بیوتکنولوژی و کاربردهاي آن

[پیمان هادی فرکوش]

بیوتکنولوژی و مهندسی ژنتیک دانش جدیدی است که نخستین دستاوردهای آن در هاله ای از بیم و امید ارزیابی می شود. در طول تاریخ بسیاری از پدیده های علمی در مرحله آغازین با تردید و مقاومت شدید روبه رو بوده اند. صدها نمونه از وقایع تلخ و شیرینی که بر این اساس رقم خورده، قابل شمارش است، اما کمتر دانشی به اندازه مهندسی ژنتیک با ساختار اصلی و قانونمند سامانه هستی درگیر شده است. دهه اخیر شاهد تحولاتی اعجاب آور و تحسین برانگیز در زمینه تولید فرآورده های حاصل از مهندسی ژنتیک و تکنولوژی زیستی بوده است. چنان که پیش بینی می شد، در آغاز هزاره سوم میلادی نیز بر سرعت تحولات در این زمینه افزوده شده است.
مقدمه
کلمه بیوتکنولوژی اولین بار در مجمع سازمان ملل متحد ، در شهر لیدز انگلستان و در سال 1920 به کار برده شد . بیوتکنولوژی یکی از مدرن ترین شاخه های زیست شناسی است که مجموعه ای از علوم بیوشیمی ، میکروبیولوژی سلولی ، بیولوژی ، مهندسی ژنتیک و ... را شامل می شود. در دهه ششم از قرن بیستم اصلاح گران نباتات توانستند عملکرد بالایی از واریته های جدید به دست آورده و بدین ترتیب انقلاب سبز را به وجود آوردند . اما همزمان با افزایش جمعیت ، این افزایش نتوانست کمبود مواد غذایی را جبران کند لذا دانشمندان به تحقیق در این زمینه پرداختند. پیشرفت های جدید زمینه های جدید را بوجود آورده که با کمک آن می توان از میکروارگانیزم ها برای تولید محصولات تجاری متفاوت شامل مواد غذایی و دارو بهره گرفت. به همین کیفیت تکنیک هایی برای تشخیص بیماری ها ، تولیدات شیمیایی بیولوژی و سوخت برای آینده مورد استفاده قرار گرفته است.
برای مشاهده ادامه متن بر روی ادامه مطلب کلیک کنید.

مهندسی ژنتیک یکی از ابزارهای کارآمد بیوتکنولوژی می باشد که هدف از آن، شناخت ساختمان و کارآیی ژن ، تولید پروتئین و مواد اولیه مفید دیگر به وسیله روش های متداول و نوظهور و تولید گیاهان و حیوانات تراریخته با ویژگی های مطلوب می باشد.البته باید توجه داشت که مهندسی ژنتیک با ژنتیک تفاوت داشته ، بدین ترتیب که ژنتیک بیشتر یک علم است و به بررسی نحوه انتقال صفات از والدین به فرزندان می‌پردازد و از ابتدای قرن ۲۰ پس از کشف مجدد قوانین مندل به صورت یک علم نوین ظهور کرد ، اما مهندسی ژنتیک یک فناوری یا یک تکنیک است که با استفاده از علوم مختلف طی دست‌ورزی یا دستکاری ژنتیکی موجودات زنده در سطح مولکول DNA تغییراتی در موجودات ایجاد می‌شود. مهندسی ژنتیک بخشی از بیوتکنولوژی مدرن امروزی است که از دهه ۸۰ میلادی به طور جدی مطرح شده است.
پیدایش و تعریف بیوتکنولوژی
منشا بیوتکنولو ژی به دوران ما قبل تاریخ بر می گردد، زمانی که از میکروارگانیزم ها برای فرایندهایی همچون تخمیر ، تولید ماست و پنیر از شیر، تولید سرکه از ملاس ، تولید بوتانول و استون از نشاسته توسط clostridium acetobutilycum و یا تولید آنتی بیوتیک هایی نظیر پنیسیلین از penicillium notatum استفاده کرده اند. معذالک با کشف آنزیم های برشی در دهه 1970 بیوتکنولو ژی پیشرفت قابل ملاحظه ای کرد و به ابداع فنون متنوعی در فرآوری ژن انجامید ، به طوری که به عنوان مهمترین انقلاب علمی این قرن در نظر گرفته می شود. گرچه بیوتکنولوژی در سال 1970 فراگیر شد اما نتایج اولیه آزمایشگاهی آن فقط بعد از سال 1980 نمایان شد.
در واقع بیوتکنولو ژی محصول تعامل بین علم بیولو ژی و تکنولو ژی است. به منظور تعریف بیوتکنولو ژی پیشنهاداتی ارایه شده است و محققین مختلف تفاسیر متفاوتی از این فنآوری ارایه داده اند. لذا تعاریف زیر به نظر می رسد که مناسب ترین تعاریف باشند:
1- کاربرد علم و مهندسی در استفاده مستقیم یا غیر مستقیم از موجودات زنده و یا اجزا و تولیدات آنها در حالت طبیعی یا تغییر یافته آن موجودات
2- استفاده تلفیقی از علوم بیوشیمی میکروبیولوژی و مهندسی به منظور نایل شدن به استفاده صنعتی از قابلیت های میکروارگانیزم ها، سلول های بافت کشت شده و اجزای متعلق به آنها (فدراسیون بیوتکنولوژی اروپا )
3- استفاده کنترل شده از عوامل بیولوژیکی از قبیل میکروارگانیزم ها یا اجزای سلولی برای استفاده مفید (فرهنگستان علوم ایالات متحده )
4- تولید فرآورده ها از طریق فرآیند زیستی که مستلزم فنون مهندسی است (فرهنگستان علوم ایران )
یکی از مشکلات اصلاح نباتات کلاسیک و مرسوم این است که دامنه موجوداتی که امکان مبادله ژن در بین آنها وجود دارد ، به دلیل موانع گونه ای شدیدا محدود است. فنآوری جدید راهکار بهتری را برای کنترل و دست ورزی اهداف فراهم کرده اند و حصار های خاص گونه ای مانعی بر سر راه آنها محسوب نمی شود. این فنون جایگزین اصلاح نباتات مرسوم نیستند بلکه با ایجاد روش های نوین دسترسی به اهدافی که با روش های مرسوم امکان پذیر نیست را ممکن می سازند.
فواید بیوتکنولوژی
بیوتکنولوژی جبهه علمی هیجان انگیزی را در کشاورزی گشوده است. تکنیک های جدید حاصل از بیوتکنولوژی در مقایسه ، سریع ، بسیار ویژه و در مصرف منابع کارآمد هستند.اکنون دیگر قدرت بیوتکنولوژی قدرتی تخیلی نیست. در چند سال اخیر توانسته ایم آنچه را که تنها در فکر می گذشت به فعل در آوریم .
به طور نمونه دانشمندان یاد گرفته اند که چگونه با تغییر ژنتیکی بعضی گیاهان مقاومت آنها را در برابر برخی علفکش ها افزایش دهند یا با استفاده از بیوتکنولوژی توانسته اند واکسن های مطمئن و کارآ تری را علیه بیماری های ویروسی و باکتریایی نظیر هاری کاذب، اسهال و تب برفکی بسازند. بیوتکنولوژی امروزه توانسته است بر روی ژن موجودات زنده کار کند و در جهت هدف های پیش بینی شده تغییراتی را ایجاد کند که از این منظر عبارت از دخالت مستقیم در محتوای اطلاعات وراثتی سلول های زنده و توفیق در تولید گونه های جدید و بهتر است.
روش های جدید بیوتکنولوژی در علم کشاورزی شامل کشت سلولی، کشت بافت و پروتوپلاست گیاهی ، هیبرید سلول های سوماتی، دستکاری و انتقال جنین و DNA نوترکیب در شناسایی تبیین ماهیت انتقال و کنترل ژن است. دانشمندان بسیاری از این روش ها را برای بهینه سازی گیاهان و جانوران به کار برده اند. برای نمونه بیش از 40 نوع گیاه از الحاق پروتوپلاست تولید شده است که سیب زمینی و گوجه فرنگی از جمله این نمونه ها به شمار می رود. کشت‌ بافت‌ به‌ عنوان‌ یکی‌ از بنیادی ‌ترین‌ روش‌های‌ فن‌آوری ‌بیوتکنولوژی‌ امروزه‌ به‌ صورت‌ گسترده‌ مورد استفاده‌ دانشمندان‌ قرارگرفته‌ است‌.
طی‌ این‌ روش‌ها می‌توان‌ از یک‌ سانتی‌ متر مکعب‌ از بافت‌ یااندام‌ گیاه‌، چندین‌ میلیون‌ سلول‌ همانند تولید کرد که‌ بطور بالقوه‌ای ‌می‌توان‌ از آنها میلیون‌ها بوته‌ با خواص‌ یکسان‌ بدست‌ آورد. طی‌ این‌ شیوه ، ‌امکان‌ مطالعه‌ بهتر گیاه‌ در کم ‌ترین‌ زمان‌ و با بیش‌ترین‌ ضریب‌ اطمینان ‌ممکن‌ می‌باشد. برای‌ نمونه‌ در یک‌ آزمایشگاه‌ تحقیقاتی‌ به‌ نام‌ ماکس‌پلانک‌ (MAX Planck) در آلمان‌، ضمن‌ آزمایشی‌ معلوم‌ شد که‌ ازمیان‌ 42 هزار بافت‌ سیب ‌زمینی‌ مورد آزمایش‌ فقط 73 بافت‌ یعنی‌ (4درصد بافت‌ها) در برابر قارچ‌ سیب‌ زمینی‌ مقاوم‌ بودند.
بافت‌ مقاوم‌ تکثیرگردیده‌ و گیاهان‌ مقاوم‌ به‌ قارچ‌، سپس‌ به‌ مزرعه‌ منتقل‌ گردیدند. (این‌شیوه‌ دست‌یابی‌ به‌ گونه‌های‌ مقاوم‌ فقط در مدت‌ 8 ماه‌ عملی‌ گردید، درصورتی که‌ در سال‌های‌ 1975 تا 1980 این‌ کار از طریق‌ روش‌های‌ اصلاح‌نباتات‌ حداقل‌ 10 تا 15 سال‌ زمان‌ می‌طلبد. این‌ کار در گیاهان‌ دیگر ازجمله‌ نخل‌ روغنی‌ حداقل‌ 30 سال‌ زمان‌ نیاز دارد. در حال‌ حاضر درکشورهای‌ صنعتی ‌، این‌ شیوه‌ بسیار رواج‌ یافته‌ و تحولات‌ شگرفی‌ در تولیدگونه‌های‌ گیاهان‌ زراعی‌ با خصوصیات‌ جدید بوجود آمده‌ است‌.
بیوتکنولوژی‌، روش‌های‌ جدید بهینه ‌سازی‌ گیاهان‌ به‌ طور مقرون‌ به‌صرفه‌ و از طرق‌ مختلف‌ را ممکن‌ ساخته‌ است ، که‌ برای‌ نمونه‌ می‌توان‌ به‌افزایش‌ مقاومت‌ در مقابل‌ خطرات‌ و بیماری‌ها، راه‌های‌ جدید مبارزه‌ باعلف‌های‌ هرز، مقاومت‌ بیشتر در مقابل‌ فشارهای‌ جوی‌ و محیطی‌ ازجمله‌ خشکسالی‌، سرما و نمک‌ و مواد شیمیایی‌ (مثل‌ آلومینیم‌)، استفاده ‌بهتر از مواد مغذی‌ مثل‌ نیتروژن‌، بهبود کیفی‌ فرآورده‌ها از طریق‌ ایجادتغییراتی‌ در ویژگی‌های‌ موادی‌ مثل‌ اسیدهای‌ چرب‌، اسیدهای‌ آمینه‌،طعم‌، مزه‌ و قابلیت‌ حفظ کیفیت‌ به‌ هنگام‌ ذخیره‌سازی‌ و بهبود درچگونگی‌ متابولیسم‌ گیاهی‌ (مثل‌ استفاده‌ از نیتروژن‌ فتوسنتز)، تولید گل ‌و دانه‌ و تقسیم‌ مواد غذایی‌ بین‌ ساقه‌ و دانه‌ اشاره‌ نمود.
فواید مهندسی ژنتیک :
در طول تاریخ کشاورزی ، بشر از فرایند طبیعی مبادله ژنی در قالب اصلاح نباتات و به وجود آمدن تنوع خصایص بیولوژیکی استفاده نموده است. واقعیت فوق پشتوانه کلیه تلاش ها برای اصلاح گونه های کشاورزی ، خواه از طریق اصلاح نباتات و دام به صورت سنتی و یا از طریق تکنیک های بیولوژیکی ملکولی بوده است.در این دو مورد بشر، برای تولید انواع گیاهان و جانورانی که دارای صفات و خصایص مطلوب باشند ، مانند گیاهان مقاوم به بیماری ها و دام های خوراکی که در آنها نسبت ماهیچه به چربی زیادتر است ، تلاش کرده است.
دلیل اصلی و اولیه ایجاد مهندسی ژنتیک ناشی از رسیدن به اهداف سودمندی در علوم کاربردی ، بهداشتی و پزشکی به شرح ذیل بوده است:
1- شناخت ساختمان و کارآیی ژن
2- تولید پروتیین های مفید و مواد اولیه دیگر بوسیله روش های نوظهور متداول
3- تولید گیاهان و حیوانات تراریخته با ویژگی های مطلوب
تفاوت عمده میان اصلاح نبات و دام به صورت سنتی و روشهای "بیولوژیکی- ملکولی " انتقال ژن ها، نه در هدف هاست و نه در فرآیندها، بلکه در سرعت ، دقت ، قابلیت اطمینان و دامنه کار قرار دارد.
هرگاه متخصصان سنتی اصلاح دام و نباتات دو گیاه یا دام دارای قابلیت جنسی را با یکدیگر آمیزش می دهند، ده ها ژن با یکدیگر درهم می آمیزند ، هریک از والدین نیمی از ژنوم (یا مجموعه ژنهای) خود را در قالب ادغام سلولی تخم و اسپرم به نسل خود منتقل می کند، لیکن ترکیب آن نیمه در هر یک از سلولهای جنسی والدینی و به تبع آن در هر آمیزش تفاوت می کند. قبل از وقوع ترکیب "مطلوب" ژن ها و ایجاد صفات مورد نظر در نسل بعد باید آمیزش های زیادی صورت پذیرد.
با استفاده از روش های بیولوژیکی ملکولی و مطالعه تاثیر تک تک ژن ها می توان برخی از این مسایل را حل نمود. دانشمندان به جای اتکا به ترکیب های متوالی تعداد متنابهی ژن برای کسب نتایج دلخواه می توانند هر ژن را به طور مجزا برای بررسی صفتی معین مستقیما در ژنوم سلول تخم قرار دهند. آنها نحوه تظاهر این ژن ها در رقم جدید گیاه یا دام را هم کنترل می کنند. خلاصه آنکه با تمرکز روی صفت مطلوب می توان از طریق انتقال ملکولی ژن مورد نظر، مدت زمان لازم برای ایجاد ارقام جدید را کوتاه نمود و سطح دقت مطالعه را بالا برد. همچنین می توان با استفاده از این روش ، ژن ها را میان گیاهان و یا جانورانی که از لحاظ جنسی قابل آمیزش نیستند مبادله نمود.
تکنیک های انتقال ژن ، کلید بسیاری از کار بست های بیوتکنولوژی هستند.اساس مهندسی ژنتیک عبارت است از توان شناسایی ژن مورد نظر یعنی ژنی که حاوی ویژگی مطلوب در موجودات است، مجزا کردن آن ژن ، مطالعه کارکرد و اصول فعالیت آن تغییر ژن و کار گذاشتن مجدد آن در میزبان طبیعی خود و یا گیاه و جانوری دیگر.این تکنیک ها ابزار هستند نه هدف . با استفاده از آنها می توان طبیعت و وظیفه و کارکرد ژن ها را شناسایی نمود ، اسرار مقاومت به بیماری ها را گشود ، رشد و نمو را تنظیم نمود و یا در نحوه ارتباط میان سلول ها و موجودات دخل و تصرف نمود.
مهندسی ژنتیک امکان ایجاد واریته ها و گیاهانی را فراهم می کند که دارای صفاتی هستند که دسترسی به آنها از روش های معمول غیرممکن است. برای مثال با دست ورزی ژنتیک برنج طارم مولایی ، نه تنها به کرم ساقه خوار برنج بلکه به کلیه آفات پروانه ای و برخی بیماری های قارچی مانند شیت بلایت مقاوم شده است.
صفت مقاومت مطلق به کرم ساقه خوار و بیماری شیت بلایت در هیچ یک از ۱۲۰۰۰۰ نمونه برنج نگهداری شده در مؤسسه بین المللی تحقیقات برنج مشاهده نشده است. با توجه به عدم دسترسی به ارقام مقاوم نمی توان از روش های سنتی اصلاح نباتات برای ایجاد چنین صفات مهمی استفاده کرد. منافع اقتصادی و زیست محیطی این قبیل واریته های زراعی بی نیاز از توضیح است. کاهش مصرف سموم، کاهش هزینه های تولید، افزایش عملکرد، محیط زیست سالم تر برای انسان، دام و آبزیان و به ویژه انطباق کامل این فناوری با روش های مبارزه تلفیقی از معدود مزایای کاربرد گیاهان تراریخته مقاوم به آفات و بیماری است.
در این رابطه به تازگی خبرهای مسرت بخشی مبنی بر رهاسازی و تولید انبوه اولین برنج تراریخته در ایران منتشر شده که این موفقیت میتواند کمک شایانی به افزایش تولید این محصول استراتژیک در کشورکند. این برنج تراریخته، با دست ورزی ژنتیکی رقم طارم مولایی در پژوهشکده بیوتکنولوژی کشاورزی تولید شده و نزدیک به 10 سال از اولین آزمایشهای بررسی آن میگذرد. در این برنج با ابراز ژن مسئول تولید پروتئینی کریستالی موسوم به Cry1Ab)) در برگ گیاه، به محض تغذیه لارو حشره آفت از قسمت سبز گیاه، طی یک واکنش که فقط در محیط قلیایی دستگاه گوارش این حشره صورت می گیرد، آفت نابود می شود و هیچ اثر منفی دیگری بر سایر حشرات مفید موجود در مزرعه وجود نخواهد داشت. علاوه بر این مبارزه اختصاصی با آفت، عدم ابراز ژن مذکور در دانه برنج نیز در این برنج تراریخته رعایت شده است، گرچه این پروتئین برای انسان مضر نیست و محاسبات انجام شده نشان داده که میزان پروتئین Cry1Ab)) موجود در چندین هزار کیلو ذرت Bt نه تنها هیچ اثر منفی بر موش نداشته، بلکه به عنوان یک پروتئین غذایی برای مصرف انسان (حتی کودکان و نوزادان) مورد تائید قرار گرفته است. این برنج ، بدون مصرف هرگونه سم در برابر تمامی آفات پروانه‌ای این گیاه از جمله انواع برگ‌خوارها‌ و همچنین کرم ساقه‌خوار که از جمله مهمترین آفات برنج در کشور ما بوده و بیشترین میزان سموم مصرفی را به خود اختصاص داده‌اند، مقاوم است.
در یک جمع بندی این گونه نتیجه گیری شده است که بهره گیری از روش های مهندسی ژنتیک منجر به تولید محصولات مقاوم در برابر آفات باارزش غذایی بالاتر می شود، انعطاف بیشتری در عملیات زراعی به وجود می آورد و به دلیل کاهش مصرف سموم دفع آفات نباتی برای محیط زیست جهان مفید خواهد بود.