بیوتکنولوژی چیست؟
بیوتکنولوژی یا فناوری زیستی علم و فناوری است که با استفاده از سامانه‌های زنده یا قسمت‌های آن، محصولات یا خدمات جدید و بهبود یافته تولید می‌کند. برخی از کاربردهای بیوتکنولوژی عبارتند از: درمان بیماری‌ها، تولید مواد غذایی، حفاظت از محیط زیست، تولید انرژی و بهبود کشاورزی.
تاریخچه بیوتکنولوژی
بسیاری از فعالیت‌های بشر در طول تاریخ با استفاده از سامانه‌های زنده گسترش یافته‌اند. به عنوان مثال، تخمیر، پرورش دام، کشت گل و گلخانه‌ای، همگام سازي دستگاه های جسمي و نگهداري سلول ها و بافت ها. این فعالیت‌ها را می‌توان به عنوان نمونه‌های ساده و قدیمی از بیوتکنولوژی در نظر گرفت.
اما برای پیدایش بیوتکنولوژی به عنوان یک علم و فناوری جدید، لازم است به قرن نوزدهم بازگردیم.
در سال ۱۸۵۷، لوئي پاستور نشان داد که تخمیر ناشي از حضور باکتري هست.
در سال ۱۸۶۵، گرگور مندل قانون‌های وراثت را با استفاده از نخود فرنگي کشف کرد.
در سال ۱۹۱۹، کارل اِرِكِ (Ereky)، يك مهندس كشاورزي و كارآفرين مجارستاني، از واژه بیوتکنولوژی برای اولین بار در کتاب خود به نام «بیوتکنولوژی در زندگی و تولید» استفاده کرد.
در سال ۱۹۵۳، جیمز واتسون و فرانسیس کریک ساختار دو رشته‌ای DNA را شناسایی کردند.
در سال ۱۹۷۳، استنلی کوهن و هربرت بویر اولین DNA ترکیبی را با قطع و چسباندن DNA از دو منبع مختلف ساختند.
در سال ۱۹۹۷، دالی، اولین حیوان کلون شده از یک بافت بالغ، به دنیا آمد.
در سال ۲۰۰۳، پروژه ژنوم انسان به پایان رسید و تمام ژن‌های انسان را شناسایی کرد.
شاخه‌های بیوتکنولوژی
بیوتکنولوژی را می‌توان به چهار شاخه اصلی تقسیم کرد:
– بیوتکنولوژی قرمز:
- این شاخه به بیوتکنولوژی پزشکی مربوط است. این شاخه شامل تولید داروها، واکسن‌ها، تشخیص بیماری‌ها، درمان ژنتیکی، ترمیم بافت و انجماد خون مصنوعی می‌شود.
– بیوتکنولوژی سبز:
- این شاخه به بیوتکنولوژی کشاورزی مربوط است. این شاخه شامل بهبود گیاهان، حشرات و حیوانات، تولید محصولات غذایی تغذيه اي، کشت بافت گياهي، کشت سلول حيواني و تحقيقات در زمينه هورمون ها و آنزيم ها مي شود.
– بیوتکنولوژی سفید:
- این شاخه به بیوتکنولوژی صنعتی مربوط است. این شاخه شامل تولید محصولات شيميائي، پلاستيك ها، الياف، پارچه ها، كاغذ، نفت، گاز و اثرات زيست محيطي آن ها مي شود.
– بیوتکنولوژی آبی:
- این شاخه به بیوتکنولوژی دريائي مربوط است. این شاخه شامل تحقيقات در زمينه منابع زيستي دريائي، تكثير و پرورش محصولات آبزي، تغذيه و كود آبزيان، كشف دارو ها و محصولات جديد از دريا و حفاظت از تنوع زيستي دريائي مي شود.
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.
بیوتکنولوژی کاربردهای دقیق تری را در زمینه‌های مختلف دارد. برخی از این کاربردها عبارتند از:
در زمینه پزشکی
- بیوتکنولوژی می‌تواند به تولید داروها و واکسن‌های جدید، تشخیص و درمان بیماری‌ها، ترمیم بافت و انجماد خون مصنوعی، ژن درمانی، همانند سازی و سلول درمانی کمک کند.
در زمینه کشاورزی
- بیوتکنولوژی می‌تواند به بهبود گیاهان، حشرات و حيوانات، تولید محصولات غذایي تغذيه اي، کشت بافت گياهي و کشت سلول حيواني، افزایش مقاومت گیاهان در برابر خشکسالی، سرما، شوری و آفات کمک کند.
در زمینه صنعت،
- بیوتکنولوژی می‌تواند به تولید محصولات شيميائي، پلاستيك ها، الياف، پارچه ها، كاغذ، نفت و گاز با استفاده از میکروارگانیسم‌ها و آنزیم‌های زیستی کمک کند .
در زمینه محیط زیست،
- بیوتکنولوژی می‌تواند به حل برخی از مشکلات زيست محيطي کمک کند. برای مثال، با تولید انرژي تجديدپذير، حفاظت از تنوع زيستي، تصفيه پساب و بازيافت زباله، كاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و كربن .
در زمینه دريائي
- بیوتکنولوژی می‌تواند به تحقيقات در زمينه منابع زيستي دريائي، تكثير و پرورش محصولات آبزي، تغذيه و كود آبزيان، كشف دارو ها و محصولات جديد از دريا و حفاظت از تنوع زيستي دريائي کمک کند .
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.
برخی از پروژه های بیوتکنولوژی در جهان عبارتند از:
– پروژه ژنوم انسان:
- این پروژه با هدف توالی یابی کامل DNA انسان و شناسایی تمام ژن های موجود در آن در سال 1990 آغاز شد و در سال 2003 به پایان رسید. این پروژه به درک بهتر از ساختار و عملکرد ژن ها، تشخیص و درمان بیماری های ژنتیکی، توسعه داروها و واکسن های جدید و پزشکی دقیق کمک کرده است.
– پروژه BRAIN:
این پروژه با هدف نقشه برداری از فعالیت مغز انسان و دامنه های حافظه، گفتار، تصمیم گیری و هوش در سال 2013 آغاز شد. این پروژه با استفاده از فناوری های نوروشناسی و نوروپزشکی نوین، قصد دارد رازهای مغز را فاش کرده و راه حل های جدید برای درمان بیماری های عصبی مانند آلزایمر، پارکینسون، صرع و اختلالات روانپزشکی ارائه دهد.
– پروژه CRISPR:
این پروژه با هدف استفاده از یک سامانه ویرایش ژن ساده، دقیق و قابل تنظیم در سال 2012 آغاز شد. CRISPR یک فناوری است که به تغییر DNA موجودات زنده با قطع و چسباندن قطعات خاص از DNA امکان پذیر می کند. این فناوری می تواند در بهبود خصوصیات گیاهان و حیوانات، تولید محصولات زراعی و دامپروری جدید، درمان برخی بیماری های ژنتیکی و عفونت های مقاوم به دارو، تولید سلول های بنیادین و بافت های مصنوعی و حذف DNA خطرناک استفاده شود.
مزایای بیوتکنولوژی چیست؟
بیوتکنولوژی به عنوان یک علم و فناوری جدید، مزایا و معایبی دارد که می‌توان به برخی از آن‌ها اشاره کرد:
- بیوتکنولوژی می‌تواند به بهبود کیفیت زندگی بشر کمک کند. برای مثال، با تولید داروها، واکسن‌ها، تشخیص و درمان بیماری‌ها، ترمیم بافت و انجماد خون مصنوعی¹.
- بیوتکنولوژی می‌تواند به حل برخی از مشکلات زیست محیطی کمک کند. برای مثال، با تولید انرژی تجدیدپذیر، حفاظت از تنوع زیستی، تصفیه پساب و بازیافت زباله².
- بیوتکنولوژی می‌تواند به افزایش تولید و بهره‌وری در کشاورزی کمک کند. برای مثال، با بهبود گیاهان، حشرات و حيوانات، تولید محصولات غذایي تغذيه اي، کشت بافت گياهي و کشت سلول حيواني³.
- بیوتکنولوژی می‌تواند به افزایش رقابت پذیری و نوآوری در صنعت کمک کند. برای مثال، با تولید محصولات شيميائي، پلاستيك ها، الياف، پارچه ها، كاغذ، نفت و گاز.
- کاهش آلودگی و زباله برای معکوس کردن تغییرات فاجعه بار آب و هوا و آسیب‌های زیست محیطی.
- ایجاد محصولات غذایی سالم تر، قوی تر و پایدارتر که تغذیه را تقویت کرده و با کاهش کیفیت غذایی مبارزه می‌کند.
- درمان بیماری‌های کودکان قبل از تولد با تغییر ژنوم (محتوای ژنتیکی یاخته آن فرد) آن‌ها.
- طراحی دارو برای تقویت سلامت و طول عمر افراد، حیوانات و گیاهان.
- کاهش هزینه‌های منابع مزرعه مانند سموم دفع آفات و در عین حال افزایش بازده و سود محصول.
معایب بیوتکنولوژی چیست؟
- بیوتکنولوژی ممکن است منجر به اخلاق گرایی و فلسفه گرایی شود. برای مثال، با اصلاح ژنتيكي انسان و حيوانات، كلون سازي، انتقال ژن و استفاده از سلول های جنینی.
- بیوتکنولوژی ممکن است منجر به خطرات زيست محيطي شود. برای مثال، با افزایش آلودگي ها، كاهش تنوع زيستي، انتشار سامانه های زنده تغيير يافته و اثرات نامعلوم آن‌ها.
- بیوتکنولوژی ممکن است منجر به نابرابري های اجتماعي و اقتصادي شود. برای مثال، با افزایش هزینه ها، كاهش دسترسي به منابع و فناوري ها، افزایش قدرت شركت ها و كشورها و كاهش حقوق مالكيت فكري.
- بیوتکنولوژی ممکن است منجر به خطرات امنيتي شود. برای مثال، با ساخت سلاح های زيست شناسي، سامانه های زنده تغير يافته خطرناك، سامانه های زنده جاسوس و استفاده از اطلاعات ژنتيكي.
- 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.
- 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.
- 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.
- هزینه های بالا: محصولات بیوتکنولوژی اغلب بیشتر از محصولات سنتی قیمت دارند و پتانسیل افزایش ساختار قیمت گذاری در صنایع مختلف را دارند.
- 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.
چه 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
و …
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.
