به گزارش خبرنگار علم و فناوری ایسکانیوز؛ زیست فناوری یا بیوتکنولوژی علمی است که در آن از علم زیست‌شناسی برای توسعه محصولات، روش‌ها و ارگانیسم‌های جدیدی استفاده می‌شود که برای بهبود سلامت انسان و جامعه مورد نیاز و گاه ضروری است. این علم از ابتدای تمدن با ما همراه بوده است و انسان‌های گذشته با اهلی کردن گیاهان، حیوانات و کشف تخمیر از این علم استفاده می‌کردند و آن را توسعه دادند.

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 تکامل یافته است که ساختارهای ژنتیکی و فرآیندهای زیست مولکولی موجودات زنده را دستکاری می‌کند. بیوتکنولوژی مدرن از رشته‌های مختلف از جمله موارد زیر نشأت می‌گیرد:

• زیست شناسی مولکولی
• علم شیمی
• بیونیک یا مهندسی ملهم از زیست‌شناسی
• مهندسی ژنتیک
• ژنومیک یا ژنگان‌شناسی
• فناوری نانو
• انفورماتیک

این رویکرد منجر به نوآوری‌ها و پیشرفت‌هایی در زمینه‌های زیر شده است:

• داروها و داروهایی که از بیماری پیشگیری و درمان می‌کنند

• تشخیص‌های پزشکی مانند تست‌های بارداری

• سوخت‌های زیستی که پایدار هستند و ضایعات و آلودگی را کاهش می‌دهند

• ارگانیسم‌های اصلاح شده ژنتیکی (GMOs) که منجر به 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 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. مهندسی ژنتیک همچنین تغییرات ژنتیکی و شبیه‌سازی حیوانات را امکان‌پذیر می‌کند که هر 2 پیشرفت بحث برانگیزی به شمار می‌روند.

تاریخچه بیوتکنولوژی

بیوتکنولوژی حداقل 6 هزار سال پیش با انقلاب کشاورزی آغاز شد. مشخصه این دوره اولیه بهره برداری از موجودات زنده در اشکال طبیعی یا اصلاح ساختار ژنتیکی آنها از طریق اصلاح نژاد انتخابی بود. تقریباً در همان زمان، انسان‌ها یاد گرفتند که از فرآیند بیولوژیکی تخمیر برای تولید نان و پنیر استفاده کنند. مردم همچنین شروع به تغییر ساختار ژنتیکی گیاهان و حیوانات اهلی از طریق اصلاح نژاد انتخابی کردند.

زادآوری انتخابی یکی از روش‌های بیوتکنولوژی است که قدمت زیادی دارد. در این روش، از یک حیوان، نر و ماده‌ای را با ویژگی‌های مورد دلخواه برای تولید مثل استفاده می‌کنند تا از این طریق به ویژگی‌های مطلوب برای بیان یا حذف برخی از ویژگی‌های ژنتیکی در فرزندان آنها دست یابند. 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. یا به طور مثال، سگ‌ها به طور انتخابی برای مطیع‌تر بودن نسبت به اجداد گرگ خود پرورش داده شدند.

با این حال، روش‌های بیوتکنولوژی مانند زادآوری انتخابی 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، گرگور مندل، زیست‌شناس، اصول اساسی وراثت و ژنتیک را کشف کرد.

در آن دوران، دانشمندانی چون لوئی پاستور و جوزف لیستر فرآیندهای میکروبی تخمیر را نیز کشف کردند که پایه و اساس صنایع بیوتکنولوژی شد تا دانشمندان بتوانند به طور مستقیم با فرآیندهای مولکولی و ژنتیکی موجودات در تعامل باشند.

بر اساس کار این دانشمندان، مهندسی ژنتیک در سال 1973 توسعه یافت. این روش پایه و اساس شیوه‌های بیوتکنولوژی مدرن و پیشرفت‌های اخیر را به وجود آورد و اولین دستکاری مستقیم ژنوم گیاهی و جانوری را که مجموعه کاملی از ژن‌های موجود در یک سلول است، امکان‌پذیر کرد.

در طول 10 هزار سال گذشته، بیوتکنولوژی با اکتشافات و پیشرفت‌های زیر ظهور کرد:

1919 دانشمند مجارستانی به نام «کارل ارکی» اصطلاح بیوتکنولوژی را ابداع کرد.

1928 «الکساندر فلمینگ» پنی سیلین، اولین آنتی‌بیوتیک واقعی را کشف کرد.

1943 «اسوالد اوری» ثابت کرد DNA حامل اطلاعات ژنتیکی است.

1953 «جیمز واتسون» و «فرانسیس کریک» ساختار مارپیچ دوگانه DNA را کشف کردند.

دهه 1960 انسولین برای مبارزه با دیابت سنتز شد و واکسن‌هایی برای سرخک، اوریون و سرخجه ساخته شد.

1969 اولین سنتز یک آنزیم در شرایط آزمایشگاهی یا خارج از بدن انجام شد.

1973 «هربرت بویر» و «استنلی کوهن» برای اولین بار مهندسی ژنتیک را با وارد کردن DNA از یک باکتری به باکتری دیگر توسعه دادند.

دهه 1980 اولین داروهای بیوتکنولوژی برای درمان سرطان ساخته شد.

1890 دادگاه عالی آمریکا حکم کرد که یک میکروارگانیسم زنده ساخته شده توسط انسان به عنوان اختراع قابل ثبت است؛ به این معنی که جانداران دستکاری‌شده ژنتیکی می‌توانند مالکیت معنوی داشته باشند.

1982شکلی از انسولین که توسط بیوتکنولوژی توسعه یافته بود، به اولین محصول دستکاری شده ژنتیکی مورد تائید سازمان غذا و داروی آمریکا (FDA) تبدیل شد.

1983 اولین گیاه اصلاح شده ژنتیکی معرفی شد.

1993 حیوانات دستکاری‌شده ژنتیک با تائید 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 30 هزار ژن انسانی و تسهیل تحقیقات در مورد درمان بیماری‌هایی مانند سرطان و آلزایمر را می‌دهد.

2010 اولین سلول مصنوعی ایجاد شد.

2013. اولین چشم بیونیک ساخته شد.

2020 واکسن MRNA و فناوری آنتی بادی مونوکلونال برای درمان ویروس SARS-CoV-2 استفاده شد.

انواع بیوتکنولوژی

علم بیوتکنولوژی به زیرشاخه‌هایی تقسیم می‌شود که براساس کاربردهایشان به هشت رنگ مختلف تقسیم می‌شوند:

• بیوتکنولوژی قرمز شامل فرآیندهای پزشکی، مانند استفاده از ارگانیسم‌ها برای تولید داروهای جدید و سلول‌های بنیادی برای بازسازی بافت‌های آسیب دیده انسانی و رشد و رشد مجدد کل اندام‌ها است.
• سفید یا خاکستری به فرآیندهای صنعتی، مانند توسعه مواد شیمیایی جدید یا سوخت‌های زیستی جدید برای وسایل نقلیه اشاره دارد.
• سبز فرآیندهای کشاورزی، مانند تولید محصولات مقاوم به آفات، حیوانات مقاوم به بیماری و شیوه‌های کشاورزی سازگار با محیط زیست را پوشش می‌دهد.
• طلایی که به عنوان بیوانفورماتیک شناخته می‌شود، تلاقی بین فرآیندهای بیولوژیکی و انفورماتیک است. این امر به روش‌هایی اشاره دارد که کارکنان مراقبت‌های بهداشتی برای جمع‌آوری، ذخیره و تجزیه و تحلیل داده‌های بیولوژیکی برای درمان بیماران استفاده می‌کنند.
• آبی شامل فرآیندهایی در محیط‌های دریایی و آبی است، مانند تبدیل زیست‌توده آبزیان به سوخت و مواد دارویی.
• رنگ زرد به فرآیندهایی اتلاق می‌شود که به تولید غذا کمک می‌کند، محبوب‌ترین کاربرد آن تخمیر و پنیر است.
• رنگ بنفش تضمین می‌کند که عمل بیوتکنولوژی با قوانین و استانداردهای اخلاقی حاکم بر هر زمینه مطابقت دارد.
• رنگ سیاه استفاده از بیوتکنولوژی برای سلاح یا جنگ است.

کاربردهای بیوتکنولوژی

استفاده و تجاری سازی بیوتکنولوژی مدرن اغلب در چهار زمینه اصلی قرار می‌گیرد: محیط زیست، پزشکی، صنعت و کشاورزی.

هدف بیوتکنولوژی زیست محیطی توسعه شیوه‌های زیست محیطی پایدار است که آلودگی و زباله را کاهش می‌دهد. موارد زیر نمونه‌هایی از بیوتکنولوژی محیطی هستند:

• گیاه پالایی از میکروارگانیسم‌های دستکاری شده ژنتیکی برای تصفیه خاک از فلزات سنگین و سایر آلاینده‌ها استفاده می‌کند.

• زیست پالایی میکروارگانیسم‌ها را به محل‌های زباله وارد می‌کند تا زباله‌های غیرقابل بازیافت را به صورت ارگانیک تجزیه کند.

• باکتری‌های پلاستیک‌خوار مواد زائد مانند پلاستیک موجود در خاک و آب را تجزیه می‌کنند.

• غذاهای حاصل از حیوانات اصلاح شده ژنتیکی برای مدت طولانی‌تری تازه می‌مانند و ضایعات مواد غذایی را کاهش می‌دهند.

• بازسازی ژنتیکی تلاش می‌کند تا گونه‌های در معرض خطر انقراض مانند درخت شاه بلوط آمریکایی را احیا کند.

• محصولات پوششی مانند ذرت به عنوان سوخت زیستی استفاده می‌شود و جایگزین منابع سوخت سنتی می‌شود که هنگام استخراج و استفاده، گازهای گلخانه‌ای تولید می‌کند. محصول پوششی به گیاهانی گفته می‌شود که برای پوشاندن خاک کاشته می‌شوند نه برای برداشت.

بیوتکنولوژی پزشکی که با نام «بیوفارما» نیز شناخته می‌شود، با هدف مبارزه و پیشگیری از بیماری‌ها و بهبود مراقبت‌های بهداشتی است. بیوتکنولوژی و تحقیقات زیست پزشکی اساس صنعت داروسازی مدرن است. موارد استفاده شامل موارد زیر است:

• تحقیقات سلول‌های بنیادی که به جایگزینی یا ترمیم سلول‌های مرده یا معیوب کمک می‌کند

• توسعه آنتی‌بیوتیک

• ژن درمانی برای بیماری‌هایی مانند لوسمی

• تحقیق در مورد پاتوژن‌های خطرناک و آنتی‌بادی‌هایی که با آنها مبارزه می‌کنند

• پرینت سه‌بعدی یا رشد اندام‌ها و استخوان‌ها در آزمایشگاه

• واکسن‌های mRNA، درمان‌های آنتی‌بادی مونوکلونال و تحقیقات برای کووید 19

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 و نفت استفاده می‌کنند.
• پوشاک و منسوجات زیست‌تخریب‌پذیر ساخته شده از پروتئین‌های موجودات زنده مانند پروتئین‌های ابریشم عنکبوت‌ها.

بیوتکنولوژی کشاورزی با مهندسی ژنتیک گیاهان و حیوانات را برای تولید کشاورزی کارآمدتر، افزایش ارزش غذایی و کاهش ناامنی غذایی انجام می‌دهد. چند نمونه از بیوتکنولوژی کشاورزی به شرح زیر است:

• آفت‌کش‌ها و علف‌کش‌های تولید شده بیولوژیکی که کمتر از سموم شیمیایی برای انسان مضر هستند
• محصولات مقاوم در برابر خشکسالی
• برداشت محصول از مناطقی با تاب‌آوری کم

• گوشتی که در آزمایشگاه‌ها یا با استفاده از چاپگرهای سه‌بعدی رشد می‌کند

• غلات بدون گلوتن مناسب برای مبتلایان به سلیاک

• پرورش انتخابی که دام و محصولات سالم‌تر و بزرگ‌تر تولید می‌کند

• مکمل‌های غذایی که مواد مغذی اضافه شده را برای بهبود رژیم غذایی و درمان‌های پزشکی به غذا تزریق می‌کند.

مزایا

تولید بیوتکنولوژی مزایا و راه‌حل‌های مختلفی را برای مشکلات حیاتی ارائه می‌دهد. اصلی‌ترین آنها به شرح زیر است:

• کاهش آلودگی و زباله برای معکوس کردن تغییرات فاجعه بار آب و هوا و آسیب‌های زیست محیطی

• ایجاد محصولات غذایی سالم‌تر، قوی‌تر و پایدارتر که تغذیه را تقویت و با ناامنی غذایی مبارزه می‌کند

• درمان بیماری‌های کودکان قبل از تولد با تغییر ژنوم 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 دارای معایبی نیز هست. معایب اصلی شامل موارد زیر است:

• جنگ بیولوژیکی؛ 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؛ کشت تک 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 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.

• 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.
• چالش‌های ایمنی؛ گروه‌های مختلف نگرانی‌های ایمنی را در مورد خطرات سلامتی حیوانات اصلاح شده ژنتیکی و پیشرفت‌های پزشکی مرتبط با بیوتکنولوژی، مانند واکسن‌های mRNA، مطرح کرده‌اند.

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، حیوانات اصلاح شده و تحقیقات سلول‌های بنیادی جنینی.

انتهای پیام/