اطلاعات عمومی، ویکی ژن
بیوتکنولوژی چیست؟ آشنایی با انواع رشته های بیوتکنولوژی
بیوتکنولوژی چیست؟
بیوتکنولوژی استفاده از زیست‌شناسی برای توسعه محصولات، روش‌ها و ارگانیسم‌های جدیدی است که به منظور بهبود سلامت انسان و جامعه طرح ریزی شده است. بیوتکنولوژی که اغلب به آن بیوتک (Biotech) می‌گویند، از ابتدای آغاز تمدن بشری با اهلی کردن حیوانات، گیاهان و کشف تخمیر وجود داشته است.
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 سمت روش‌هایی که ساختارهای ژنتیکی و فرآیندهای زیست مولکولی (Biomolecular) ارگانیسم‌های زنده را دستکاری می‌کند، تکامل یافته است. شیوه مدرن بیوتکنولوژی از رشته‌های مختلف علم و فناوری نشأت می‌گیرد، از جمله:
- زیست‌شناسی مولکولی (Molecular biology)
- علم شیمی
- بیونیک (Bionics)
- مهندسی ژنتیک (Genetic engineering)
- ژنومیکس (Genomics)
- فناوری نانو
- انفورماتیک (Informatics)
این رویکرد منجر به نوآوری‌ها و پیشرفت‌هایی در زمینه‌های زیر شده است:
- داروها و درمان‌هایی که از بیماری‌ها پیشگیری کرده و آن‌ها را درمان می‌کنند.
- تشخیص‌های پزشکی مانند آزمایش‌های بارداری.
- سوخت‌های زیستی که پایدار هستند و ضایعات و آلودگی را کاهش می‌دهند.
- ارگانیسم‌های اصلاح شده ژنتیکی (Genetically modified organisms (GMOs)) که منجر به توسعه کشاورزی کارآمدتر و مقرون به صرفه‌تر می‌شود.
کاربردهای مدرن بیوتکنولوژی اغلب از طریق مهندسی ژنتیک، که به عنوان فناوری DNA نوترکیب نیز شناخته می‌شود، کار می‌کنند. مهندسی ژنتیک از طریق اصلاح یا برهم‌کنش 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.
به وسیله اصلاح یا برهم‌کنش با ژن‌ها، دانشمندان می‌توانند ویژگی‌های یک ارگانیسم را تقویت کرده یا یک ارگانیسم کاملاً جدید ایجاد کنند. این ارگانیسم‌های اصلاح شده و جدید ممکن است برای انسان مفید باشند، مانند محصولات زراعی با بازده بالاتر یا افزایش مقاومت در برابر خشکسالی. مهندسی ژنتیک همچنین امکان اصلاح ژنتیکی و شبیه‌سازی حیوانات (دو پیشرفت بحث‌برانگیز) را فراهم می‌کند.
تاریخچه بیوتکنولوژی
بیوتکنولوژی حداقل 6000 سال پیش با انقلاب کشاورزی آغاز شد. مشخصه این دوره اولیه، بهره‌برداری از ارگانیسم‌های زنده در اشکال طبیعی خود یا اصلاح ساختار ژنتیکی آن‌ها از طریق زادگیری گزینشی (Selective breeding) بود.
تقریباً در همان زمان، انسان‌ها یاد گرفتند که از فرآیند بیولوژیکی تخمیر برای تولید نان، الکل و پنیر استفاده کنند. انسان‌ها همچنین شروع به تغییر ساختار ژنتیکی گیاهان و حیوانات اهلی از طریق زادگیری گزینشی کردند.
زادگیری گزینشی از طریق زادگیری والدین با ویژگی‌های مطلوب برای بیان یا حذف برخی از ویژگی‌های ژنتیکی در فرزندان خود عمل می‌کند. با گذشت زمان، گونه‌هایی که به طور انتخابی پرورش داده می‌شوند تکامل می‌یابند تا با اجداد وحشی خود متفاوت باشند. به عنوان مثال، در طول انقلاب کشاورزی، گندم به طور انتخابی پرورش داده شد تا در هنگام برداشت به جای اینکه مانند گندم وحشی به زمین بیفتد، روی ساقه خود باقی بماند. سگ‌ها به طور انتخابی برای رام‌تر بودن نسبت به اجداد گرگ خود پرورش داده شدند.
با این حال، روش‌های بیوتکنولوژی مانند زادگیری گزینشی می‌تواند زمان زیادی طول بکشد تا تغییرات در گونه‌ها را نشان دهد. بیوتکنولوژی محدود به این روش‌های آهسته کشاورزی باقی ماند تا اینکه در قرن نوزدهم، Gregor Mendel زیست‌شناس، اصول اساسی وراثت و ژنتیک را کشف کرد.
همچنین، در آن دوران، دانشمندان Louis Pasteur و Joseph Lister فرآیندهای میکروبی تخمیر را کشف کردند. این امر پایه و اساس صنایع بیوتکنولوژی را ایجاد کرد که در آن دانشمندان بیشتر با فرآیندهای مولکولی و ژنتیکی ارگانیسم‌ها به طور مستقیم در تعامل هستند.
بر اساس کار این دانشمندان، مهندسی ژنتیک در سال 1973 توسعه یافت. این روش پایه و اساس شیوه‌های بیوتکنولوژی مدرن و پیشرفت‌های اخیر است. این شیوه‌ها اولین دستکاری مستقیم ژنوم گیاهی و جانوری (که مجموعه کاملی از ژن‌های موجود در یک سلول است) را امکان‌پذیر کرد.
در طول 10000 سال گذشته، بیوتکنولوژی با اکتشافات و پیشرفت‌های زیر ظهور کرد:
- 1919: دانشمند مجارستانی Karl Ereky اصطلاح بیوتکنولوژی را ابداع کرد.
- 1928: Alexander Fleming پنی‌سیلین، اولین آنتی‌بیوتیک واقعی را کشف کرد.
- 1943: Oswald Avery ثابت کرد DNA حامل اطلاعات ژنتیکی است.
- 1953. James Watson و Francis Crick ساختار مارپیچ دوگانه DNA را کشف کردند.
- دهه 1960: انسولین برای مبارزه با دیابت سنتز و واکسن‌هایی برای سرخک، اوریون و سرخجه ساخته می‌شوند.
- 1969: اولین سنتز یک آنزیم در شرایط آزمایشگاهی یا خارج از بدن انجام شد.
- 1973: Herbert Boyer و Stanley Cohen مهندسی ژنتیک را با وارد کردن DNA برای اولین بار از یک باکتری به باکتری دیگر توسعه دادند.
- دهه 1980: اولین داروهای بیوتکنولوژی برای درمان سرطان ساخته شدند.
- 1980: دادگاه عالی ایالات متحده حکم می‌کند که «یک میکروارگانیسم زنده ساخته شده توسط انسان موضوع قابل ثبت اختراع است»، به این معنی که GMOها می‌توانند دارایی معنوی باشند.
- 1982: شکلی از انسولین که توسط بیوتکنولوژی توسعه یافته بود، به اولین محصول دستکاری شده ژنتیکی مورد تایید سازمان غذا و داروی ایالات متحده (FDA) تبدیل شد.
- 1983. اولین گیاه اصلاح شده ژنتیکی معرفی شد.
- 1993: GMOها با تایید FDA در مورد هورمون‌های رشد که شیر بیشتری را در گاوها تولید می‌کنند به کشاورزی معرفی شدند.
- 1997: اولین پستاندار شبیه‌سازی شد.
- 1998: اولین پیش‌نویس 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 می‌داد.
- 2010: اولین سلول مصنوعی ایجاد شد.
- 2013. اولین چشم بیونیک ساخته شد.
- 2020: واکسن MRNA و فناوری آنتی‌بادی مونوکلونال (Monoclonal) برای درمان ویروس SARS-CoV-2 استفاده شد.
انواع بیوتکنولوژی
علم بیوتکنولوژی به زیرشاخه‌هایی تقسیم می‌شود که بر اساس استفاده‌ها و کاربردهای رایج با رنگ‌های مختلف برای شناسایی بهتر علامت گذاری شده‌اند.
- بیوتکنولوژی قرمز: شامل فرآیندهای پزشکی است، مانند استفاده از ارگانیسم‌ها برای تولید داروهای جدید و سلول‌های بنیادی برای بازسازی بافت‌های آسیب‌دیده انسانی و رشد و ترمیم مجدد کل اندام‌ها.
- بیوتکنولوژی 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: که با عنوان بیوانفورماتیک (Bioinformatics) نیز شناخته می‌شود، تلاقی بین فرآیندهای بیولوژیکی و انفورماتیک است. این نوع بیوتکنولوژی به روش‌هایی اشاره دارد که از کارکنان مراقبت‌های بهداشتی برای جمع‌آوری، ذخیره و آنالیز 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 می‌کنند. معروف‌ترین کاربرد آن تخمیر الکل و پنیر است.
- بیوتکنولوژی بنفش: تضمین می‌کند که روش بیوتکنولوژی مطابق با قوانین و استانداردهای اخلاقی حاکم بر هر زمینه است.
- بیوتکنولوژی سیاه: استفاده از بیوتکنولوژی برای سلاح یا جنگ است.
استفاده‌ها و کاربردهای بیوتکنولوژی
استفاده و تجاری‌سازی بیوتکنولوژی مدرن اغلب در چهار زمینه اصلی قرار می‌گیرد: محیط زیست، پزشکی، صنعت و کشاورزی.
محیط زیست
هدف بیوتکنولوژی زیست‌محیطی توسعه شیوه‌های زیست‌محیطی پایدار است که آلودگی و زباله را کاهش می‌دهد. موارد زیر نمونه‌هایی از بیوتکنولوژی زیست‌محیطی هستند:
- گیاه‌پالایی (Phytoremediation) از میکروارگانیسم‌های دستکاری شده ژنتیکی برای تصفیه خاک از فلزات سنگین و سایر آلاینده‌ها استفاده می‌کند؛
- زیست‌پالایی (Bioremediation)، میکروارگانیسم‌ها را به محل‌های زباله وارد می‌کند تا زباله‌های غیرقابل بازیافت را به صورت ارگانیک تجزیه کنند؛
- باکتری‌های پلاستیک‌خوار زباله‌هایی مانند پلاستیک موجود در خاک و آب را تجزیه می‌کنند؛
- غذاهای GMO برای مدت طولانی‌تری تازه میمانند و ضایعات مواد غذایی را کاهش می‌دهند؛
- ترمیم ژنتیکی تلاش می‌کند تا گونه‌های در حال انقراض مانند درخت شاه بلوط آمریکایی را احیا کند؛
- گیاهان پوششی مانند ذرت به عنوان سوخت زیستی استفاده شده و جایگزین منابع سوخت سنتی که در هنگام استخراج و استفاده، گازهای گلخانه‌ای تولید می‌کنند، می‌شوند؛
پزشکی
هدف بیوتکنولوژی پزشکی که با نام بیوفارما (Biopharma) نیز شناخته می‌شود، مبارزه و پیشگیری از بیماری‌ها و بهبود مراقبت‌های بهداشتی است. بیوتکنولوژی و تحقیقات زیست پزشکی اساس صنعت داروسازی مدرن می‌باشد. موارد استفاده شامل موارد زیر است:
- تحقیقات مربوط به سلول‌های بنیادی که به جایگزینی یا ترمیم سلول‌های مرده یا معیوب کمک می‌کند؛
- تولید آنتی‌بیوتیک؛
- ژن درمانی برای بیماری‌هایی مانند لوسمی (Leukemia)؛
- تحقیق در مورد پاتوژن‌های خطرناک و آنتی‌بادی‌هایی که با آن‌ها مبارزه می‌کنند؛
- پرینت سه بعدی یا رشد اندام‌ها و استخوان‌ها در آزمایشگاه؛
- واکسن‌های mRNA، درمان‌های آنتی‌بادی مونوکلونال و تحقیقات برای COVID-19؛
صنعت
بیوتکنولوژی صنعتی شامل استفاده از میکروارگانیسم‌ها برای تولید کالاهای صنعتی است. به عنوان مثال می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- تخمیر و استفاده از آنزیم‌ها و میکروب‌ها برای ساده‌سازی تولید مواد شیمیایی و کاهش هزینه‌های عملیاتی و انتشار مواد شیمیایی؛
- سوخت‌های زیستی که از محصولات تجدیدپذیر مانند ذرت برای تولید سوخت قابل احتراق به جای منابع سوخت فسیلی طبیعی و تجدیدناپذیر مانند نفت خام و نفت سفید استفاده می‌کنند؛
- پوشاک و منسوجات زیست تخریب‌پذیر ساخته شده از پروتئین‌های ارگانیسم‌های زنده، مانند پروتئین‌های ابریشم عنکبوت‌ها؛
کشاورزی
بیوتکنولوژی کشاورزی به طور ژنتیکی گیاهان و حیوانات را برای ایجاد کشاورزی کارآمدتر، افزایش ارزش غذایی و کاهش ناامنی غذایی مهندسی می‌کند. چند مثال از کاربردهای بیوتکنولوژی کشاورزی به شرح زیر است:
- آفت‌کش‌ها و علف‌کش‌های تولید شده به صورت بیولوژیکی که کمتر از سموم شیمیایی برای انسان مضر هستند.
- محصولات مقاوم در برابر خشکسالی؛
- محصولات با حداقل انعطاف‌پذیری فضایی؛
- گوشتی که در آزمایشگاه‌ها یا با استفاده از چاپگرهای سه بعدی تولید می‌شود؛
- غلات بدون گلوتن (Gluten) مناسب برای مبتلایان به سلیاک (Celiac)؛
- زادگیری گزینشی که دام و محصولات سالم‌تر و بزرگ‌تر تولید می‌کند؛
- مکمل‌های غذایی که مواد مغذی را برای بهبود رژیم غذایی و ارائه درمان‌های پزشکی به غذا اضافه می‌کنند؛
مزایای بیوتکنولوژی چیست؟
محصولات تولید شده با بیوتکنولوژی مزایا و راه‌‌های مختلفی را برای حل مشکلات حیاتی ارائه می‌دهند. اصلی‌ترین آن‌ها به شرح زیر است:
- کاهش آلودگی و زباله برای معکوس کردن تغییرات فاجعه بار آب و هوایی و آسیب‌های زیست محیطی؛
- ایجاد محصولات غذایی سالم‌تر، قوی‌تر و پایدارتر که کیفیت تغذیه را تقویت کرده و با ناامنی غذایی مبارزه می‌کند؛
- درمان بیماری‌های کودکان قبل از تولدشان با تغییر ژنوم آن‌ها؛
- طراحی دارو برای تقویت سلامت و افزایش طول عمر افراد، حیوانات و گیاهان؛
- کاهش هزینه‌های منابع مورد نیاز مزرعه مانند سموم دفع آفات و در عین حال افزایش بازده و سود محصول؛
معایب بیوتکنولوژی چیست؟
بیوتکنولوژی همچنین دارای معایب و کاربردهای نادرستی است. معایب اصلی شامل موارد زیر است:
- جنگ بیولوژیکی: پتانسیلی برای توسعه پاتوژن‌ها و اپیدمی‌ها وجود دارد که می‌توانند در یک منطقه درگیری برای آلوده کردن جمعیت مورد استفاده قرار گیرند.
- کاهش تنوع زیستی: کشت تک محصولی یا کشت تنها 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 امر می‌تواند خاک را از مواد مغذی حاصلخیز تهی کرده، زمین‌های کشاورزی را خراب کند به طوری که برای جبران کمبود مواد مغذی، نیاز به استفاده از کودهای مضر برای محیط زیست داشته باشد.
- هزینه‌های 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.
- پرسش‌های مرتبط با ایمنی: گروه‌های مختلف نگرانی‌های ایمنی را در مورد خطرات سلامتی GMOها و پیشرفت‌های پزشکی مرتبط با بیوتکنولوژی، مانند واکسن‌های mRNA، مطرح کرده‌اند.
نگرانی‌ها در مورد مضرات بیوتکنولوژی منجر به انجام تلاش‌هایی برای تصویب قوانینی شده است که برخی فرآیندها یا برنامه‌ها را محدود یا ممنوع می‌کند، مانند شبیه‌سازی انسان، GMOها و تحقیقات سلول‌های بنیادی جنینی.
همچنین بخوانید:
مترجم: صادق حسینی‌کیا
