بیوتکنولوژی یکی از شاخه‌های پیشرفته و جذاب علم است که در طول تاریخ بشر، تحولات بسیاری را به وجود آورده است. بیوتکنولوژی به معنای فناوری زیستی است که با استفاده از سیستم‌ها و موجودات زنده برای حل مشکلات و بهبود کیفیت زندگی انسان‌ها سعی می‌کند. بیوتکنولوژی در زمینه‌های مختلفی مانند پزشکی، کشاورزی، صنعت و محیط زیست کاربرد دارد. برخی از مثال‌های بیوتکنولوژی عبارتند از: تولید واکسن‌ها، داروها و تراپی‌های ژنتیک، اصلاح ژنتیک گیاهان و حیوانات، تولید انرژی تجدیدپذیر از زباله‌های زیستی، تصفیه آب و هوا و بازیافت مواد.
در این مقاله، قصد داریم به بررسی تاریخچه، کاربردها و چالش‌های بیوتکنولوژی بپردازیم و نشان دهیم که چگونه این علم به حل مشکلات جامعۀ امروز و فردای ما کمک می‌کند.
بیوتکنولوژی چیست؟
بیوتکنولوژی استفاده از زیست شناسی برای حل مشکلات و تولید محصولات مفید است. در حقیقت برجسته‌ترین رویکرد مورد استفاده مهندسی ژنتیک است که دانشمندان را قادر می‌سازد تا DNA یک موجود را به دلخواه خود تنظیم کنند.
تاریخچه بیوتکنولوژی
انسان‌ها حدود 10000 سال است که از اولین جوامع کشاورزی شروع به استفاده از فرآیندهای بیولوژیکی برای بهبود کیفیت زندگی خود کرده‌اند. تقریباً 6000 سال پیش، انسان‌ها شروع به استفاده از فرآیندهای بیولوژیکی میکروارگانیسم‌ها برای تهیه نان، نوشیدنی‌های الکلی و پنیر و حفظ محصولات لبنی کردند. بیوتکنولوژی اصطلاحی است که برای اولین بار به طور گسترده برای فناوری‌های مولکولی و سلولی که در دهه 1960 و 1970 شروع به ظهور کردند، به کار رفت.
در طول 10000 سال گذشته، بیوتکنولوژی با اکتشافات و پیشرفت‌های زیر ظهور کرد:
- دانشمند مجارستانی اصطلاح بیوتکنولوژی را ابداع کرد.
- الکساندر فلمینگ پنی سیلین، اولین آنتی بیوتیک واقعی را کشف کرد.
- اسوالد اوری ثابت کرد DNA حامل اطلاعات ژنتیکی است.
- جیمز واتسون و فرانسیس کریک ساختار مارپیچ دوگانه DNA را کشف کردند.
1960 انسولین برای مبارزه با دیابت سنتز می‌شود و واکسن‌هایی برای سرخک، اوریون و سرخجه ساخته می‌شود.
- اولین سنتز یک آنزیم در شرایط آزمایشگاهی یا خارج از بدن انجام شد.
- هربرت بویر و استنلی کوهن مهندسی ژنتیک را با اولین وارد کردن DNA از یک باکتری به باکتری دیگر توسعه دادند.
1980. اولین داروهای بیوتکنولوژی برای درمان سرطان ساخته شد.
- شکلی از انسولین که توسط بیوتکنولوژی توسعه یافته است، به اولین محصول دستکاری شده ژنتیکی مورد تایید سازمان غذا و داروی ایالات متحده (FDA) تبدیل شد.
- اولین گیاه اصلاح شده ژنتیکی معرفی شد.
- اولین پستاندار شبیه سازی شد.
- اولین پیش نویس پروژه ژنوم انسانی ایجاد شد که به دانشمندان امکان دسترسی به بیش از 30000 ژن انسانی و تسهیل تحقیقات در مورد درمان بیماری‌هایی مانند سرطان و آلزایمر را می‌دهد.
- اولین سلول مصنوعی ایجاد شد.
- اولین چشم بیونیک ساخته شد.
- واکسن MRNA و فناوری آنتی بادی مونوکلونال برای درمان ویروس SARS-CoV-2 استفاده می‌شود.
سرگذشت بیوتکنولوژی
برای بیش از یک دهه، صنعت بیوتکنولوژی تحت سلطه فناوری DNA نوترکیب (عناصری که حاصل بیان DNA ای نوترکیب داخل سلول‌های زنده هستند، عناصر نوترکیب اطلاق می‌شود.) یا مهندسی ژنتیک بود. این تکنیک شامل پیوند دادن ژن یک پروتئین (اغلب یک پروتئین انسانی) به سلول‌های تولیدی مانند سلول‌های مخمر، باکتری یا پستانداران در کشت است که سپس شروع به تولید پروتئین در حجم می‌کنند. در فرآیند اتصال یک ژن به یک سلول تولیدی، یک ارگانیسم جدید ایجاد می‌شود. در ابتدا، سرمایه‌گذاران و محققان بیوتکنولوژی در مورد اینکه آیا دادگاه‌ها به آن‌ها اجازه می‌دهد تا حق ثبت اختراع موجودات را به دست آورند یا خیر، مطمئن نبودند. به‌هر حال، حق ثبت اختراع در مورد موجودات جدیدی که اتفاقاً در طبیعت کشف و شناسایی شده بودند، مجاز نبود. اما، در سال 1980، دادگاه عالی ایالات متحده، در پرونده
Diamond v. Chakrabarty، این موضوع را با این حکم حل کرد که “یک میکروارگانیسم زنده ساخته شده توسط انسان، موضوع قابل ثبت اختراع است.” این تصمیم موجی از شرکت‌های بیوتکنولوژی جدید و اولین رونق سرمایه‌گذاری در صنعت را به وجود آورد. در سال 1982 انسولین، نوترکیب اولین محصولی بود که از طریق مهندسی ژنتیک ساخته شد و از سازمان غذا و داروی ایالات متحده (FDA) تاییدیه گرفت. از آن زمان، ده‌ها داروی پروتئینی دستکاری شده ژنتیکی در سراسر جهان تجاری شده‌اند، از جمله نسخه‌های نوترکیب هورمون رشد، فاکتورهای لخته‌کننده، پروتئین‌هایی برای تحریک تولید گلبول‌های قرمز و سفید خون و عوامل حل‌کننده لخته.
رویکردها و ابزار در بیوتکنولوژی
در سال‌های اولیه، دستاورد اصلی بیوتکنولوژی توانایی تولید مولکول‌های درمانی طبیعی در مقادیر بیشتر از منابع معمولی مانند پلاسما، اندام‌های حیوانی و اجساد انسان بود. پروتئین‌های نوترکیب نیز کمتر به عوامل بیماری‌زا آلوده می‌شوند یا واکنش‌های آلرژیک ایجاد می‌کنند. امروزه محققان بیوتکنولوژی به دنبال کشف علل ریشه ای مولکولی بیماری هستند. گاهی اوقات این به معنای تولید پروتئین‌های درمانی است که منابع خود بدن را افزایش می‌دهد یا کمبودهای ژنتیکی را جبران می‌کند.
صنعت بیوتکنولوژی همچنین تحقیقات خود را برای توسعه داروهای سنتی و آنتی بادی‌های مونوکلونال(پادتنهایی تک‌گونه و همانند یکدیگر) که پیشرفت یک بیماری را متوقف می‌کند، گسترش داده است. تولید موفقیت آمیز آنتی بادی‌های مونوکلونال یکی از مهم‌ترین تکنیک‌های بیوتکنولوژی بود که در ربع آخر قرن بیستم ظهور کرد.
کاربردهای بیوتکنولوژی
بیوتکنولوژی کاربردهای متعددی به ویژه در پزشکی و کشاورزی دارد. به‌عنوان مثال می‌توان به استفاده از بیوتکنولوژی در ادغام اطلاعات بیولوژیکی با فناوری رایانه (بیوانفورماتیک)، کاوش در استفاده از تجهیزات میکروسکوپی که می‌تواند وارد بدن انسان شود (نانوتکنولوژی)، و استفاده از تکنیک‌های تحقیقات سلول‌های بنیادی و شبیه سازی برای جایگزینی سلول‌های مرده یا معیوب و … بافت‌ها (پزشکی ترمیمی) اشاره کرد.
به‌طور کلی کاربردهای بیوتکنولوژی را می‌توان به دو دسته اولیه و مدرن تقسیم بندی نمود.
کاربردهای اولیه بیوتکنولوژی
کاربردهای اولیه بیوتکنولوژی منجر به توسعه محصولاتی مانند نان و واکسن شد. با این حال، این رشته به طور قابل توجهی در طول قرن گذشته به روش‌هایی که ساختارهای ژنتیکی و فرآیندهای زیست مولکولی موجودات زنده را دستکاری می‌کند، تکامل یافته است.
عمل تکامل یافته بیوتکنولوژی از رشته‌های مختلف علم و فناوری، از جمله موارد زیر نشأت می‌گیرد:
- زیست شناسی مولکولی
- علم شیمی
- بیونیک
- مهندسی ژنتیک
- ژنومیکس(علم بررسی توالی و کمیت ژنی)
- فناوری نانو
- انفورماتیک
این رویکرد منجر به نوآوری‌ها و پیشرفت‌هایی در زمینه‌های زیر شده است:
- داروها و درمان‌هایی که از بیماری‌ها پیشگیری و درمان می‌کنند.
- تشخیص‌های پزشکی مانند آزمایشهای بارداری؛
- سوخت‌های زیستی که پایدار هستند، ضایعات و آلودگی را کاهش می‌دهند.
- ارگانیسم‌های اصلاح شده ژنتیکی که منجر به کشاورزی کارآمدتر و مقرون به صرفه تر می‌شود.
کاربردهای مدرن بیوتکنولوژی
کاربردهای مدرن بیوتکنولوژی اغلب از طریق مهندسی ژنتیک، که به‌عنوان فناوری DNA نوترکیب نیز شناخته می‌شود، کار می‌کند. مهندسی ژنتیک با تغییر یا تعامل با ساختارهای سلولی ژنتیکی کار می‌کند. هر سلول در یک حیوان یا گیاه حاوی ژن‌هایی است که پروتئین تولید می‌کنند. این پروتئین‌ها هستند که ویژگی‌های ارگانیسم را تعیین می‌کنند.
با اصلاح یا تعامل با ژن‌ها، دانشمندان می‌توانند ویژگی‌های یک موجود زنده را تقویت کنند یا یک ارگانیسم کاملاً جدید ایجاد کنند. این موجودات اصلاح شده و جدید ممکن است برای انسان مفید باشند، مانند محصولات زراعی با عملکرد بالاتر یا افزایش مقاومت در برابر خشکسالی.
برجسته‌ترین حوزه بیوتکنولوژی
برجسته‌ترین حوزه بیوتکنولوژی تولید پروتئین‌های درمانی و سایر داروها از طریق مهندسی ژنتیک است. بیوتکنولوژی علاوه بر استفاده در مراقبت‌های بهداشتی، که از طریق کشف و تولید آنزیم‌های بیولوژیکی که جرقه‌های واکنش‌های شیمیایی (کاتالیزورها) را ایجاد می‌کنند، در پالایش فرآیندهای صنعتی نیز مفید بوده است.
انواع بیوتکنولوژی
علم بیوتکنولوژی به زیرشاخه هایی تقسیم می‌شود که بر اساس کاربردهای رایج، کد رنگی دارند.
بیوتکنولوژی قرمز:
شامل فرآیندهای پزشکی است، مانند استفاده از ارگانیسم‌ها برای تولید داروهای جدید و سلول‌های بنیادی برای بازسازی بافت‌های آسیب‌دیده انسانی و رشد مجدد کل اندام‌ها.
سفید یا خاکستری:
به فرآیندهای صنعتی، مانند توسعه مواد شیمیایی جدید یا سوخت‌های زیستی جدید برای وسایل نقلیه اشاره دارد.
بیوتکنولوژی سبز:
فرآیندهای کشاورزی مانند تولید محصولات مقاوم در برابر آفات، حیوانات مقاوم به بیماری و شیوه‌های کشاورزی سازگار با محیط زیست را پوشش می‌دهد.
بیوتکنولوژی طلایی
رنگ طلایی به‌عنوان بیوانفورماتیک شناخته می‌شود و تلاقی بین فرآیندهای بیولوژیکی و انفورماتیک است. این رنگ به روش‌هایی اشاره دارد که کارکنان مراقبت‌های بهداشتی برای جمع آوری، ذخیره و تجزیه و تحلیل داده‌های بیولوژیکی برای درمان بیماران استفاده می‌کنند.
بیوتکنولوژی آبی:
شامل فرآیندهایی در محیط‌های دریایی و آبی است، مانند تبدیل زیست توده آبزیان به سوخت و مواد دارویی.
بیوتکنولوژی زرد:
به فرآیندهایی اطلاق می‌شود که به تولید غذا کمک می‌کند، محبوب ترین کاربرد آن تخمیر الکل و پنیر است.
مزایای بیوتکنولوژی چیست؟
تولید بیوتکنولوژی مزایا و راه حل‌های مختلفی را برای مشکلات حیاتی ارائه می‌دهد.
5 نمونه ازاصلی‌ترین آن‌ها به شرح زیر است:
1- کاهش آلودگی و زباله برای معکوس کردن تغییرات فاجعه بار آب و هوا و آسیب‌های زیست محیطی.
2- ایجاد محصولات غذایی سالم تر، قوی تر و پایدارتر که تغذیه را تقویت کرده و با کاهش کیفیت غذایی مبارزه می‌کند.
3- درمان بیماری‌های کودکان قبل از تولد با تغییر ژنوم (محتوای ژنتیکی یاخته آن فرد) آن‌ها.
4- طراحی دارو برای تقویت سلامت و طول عمر افراد، حیوانات و گیاهان.
5- کاهش هزینه‌های منابع مزرعه مانند سموم دفع آفات و در عین حال افزایش بازده و سود محصول.
معایب بیوتکنولوژی چیست؟
بیوتکنولوژی همچنین دارای معایب و سوء استفاده است. معایب اصلی شامل 5 مورد زیر است.
5 عیب اصلی بیوتکنولوژیک
1- جنگ بیولوژیکی:
این جنگ پتانسیل برای توسعه پاتوژن‌ها و اپیدمی‌هایی وجود دارد که می‌توانند در یک منطقه درگیری برای آلوده کردن جمعیت مورد استفاده قرار گیرند.
2- کاهش تنوع زیستی:
تعداد کمی از محصولات دستکاری شده ژنتیکی می‌تواند مخزن ژنی طبیعی گونه‌ها را کاهش دهد و آن‌ها را نسبت به تغییرات ناگهانی محیط کمتر انعطاف پذیر و سازگار کند.
3- از دست دادن حاصلخیزی خاک:
گیاهان تقویت‌شده زیستی به مواد مغذی بیشتری از خاک نیاز دارند و محصول بیشتری تولید می‌کنند. این می‌تواند خاک را از مواد مغذی حاصلخیز تخلیه کند، زمین‌های کشاورزی را ویران کند و برای جبران کمبود مواد مغذی نیاز به استفاده از کودهای مضر برای محیط زیست داشته باشد.
4- هزینه های بالا:
محصولات بیوتکنولوژی اغلب بیشتر از محصولات سنتی قیمت دارند و پتانسیل افزایش ساختار قیمت گذاری در صنایع مختلف را دارند.
5- ملاحظات اخلاقی:
دستکاری ژن طیفی از مسائل اخلاقی مانند مهندسی ژنتیک انسان را مطرح می‌کند.
نگرانی‌ها در مورد مضرات بیوتکنولوژی منجر به تلاش‌هایی برای تصویب قوانینی شده است که برخی فرآیندها یا برنامه‌ها را محدود یا ممنوع می‌کند، مانند شبیه‌سازی انسان، GMOs و تحقیقات سلول‌های بنیادی جنینی.
دانشگاه‌هایی رشته بیوتکنولوژی را ارائه می‌دهند؟
- دانشگاه الزهرا (س)
- دانشگاه تخصصی فنّاوری‌های نوین آمل
- دانشگاه شاهد
- دانشگاه شهید بهشتی
- دانشگاه مراغه
- دانشگاه کاشان
- دانشگاه تهران
- دانشگاه کردستان
همچنین این رشته را دانشگاه‌ها و موسسات غیرانتفاعی نیز ارائه می‌دهند.
سخن آخر
بیوتکنولوژی برای پیشرفت‌های زیست محیطی در کشاورزی حیاتی است. وجود بیوتکنولوژی برای ادامه زندگی امری ضروری و واجب است که بدون آن‌ها زندگی بسیار سخت می‌شود. پس با استفاده به جا و مناسب از بیوتکنولوژی می‌توان به پیشرفت‌های بسیاری دست پیدا کرد.
سوالات متداول
بیوتکنولوژی چیست؟
بیوتکنولوژی استفاده از زیست شناسی برای حل مشکلات و تولید محصولات مفید است.
تاریخچه بیوتکنولوژی؟
انسان‌ها حدود 10000 سال است که از اولین جوامع کشاورزی شروع به استفاده از فرآیندهای بیولوژیکی برای بهبود کیفیت زندگی خود کرده‌اند.
انواع بیوتکنولوژی؟
علم بیوتکنولوژی به زیرشاخه هایی تقسیم می‌شود که بر اساس کاربردهای رایج، کد رنگی دارند.
یکی از مزایای بیوتکنولوژی چیست؟
_ کاهش آلودگی و زباله برای معکوس کردن تغییرات فاجعه بار آب و هوا و آسیب‌های زیست محیطی؛
یکی از معایب تکنولوژی چیست؟
_جنگ بیولوژیکی:
این جنگ پتانسیل برای توسعه پاتوژن‌ها و اپیدمی‌هایی وجود دارد که می‌توانند در یک منطقه درگیری برای آلوده کردن جمعیت مورد استفاده قرار گیرند.
