن كشف آنزیمهای برش دهنده اسیدهای نوكلئیك اولین آنتیبادی مونوكلونال اولین بیان ژن مخمر در باكتری ایكلای اولین بیان ژن انسان در باكتری تولید انسولین نوتركیب انسانی ابداع روش PCR برای تكثیر قطعات DNA ابداع روش انگشتنگاری DNA ـ اولین واكسن مهندسیژنتیك EPA اولین تنباكوی مهندسیژنتیك را تأیید كرد شروع پروژه ژنوم انسانی ـ تولید اولین گاوترانسژنیك كشف اولین ژنوم كامل یك موجود زنده ابداع تكنیك جدید DNA با استفاده از PCR و چیپهای DNA و یك برنامه كامپیوتریبرای كشف ژنهای بیماریزا استفاده از سلولهای ریشهای برای معالجهبیماریها شناسائی كامل ژنوم مگس سركه و بسیاری ازموجودات دیگر شناسائی كامل ژنوم انسان و بسیاری دیگر ازارگانیسمها جدول1 ـ تاریخچه مختصر بیوتكنولوژی (3)و (4)
كاربردهایبیوتكنولوژی
كاربردهایبیوتكنولوژی بقدری وسیع است كه تقریباً تمام جنبههای زندگی بشر را تحتتأثیر قرارداد و خواهد داد. بهنحوی كه حدس زده میشود در آینده نزدیك كناراكثر نامهای رایج علوم و فنون یك كلمة «بیو» یا «بیوتك» هم اضافه شود كهنشانه تأثیر این علم بر آن رشته میباشد.
كاربردبیوتكنولوژی در كشاورزی یا بیوتكنولوژی كشاورزی «Agbiotech»:
عمدهترین كاربردهای بیوتكنولوژی دركشاورزی را میتوان به دستههای زیر تقسیم كرد.
• ایجاد گیاهان مقاوم به حشرات و آفتها
• ایجاد گیاهان تحمل كننده علفكشها
• ایجاد گیاهان مقاوم به بیماریهای ویروسی و قارچی
• ایجاد گیاهان مقاوم به شرایط سخت مانند سرما، گرما و شوری
• ایجاد گیاهان دارای ارزشهای غذائی ویژه
• ایجاد گیاهان دارای خاصیت درمانی ـ پیشگیری
• ایجاد گیاهان دارای خصوصیت متابولیكی تغییر یافته مانند رشد سریع و راندمانكشت بالاتر
• ایجاد گیاهان و میوههای دارای زمان ماندگاری بیشتر
همچنین باید اضافه كرد:
• ایجاد دامهای ترانسژنیك كه دارای خصوصیات ویژهای مانند تولید شیر زیاد یاگوشت كمچربی و... هستند.
• ایجاد جانورانی كه بعنوان كارخانه تولید آنتیبادی و واكسن و دارو عمل كنند
• ایجاد ماهیها و سایر دامهائی كه با سرعت زیاد رشد میكنند
گیاهانمقاوم به حشرات و آفتها
باتوسعه تكنیكهای بیوتكنولوژی دانشمندانقادرند ژنهائی از یك موجود زنده را به موجود دیگری انتقال دهند. در سال 1990اولین گیاه ترانسژنیك در مزرعه واقعی كشت گردید و در 1993 FDAگیاهان و غذاهای ترانسژنیك را بعنوان مواد اساساً بیضررمعرفی كرد.
هماكنون با استفاده از این تكنیكها ژنهایمربوط به تولید یك پروتئین سمی (بتاتوكسین) از باكتری باسیلوس تورانجینسیسبه گیاهان متعددی از قبیل ذرت، پنبه و سیبزمینی و... انتقال یافته است وبدینوسیله این گیاهان به حشراتی كه علاقه به تغذیه از آنها را دارندمقاوم گشتهاند. چرا كه بمحض استفاده حشرات از این گیاه بدلیل نابودیدستگاه گوارش آنها از بین خواهند رفت.
هرساله هزینههای هنگفتی بابت مبارزهشیمیائی با این آفات صورت میگیرد كه علاوه بر هزینهبری زیاد آلودگیهایزیستمحیطی فراوانی را بهدنبال دارد. راندمان این مواد شیمیایی نیز بدلیلایجاد مقاومت در حشرات در برابر سموم بمرور پایین آمده است و بهمین خاطرنیاز به تعویض مكرر این آفتكشها وجود دارد.
هماكنون در آمریكا ذرت و پنبه و سیبزمینیترانسژنیك تا میزان زیادی مورد استقبال واقع شده است بطوریكه تا سال 1998حدود 18% از ذرت و 17% از پنبه و 4% از سیبزمینی كشت داده شده در آمریكا ازنوع ترانسژنیك بوده است و هماكنون براساس روند رشد موجود برآورد میشود كهبیش از 50% غلات كشت داده شده در آمریكا از نوع ترانسژنیك باشند.(5)
گیاهانمقاوم به بیماریهای ویروسی و قارچی
بیماریهای ویروسی و قارچی از مهمترینبیماریهای گیاهی هستند كه علاوه بر وارد كردن خسارات زیاد به محصولاتكشاورزی مانع كشت آنها در بسیاری از شرایط آب و هوائی میشود.
باكلون كردن برخی ژنهای گیاهان مقاوم درگیاهان حساس مانند ژنهای كیتنیاز و 1 و 3 گلوكاناز كه باعث تخریب دیوارهپلیساكاریدی قارچهای پاتوژن میشوند بیوتكنولوژیستها به گیاهانی دستیافتهاند كه مقاوم به قارچهای پاتوژن میباشند.
همچنین باكلون كردن ژنهای جانوری و انجاماقداماتی شبیه واكسیناسیون میتوان به گیاهان مقاوم به ویروس نیز دستیافت. روشهای مبارزه بیولوژیك بسیار متعدد و متنوع بوده و تنها موارد بالاتنها مثالهائی از این دست میباشند.(6)
گیاهانمقاوم به علفكشها
روشهای رایج مبارزه با علفهای هرزبهنحوی كه باید انتخابی نیست و علفكشها در موارد زیادی علاوه بر نابودیعلفها به گیاهان زراعی نیز آسیب میزنند. بعنوان مثال Glyphosate كه یك علفكش كارآمدیاست میتواند گیاهانی را كه دارای سیر متابولیكی Shikamate هستند را نیز نابود كند.بهمین منظور بیوتكنولوژیستها با وارد كردن ژن مقاومت گلیفوسیت EPSP سنتتاز به گیاهانیمانند چغندرقند، سویا، پنبه، گوجهفرنگی و تنباكو آنها را در برابر علفكشهامقاوم كردهاند.(7)
گیاهانتحمل كننده شرایط سخت
ارزش گیاهانی كه بتوانند در خاكهای شوربا حرارت بالا، سرمای زیاد و... رشد كنند بركسی پوشیده نیست. بیش از 13زمینهای قابل آبیاری جهان دارای درصد غیرقابل تحمل نمك در خود هستند.بیوتكنولوژیستها با بررسی گیاهانی كه بصورت خودرو در شرایط سخت مانند فشاراسمزی بالا، سرمای زیاد، گرمان فراوان و... رشد میكنند به ژنهائی دستیافتهاند كه عامل مقاومت این گیاهان در برابر این شرایط سخت میباشد. باانتقال این ژنها گیاهان متعددی تولید شدهاند كه قادرند در خاكهای نامناسببا املاح زیاد رشد كنند.
بعنوان مثال با انتقال ژنهای مسئول انتقالیونهای سدیم بداخل گیاهانی مانند آرابیدوپسیس سطح تحمل این گیاه تا 200میلی مولار نمك افزایش پیدا كرده است.
همچنین با خاموش كردن سیستم بیان ژنهایسنتز اسیدهای چربتری ئنوئیك در گیاهان بیوتكنولوژیستها توانستهاند تا اینگیاهان را در دماهای بالاتر از حد معمول رشد دهند.
همچنین با انتقال ژنهای مسئول تولید نوعیپروتئین ضدیخ كه در ماهیهای آبهای قطبی یافت میشود به گیاهان بسیاری،باعث ایجاد مقاومت در برابر سرمای زیاد در این گیاهان شدهاند.(8)
گیاهانیكه دارای ارزش ویژهای هستند
هرمادة با ارزشی كه در درون یك گیاه یاهر موجود زنده دیگر ساخته شده و تجمع مییابد بواسطه عملكرد ژنهای مسئولسنتز آن ماده میباشد. بیوتكنولوژیستها با شناسائی این ژنها و افزایش قدرتبیان این ژنها و یا افزایش تعداد نسخههای این ژنها در یك گیاه میتوانندگیاهان و میوههائی كنند كه دارای ارزشهای غذائی ویژهای هستند. بهمین سبباصلاح جدید NutritionalGenomics وضع شده است كه نشاناز كاربرد ژنها در بهبود تغذیه انسان و دام دارد. بعنوان مثال «برنج طلائی»برنجی است كه دارای مقادیر بسیار زیادی از ویتامین A میباشد. این برنجمایه امیدی شده است برای نجات هزاران آفریقائی كه هرساله در اثر كمبودویتامین A به كوری كامل مبتلامیشوند.
همچنین بدلیل پایین بودن میكرونوترنیتها درعلوفه دامها، انتقال ژنهای مسئول متراكم ساختن آنها در گیاهان علوفهاینقش مؤثری در تغذیه دامها و انسان خواهد داشت.(8)
گیاهانیكه دارای خصوصیت متابولیكی تغییر یافته هستند
افزایش سرعت رشد جمعیت انسانی در سالهایاخیر بركسی پوشیده نیست، لیكن افزایش سرعت تولید محصولات كشاورزی پابهپایآن رشد نكرده است. تا سال 2020 نیاز به افزایش 40 درصدی در راندمان كشتبرنج وجود دارد. بیوتكنولوژیستها بدو طریق باعث كاهش فاصله این دو مقوله ازیكدیگر خواهند شد. اول با افزایش راندمان كشت محصولات كشاورزی در هرهكتار ودوم با افزایش سرعت رشد گیاهان.
بعنوان مثال ژنهائی كه مسئول كنترل قد دركوتاه شدن آن در گیاهان هستند بطور غیرمستقیم باعث افزایش راندمان محصولمیشوند. با انتقال این ژنها در گونههای فاقد آن باعث افزایش راندمانگردیدهاند.
همچنین با انتقال ژنهای مسئول فتوسنتز درذرت به برنج توانستهاند راندمان تولید برنج را تا 35% افزایش دهند.
همچنین با دستكاریهای ژنتیكی در سلولهایدرختانی كه از چوب آنها استفاده میگردد باعث افزایش سرعت رشد آنها تاحدقابل توجهی شدهاند كه این امر میتواند روند تخریب جنگلها را متوقف سازد.(8)
گیاهانو میوههائی كه دارای زمان ماندگاری بیشتر هستند
آیا قبول دارید درصورتیكه میوههائی مانندگوجهفرنگی زمان ماندگاری بیشتری داشته باشند چقدر در كاهش ضایعات اینمیوه مؤثر خواهد بود. بیوتكنولوژیستها با به تأخیر انداختن سرعت رسیدنگوجهفرنگی به این امر دسترسی پیدا كردهاند.
گیاهانیكه دارای خاصیت درمانی یا پیشگیری هستند
بیوتكنولوژیستها با انتقال ژنهای سنتزپروتئینهای مختلف میكروبی و انسانی به گیاهان و تولید این پروتئینها درگیاهان دست به ابتكارات مؤثری زدهاند. بعنوان مثال تولید واكسنهای مختلفدر گیاهان و ایجاد میوههائی كه دارای خاصیت واكسیناسیون هستند. و یا امكانتولید پروتئینهائی مثل انسولین در گیاهان كه در آیندة بسیار نزدیك به تحققخواهد پیوست باعث انقلابی در این زمینه خواهد شد.
همچنین گیاهان بعنوان ارگانیسمهای كاندیدبرای تولید پروتئینهائی مانند آنتیبادیها و آنزیمها و... در مقیاس بسیار بالادر نظر گرفته شدهاند و عملاً كارآئی خود را در این زمینه نشان دادهاند.
حیواناتترانسژنیك
امروزه بدلیل رشد روزافزون جمعیت نیازبه مواد غذائی اهمیت بیشتری پیدا كرده است و این اهمیت هنگامی بیشترمیشود كه موضوع كیفیت نیز در كنار آن مطرح شود. بیوتكنولوژیستها بادستكاریهای بدون ضرر در ژنهای حیواناتی مانند گوسفند و گاو و ماهی باعث رشدسریع آنها میشوند. همچنین با دستكاریهای ژنتیكی میتوان به گوشت كمچربی وترد دست یافت كه ارزش غذائی و سلامت بخش آن بسیار بالا باشد.
باانتقال ژنهای مختلف به این جانوران میتوان آنها را غنی از مواد خاصی كرد.اخیراً دانشمندان ژاپنی با انتقال برخی از ژنهای گیاه اسفناج به خوك موجبتولید گوشتی شدهاند كه دارای برخی خواص استنتاج نیز میباشد. گاوهای شیریترانسژنیك میتوانند بعنوان كارخانههای تولید پروتئینها و واكسنها وآنتیبادیها عمل كنند. هماكنون این روش بصورت كاربردی در تولید بسیاری ازپروتئینها بكار میرود.
بعنوان مثال گاو ترانسژنیك حامل ژنلاكتوفرین انسان كه یك پروتئین، حاوی آهن و ضروری برای رشد نوزادان استمیتواند باتولید شیر نزدیك به شیر انسان نیازهای نوزادان انسان را تاحدزیادی برآورده كند.
یابعنوان مثال بزهای ترانسژنیك میتوانند در هر لیتر شیر بیش از چهارگرمآنتیبادی مونوكلونال تولید كنند كه ارزش آن بسیار بالا میباشد. بدین نحو باجایگزینی تنها 10 بز ترانسژنیك بجای یك كارخانه بزرگ مدرن میتوان به یكروش كاملاً اقتصادی دست یافت.(9)
بادستكاری ژنهای تولید هورمون رشد در ماهیها و افزایش تولید این هورمون بصورتطبیعی به ماهیهائی دست یافتهاند كه دارای سرعت رشد بسیار بیشتری از گونهمشابه خود هستند.
بیوتكنولوژیپزشكی
كاربرد بیوتكنولوژی در پزشكی به وسعتعلم پزشكی بوده و حتی این علم با سرعت روزافزون بر وسعت و دامنه علمپزشكی میافزاید.
ازمهمترین كاربردهای بیوتك در پزشكی میتوان به موارد زیر اشاره كرد:
• تأثیر دگرگون بخش در امر پیشگیری ازبیماریهای میكروبی، بیماریهای ژنتیكی، بیماریهای تغذیهای و متابولیسمی وبیماریهای روحیروانی و...
• تأثیر دگرگونبخش در امر درمان بیماریهای عفونی، ژنتیكی، سوءتغذیه ومتابولیسم و نازائی
• تأثیر دگرگون بخش در پزشكی قانونی
• تأثیر دگرگون بخش در پزشكی زیبائی
عناوین مطرح در بیوتكنولوژی پزشكی كههركدام نیاز به توصیف كامل دارند عمدتاً عبارتند از: ژندرمانی، واكسنهاینوتركیب، DNA واكسنها، بیوانفورماتیك،ژنومیكس، پروتئومیكس، بیومدسین و بیوفارماسئوتیكال
امروزه پیشرفتهای پزشكی به مددبیوتكنولوژی درحال سرعت گرفتن میباشد. پزشكی سنتی بتدریج جای خود را بهپزشكی مولكولی خواهد داد. درآینده نهچندان دور مكانیسم هیچ بیماریناشناخته نخواهد ماند و تقریباً هیچ بیماری غیرقابل كنترل نخواهد بود. پزشكیسنتی عمدتاً بدنبال علائم و نشانهها Sign&Symptoms بیماریها بوده و از رویآن به استنتاج وجود بیماری و عامل بیماریزا میپرداخت و در مواردی بدلیلناشناخته بودن عوامل بیماریها، مكانیسمها و سیستمهای كنترلی آنها مبارزهتنها برعلیه علائم و نشانهها صورت میگرفت.
امروزه بكمك بیوتكنولوژی، علم پزشكی درحالشناخت ریشهایترین بخش از حیات و مظاهر آن میباشد. با كشف كامل توالیژنوم انسان در سال 2001 هماكنون دانشمندان بیوتكنولوژیست بدنبال شناسائیژنهای مسئول صفتهای مختلف و نیز ژنهای مسئول نقائص گوناگون انسانیمیباشند. تا بهحال ژنهای مسئول ایجاد بیماریهای بسیاری شامل سرطانها،بیماریهای قلبی عروقی، تنفسی، روانی و... شناسائی شدهاند.
باشناسائی تكتك این ژنها و سپس شناسائی پروتئینهای حاصله از این ژنهاداروهای كاملاً انتخابی و مؤثر برای مقابله با یك بیماری ساخته میشوند (tailormade) این مبارزه در سطحپروتئین و فنوتیپ است راه دیگر مبارزه استفاده از ژندرمانی و Antisence است.
بیماریهای ژنتیكی بسیاری درحال حاضر بعنوانكاندید برای ژندرمانی درنظر گرفته شدهاند.
تقریباً هركدام از ما تعدادی ژن ناقص دربدن خود داریم كه برخی از آنها خصوصیات خود را در فنوتیب ما آشكار نكردهاندو برخی دیگر كم یا زیاد خصوصیات خود را در فنوتیپ ما آشكار نمودهاند تقریباًاز هر 10 نفر یكنفر دارای اختلالات ژنتیكی تظاهر یافته میباشد. تقریباً 5%مراجعه كودكان به بیمارستانها بخاطر نقص در یك تكژن میباشد.
بیماریهائی مانند سیستیك فیبروزیس، دسیتروفیعضلانی دوشن، بیماری سیستم عصبی هانتینگتون، تالاسمی، هموفیلی، كمخونیداسی شكل، سندروم لش ـ نایهان lesch-Nyhan، فنیل كتونوری و... جزو كاندیداهای ژن درمانی هستند.
بیشتر توجه در ژن درمانی متوجه بیماریهایژنتیكی - متابولیكی است كه نقص یك ژن باعث عدم سنتز یا سنتز ناقص یكپروتئین و عدم انجام یك فرآیند شیمیائی میشود.
فرآیند ژن درمانی میتواند بر روی سلولهایسوماتیك بدن صورت گیرد و یا بر روی سلولهای زایا صورت گیرد كه در اینصورتصفت اصلاح شده به نسل بعد نیز منتقل میشود.
درفرآیند ژن درمانی معمولاً از قطعات ژن سالم ساختگی بهره گرفته میشود.
تكنولوژی دیگری كه استفاده میشود آنتیسنس است كه در آن از قطعات اسیدهای نوكلئیك DNAو RNA یا تركیبات آنالوگ آنهااستفاده میشود و بدینترتیب اتصال احتمالی این قطعات به محل موردنظر مانعبیان یك ژن ناقص و یا تولید یك پروتئین مضر میگردد.(10)و (11)
واكسنهاینوتركیب
میتوان گفت كه در تولید همهگونه ازواكسنها از تكنیكهای بیوتكنولوژی بهرهگرفته شده و میشود. لیكن اوجتوانمندیهای بیوتكنولوژی نوین را میتوان در واكسنهای نوتركیب نسل چهارم (ونیز DNA واكسنها) مشاهده كرد.تابحال برای تولید واكسنها از میكروارگانیسمهای ضعیف شده یا كشته شده یااجزاء آنها كه بصورت طبیعی از آنها استخراج میشدند استفاده میشد و این امردر موارد قابل توجهی باعث ایجاد عوارض جانبی در افراد میگردید. لیكنباتوسعه تكنیكهای DNAنوتركیب، واكسنهای نسل چهارم تولید شدند كه در آنها تنها ازجزء مؤثر در ایجاد ایمنی (جزء ایمونوژن) میكروارگانیسمها استفاده میشود.نمونه آن واكسن سابیونیتی مؤثر در برابر هپاتیت Bمیباشد.
فرآیند تولید یك واكسن نوتركیب بسیار طولانیو پیچیده میباشد. در ابتدا بیوتكنولوژیستها باید ایمونوژنترین جزءمیكروارگانیسمها را كه معمولاً پروتئینها یا گلیكوپرتئینهای غشائی هستند طبقفرآیندهای بسیار طولانی و پیچیده شناسائی كنند و پس از آن با شناسائی محل وتوالی ژن آن در ژنوم میكروارگانیسم اقدام به تكثیر آن بخش كرده و قطعاتتكثیر شده را درون پلاسمیدهای ویژه كلونینگ قرار دهند و سپس اقدام بهانتقال پلاسمیدهای نوتركیب به سلول میزبان مناسب برای تولید آن پروتئینبنمایند.
درصورت موفقیت در تولید اقتصادی یك پروتئینكاندید برای واكسن یك بانك سلولی و یك بانك پلاسمید از سلولهای نوتركیبایجاد شده و ساختارهای پلاسمیدی آنها ایجاد میشود كه برای مراحل بعد مورداستفاده قرار گیرد.
برای تأیید این واكسن از نظر مؤثر بودن،كارآئی و بیضرر بودن برای انسان (یا دام) (ClinicalTrials) مراحل زیادی باید طیشود كه چندین سال بطول میكشد.
برای تولید صنعتی و تجاری یك واكسن نیازبه سرمایهگذاری فراوانی میباشد. بخشی از این سرمایهگذاری باید برای ایجادیك محیط كاملاً استاندارد مطابق با شرایط (GoodManufacturingPractices)GMP و تسهیلات و تأسیساتاستاندارد مطابق با GMP و افراد كاملاً متخصص وآموزش دیده و ایجاد یك سیستم با ثبات حفظ كیفیت گردد.
واكسنهای
DNA با پیشرفت تكنیكهای بیوتكنولوژی نسلبعدی واكسنها پیشنهاد شدند كه در آنها بجای تولید بخش ایمونوژن عامل بیماریزادر كارخانهها با ارسال اطلاعات ژنتیكی (DNA) لازم برای تولید ایناجزاء درون سلولهای بدن به تولید این ایمونوژنها در بدن پرداخته میشود. ازمهمترین مزایای این واكسنها درعین مشكل بودن طراحی و تولید آنها پایداربودن ایمنی حاصله و كنترل بیشتر بر نحوه ایمنیزائی در بدن میباشد.
بیومدسینیا بیوفارماسئوتیكال
بسیاری از بیماریهای رایج انسانی بدلیلنقص ژنتیكی در تولید یك پروتئین فانكشنال در سلولهای بدن میباشد. اینبیماریها كه شیوع زیادی در جوامع انسانی دارند اغلب دارای آثار اقتصادی -اجتماعی بیشتری نسبت به سایر بیماریها هستند. بعنوان مثال بیماریهائی مانندهموفیلی، تالاسمی، كمخونیها، انواع نقصهای سیستم ایمنی، اختلالات رشد ودیابت و...
باپیشرفتهای اخیر در زمینه علوم زیستی بیوتكنولوژیستها قادر شدهاند تا باشناسائی این اختلالات و ژنهای مربوطه به تولید پروتئینهایی بپردازند كهبدن این بیماران قادر به تولید آنها نیست یا میزان تولید آنها كافی نیست.از جمله این پروتئینها میتوان به انواع فاكتورهای خونی، اریتروپوئیتین،انواع اینترلوكینها، انواع هورمونها مانند انسولین، هورمون رشد اشاره كرد كهدرحال حاضر در كارخانههای بیوتك در مقیاس صنعتی درحال تولید هستند. تولیداین پروتئینها هرچند كه هزینهبری زیادی را بهمراه دارد اما باعث كاهشچشمگیر مرگومیر ناشی از اختلالات ژنتیكی شده است.
بازار تولید این مواد درحال حاضر بالغ برمیلیاردها دلار است و دارای رشد روزافزونی نیز میباشد. درحالیكه رشد سالانهصنعت دارو 3% میباشد، رشد سالانه صنعت داروهای بیوتكنولوژی 25% میباشد.
ژنومیكس Genomics
پروژه ژنوم انسانی بزرگترین وباارزشترین پروژه در علومزیستی بوده است كه تابحال اجرا شده و در حقیقاتمنشاء پدید آمدن علم ژنومیكس نیز محسوب میشود. HGP باهدف تعیین توالیژنوم (محتوای ژنتیكی) انسان در سال 1996 شروع شده و درسال 2001 با اتمامنسخه اولیه به اوج خود رسید . با كامل شدن پروژه ژنوم انسان دانشمندانبه محل دقیق ژنهای انسان پیخواهند برد و با شناسائی ژنوتیب مربوط بهتمام جنبههای فنوتیپ انسان به كلید اصلی صفات انسانی دست پیدا خواهندكرد. شناسائی این ژنها دانشمندان را قادر خواهد ساخت كه به رفع تمام نقائصژنتیكی انسانها بپردازند و نیز منشاء تمام حالات جسمی و روحی و رفتاری انسانرا شناسائی كرده و در دست خود بگیرند.
هماكنون ژنهای جدیدی برای اختلالات جسمیو حتی روحی مانند بیماریهای قلبی و عروقی، اسیكزوفرنی و... شناسائی شدهاست و پیمودن این راه باسرعت هرچه تمام ادامه دارد. اینك قدمهای زیادیبه انتهای این مرحله سرنوشتساز از تاریخ بشر باقی نمانده است و همگیدانشمندان منتظر بهثمر رسیدن دستاوردهای این پروژه در آینده بسیار نزدیكمیباشند.
یكی از ابزارها و شاخههای بیوتكنولوژی كهاخیراً به شكوفائی رسیده است بیوانفورماتیك میباشد كه كار تجزیه و تحلیلدادههای بدست آمده از HGP و... را انجام داده وآنها را تبدیل به اطلاعات باارزش و قابل استفاده برای دانشمندان مختلفمینماید.
موضوع مرتبط با این امر موضوع كشف SNPها میباشد. SNPها تفاوتهای تكنوكلئوتیدی هستند كه بین دو فرد، از نظر یكژن بین آنها وجود دارد. شناسائی این تفاوتها ارزش فراوانی دارد. چراكه بطورمثال فردی كه دارای هوش بیشتر یا دندان مستحكمتر نسبت به فرد دیگری استممكن است تنها در یك نوكلئوتید از یك ژن با یكدیگر تفاوت داشته باشند وشناسائی مكان و نوع این تفاوت ارزش اقتصادی زیادی برای كاشف و انحصارگرآن دارد. بهمین دلیل هماكنون شكارچیان ژن درحال شناسایی قومها ونژادهائی هستند كه در یك یا چند زمینه خاص دارای خصوصیات برتر میباشند.
پروتئومیكس Proteomics
دنیای پروتئومیكس دنیای بیانتهائی استكه ما هماكنون در روزنه ورودی آن قرار گرفتهایم. دانشمندان بعدازاستخراج اطلاعات ژنوم انسانی به كاربرد آن در حوزه پروتئومیكس میاندیشند.در پروتئومیكس دانشمندان براساس اصل یك پروتئین یك ژن بدنبال یافتن كلیهپروتئینهای تولید شده در بدن انسان و ربط آن به یك ژن هستند.
پساز اتمام پروژه پروتئومیكس كه حتی بسیار بزرگتر و طولانیتر و پرابعادتر ازپروژه ژنومیكس خواهد بود میتوان گفت كه انسان به عمده اطلاعات حیاتیلازم در مورد خود دست یافته است و پس از كاربرد این اطلاعات در طراحیداروها و فرآیندهای مناسب تقریباً قادر به مبارزه با هر بیماری و هر اختلالدر بدن خود خواهد بود و حتی قادر به پیشگیری از اكثر آنها خواهد شد.
مرحله بعد از (و حتی همگام با) پروتئؤمیكسطراحی داروهای بیولوژیك میباشد كه دانشمندان را قادر میسازد پروتئینهایمزاحم یا ناقص را خنثی كنند یا تولید پروتئینهای ضروری در بدن را باعث شوند.
بازار پروتئومیكس برعكس ژنومیكس بسیارگستردهتر و غیر متمركز بوده و هماكنون بسیاری از كشورها حتی كشورهای جهانسوم مثل برزیل نیز قدم به این عرصه گذاشتهاند.
كلونینگانسان
از زمانی كه دانشمندان با ابداع روشجدید همانندسازی گوسفندی بنام دالی را خلق كردند امیدها و نگرانیهای زیادیدر جوامع انسانی بوجود آمد. بیوتكنولوژیستها توانستند با انتقال محتوای ژنتیكییك سلول سوماتیك به یك سلول تخم كه محتوای ژنتیكی آن تخلیه شده بودبه تولید موجوداتی كاملاً مشابه موجود دالی دست یابند. بازار این فناوری درتكثیر دامهایی با خصوصیات ویژه مانند شیر زیاد یا گوشت مناسب بسیار گستردهاست. با اینحال كشیده شدن این بحث به همانندسازی انسان نگرانیهائی را دركشورهای مختلف بوجود آمده است. موضوع مرتبط با این امر تولید موجودات یاارگانهای انسانی از سلولهای ریشهای جنین میباشد كه همانند كلونینگ دارایمخالفان و موافقان خاص خود میباشد.
تراشههایزیستی
تراشههای زیستی مانند DNAChips از كاربردهای نوین وبسیار اغواگر بیوتكنولوژی میباشد.
دریكی از این كاربردها دانشمندان توانستهاند با استفاده از رشتههای DNA به تولید تراشههائیدست بزنند كه سرعت پردازش اطلاعات در آنها در مقایسه با حجم كوچك آنهابسیار بیش از تراشههای معمولی میباشد. از كاربردهای دیگر و اصلی تراشههایزیستی دو مورد DNAChips وDNAMicroarray میباشد.
DNAChips: در این تكنولوژی بیوتكنولوژیستها با ساختن قطعات الیگونوكلئوتیدی 20 تا 80 نوكلئوتیدی با توالیهای متفاوت و تثبیت آن بصورتآرایشی از نقاط بسیار ریز (كمتر از 300 میكرون) بر روی بستر مناسب (مانندنیتروسلولز یا برخی فلزات و مواد پلاستیكی) و سپس مجاور كردن نمونههای DNA مجهول با این نقاطتثبیت شده شرایط یك واكنش هیبریدیزاسیون را بوجود میآورند. در صورتیكه بینسكانس مجهول و سكانس معلوم هر یك از الیكونوكلئوتیدها واكنش هیبریداسیونصورت گیرد میتوان پیبه سكانس DNA مجهول برد.
ازاین روش همچنین برای تعیین میزان بیان پروتئین یا فراوانی نیز استفادهمیشود. این روش توسط شركت Affymetryx ابداع شده است.
DNAMicroarray: در این تكنولوژی پروب cDNA (با طول بین 500 تا5000 باز) بر روی بستر جامد مناسب تثبیت بود و سپس این نقاط تثبیت شده درمعرض نمونههای DNA مجهول قرار میگیرد.
این روش در دانشگاه استانفورد ابداع شدهاست.
كاربرد هر دو روش كه تاحد زیادی مشابه همهستند در كشف ژنها، در تشخیص بیماریها، در علم فارماكوژنومیك و در علمتوكیكوژونومیك و.... میباشد.
منـابـع
1ـبولتن بیوتكنولوژی شمارة 1
2ـ روزنامه اطلاعات شماره 21305 مقالهبیوتكنولوژی آیندة ما از احمد عاصمینیا
3ـ بولتن بیوتكنولوژی شمارة 4
4ـ تاریخچه بیوتكنولوژی از سایت www.bio.org
5ـ بیوتكنولوژی كشاورزی از سایت www.biotech.about.com
6ـ بیوتكنولوژی كشاورزی - گیاهان مقاوم بهبیماریهای ویروسی و قارچی از سایتwww.biotech-info.net
7ـ بیوتكنولوژی كشاورزی - گیاهان مقاوم بهعلفكشها از سایت www.biotech-info.net
8ـ كاربردهای بیوتكنولوژی كشاورزی www.biotech-info.net
9ـ بولتن بیوتكنولوژی شمارة 4
10ـ ژن درمانی از سایت biotech.about.com
11ـ بولتن بیوتكنولوژی شمارة 2
12ـ گزارش سال 2000 ارنست اند یانگ ازبیوتكنولوژی 2000 آمریكا و اروپا
www.iranbiotech.com
