जीव विज्ञान कक्षा 12


अध्याय - 11: बायोटेक्नोलॉजी: प्रिंसिपल और प्रोसेस
जैव प्रौद्योगिकी मानव जीवों के लिए उपयोगी उत्पादों और प्रक्रियाओं का उत्पादन करने के लिए जीवों से जीवित जीवों या एंजाइमों का उपयोग करने की तकनीकों से संबंधित है।
ईएफबी (बायोटेक्नोलॉजी के यूरोपीय संघ) द्वारा दी गई परिभाषा निम्नानुसार है; 'प्राकृतिक विज्ञान और जीवों, कोशिकाओं, इसके कुछ हिस्सों, और उत्पादों और सेवाओं के आणविक अनुरूपों का एकीकरण'।

जैव प्रौद्योगिकी के सिद्धांत:
जेनेटिक इंजीनियरिंग: मेजबान जीवों में इन्हें पेश करने के लिए आनुवांशिक सामग्री (डीएनए और आरएनए) की रसायन शास्त्र को बदलने के लिए तकनीकें और इस प्रकार मेजबान जीव के फेनोटाइप को बदलती हैं।
रासायनिक इंजीनियरिंग प्रक्रियाओं में बाँझ वातावरण का रखरखाव, एंटीबायोटिक दवाओं, टीकों, एंजाइमों आदि जैसे जैव प्रौद्योगिकी उत्पादों के निर्माण के लिए बड़ी मात्रा में वांछित सूक्ष्मजीव / यूकेरियोटिक कोशिका के विकास को सक्षम करने के लिए।
आनुवंशिक इंजीनियरिंग की तकनीक जिसमें रीकॉम्बीनेंट डीएनए का निर्माण शामिल है, जीन क्लोनिंग और जीन ट्रांसफर का उपयोग, पारंपरिक हाइब्रिडाइज़ेशन तकनीकों में वांछित जीन के साथ गुणा होने वाले अवांछित जीन की सीमा को दूर करने में मदद करता है और हमें केवल एक या एक को अलग करने और पेश करने की इजाजत देता है लक्ष्य जीव में अवांछनीय जीन पेश किए बिना वांछनीय जीन का सेट।

गुणसूत्र में एक विशिष्ट डीएनए अनुक्रम होता है जिसे प्रतिकृति की उत्पत्ति कहा जाता है, जो प्रतिकृति शुरू करने के लिए ज़िम्मेदार है। इसलिए, किसी जीव में डीएनए के किसी भी विदेशी टुकड़े के गुणा के लिए इसे गुणसूत्र का एक हिस्सा होना जरूरी है जिसमें एक विशिष्ट अनुक्रम होता है जिसे 'प्रतिकृति की उत्पत्ति' कहा जाता है। इस प्रकार, एक विदेशी डीएनए प्रतिकृति की उत्पत्ति से जुड़ा हुआ है, ताकि, डीएनए का यह विदेशी टुकड़ा प्रतिलिपि बनाकर मेजबान जीव में गुणा कर सके। इसे क्लोनिंग के रूप में जाना जाता है।

पहले पुनः संयोजक डीएनए का निर्माण साल्मोनेला टाइफीमुरियम के मूल प्लास्मिड के साथ जीन एन्कोडिंग एंटीबायोटिक प्रतिरोध को जोड़ने की संभावना से उभरा।

विशिष्ट स्थानों पर डीएनए काटने तथाकथित 'आण्विक कैंची' - प्रतिबंध एंजाइमों की खोज के साथ संभव हो गया। डीएनए का कट टुकड़ा तब डीएनए लिगेज नामक एक और एंजाइम की मदद से प्लास्मिड डीएनए से जुड़ा हुआ था। इन प्लास्मिड डीएनए अधिनियम से जुड़े डीएनए के टुकड़े को स्थानांतरित करने के लिए वेक्टर के रूप में कार्य करते हैं। मेजबान जीव में डीएनए का एक विदेशी टुकड़ा देने के लिए एक प्लास्मिड का उपयोग वेक्टर के रूप में किया जा सकता है।

प्रयोगशाला में अनुवांशिक सामग्री (कृत्रिम रूप से) के नए संयोजनों के उत्पादन के बारे में "पुनः संयोजक डीएनए प्रौद्योगिकी" या "जेनेटिक इंजीनियरिंग" भी कहा जाता है। इन "पुनः संयोजक डीएनए" (आरडीएनए) अणुओं को मेजबान कोशिकाओं में पेश किया जाता है, जहां उन्हें प्रचारित किया जा सकता है और गुणा किया जा सकता है।

आरडीएनए में बुनियादी कदम:
वांछित जीन के साथ डीएनए की पहचान
मेजबान में पहचाने गए डीएनए का परिचय
होस्ट में पेश किए गए डीएनए का रखरखाव और डीएनए के अपने संतान में स्थानांतरण।

रीकॉम्बीनेंट डीएनए प्रौद्योगिकी के उपकरण:

प्रतिबंध एंजाइम (आण्विक कैंची):
प्रतिबंध एंजाइम न्यूक्लियस नामक एंजाइमों की एक बड़ी श्रेणी से संबंधित होते हैं। दो प्रकार के हैं; एक्सोन्यूक्लियस और एंडोन्यूक्लियस। एक्सोन्यूक्लियस डीएनए के सिरों से न्यूक्लियोटाइड को हटाते हैं, जबकि एंडोन्यूक्लियस डीएनए के भीतर विशिष्ट स्थिति में कटौती करते हैं।

उदाहरण, पहला प्रतिबंध एंडोन्यूक्लीज - हिंद द्वितीय, छह आधार जोड़े के विशिष्ट अनुक्रम को पहचानकर हमेशा एक विशेष बिंदु पर डीएनए अणुओं को काटता है। यह विशिष्ट आधार अनुक्रम हिंद द्वितीय के लिए पहचान अनुक्रम के रूप में जाना जाता है।

प्रत्येक प्रतिबंध एंडोन्यूक्लीज डीएनए में एक विशिष्ट पालिंड्रोमिक न्यूक्लियोटाइड अनुक्रमों को पहचानता है।

Palindromes क्या हैं?
ये अक्षरों के समूह हैं जो एक ही शब्द बनाते हैं जब आगे और पीछे दोनों पढ़ते हैं, उदाहरण के लिए। "मलयालम"। डीएनए में पैलिंड्रोम बेस जोड़े का एक अनुक्रम है जो दो स्ट्रैंड्स पर समान होता है जब पढ़ने का अभिविन्यास समान रहता है।

प्रतिबंध एंजाइमों ने पैंडिंड्रोम साइटों के केंद्र से थोड़ी दूर डीएनए के स्ट्रैंड को काट दिया, लेकिन विपरीत तारों पर उसी दो अड्डों के बीच। यह स्टिकी समाप्त होने वाले सिरों पर एकल फंसे हुए हिस्सों को छोड़ देता है। वही एंजाइम चिपचिपा सिरों के साथ एक ही साइट पर डीएनए (वेक्टर और विदेशी डीएनए) दोनों स्ट्रैंड्स को काटता है और इन्हें डीएनए-लिगेज का उपयोग करके एक साथ जोड़ा जा सकता है।

डीएनए टुकड़ों का पृथक्करण और अलगाव (ब्याज की डीएनए):
प्रतिबंध एंडोन्यूक्लियस द्वारा डीएनए काटने से डीएनए के टुकड़े होते हैं।
इन टुकड़ों को जेल इलेक्ट्रोफोरोसिस नामक तकनीक से अलग किया जा सकता है।
डीएनए टुकड़े उनके आकार के हिसाब से अलग होते हैं।
पृथक डीएनए टुकड़े एवीडियम ब्रोमाइड के साथ डीएनए को धुंधला करने के बाद ही यूवी विकिरण के संपर्क में देखे जा सकते हैं। अब डीएनए टुकड़े चमकदार नारंगी रंगीन बैंड दिखाई देते हैं।
डीएनए के अलग बैंड को एग्रोस जील से काट दिया जाता है और जेल टुकड़े से निकाला जाता है। इस चरण को एलीशन के रूप में जाना जाता है।
इन डीएनए टुकड़े शुद्ध और क्लोनिंग वेक्टर के साथ पुनः संयोजक डीएनए बनाने में उपयोग किए जाते हैं।

क्लोनिंग वेक्टर (क्लोनिंग के लिए वाहन):
वेक्टर किसी दिए गए होस्ट सेल में एक विदेशी डीएनए अनुक्रम ले जाने के लिए एक वाहन के रूप में कार्य करता है।
एक वेक्टर की मुख्य विशेषताएं:
इसमें प्रतिकृति (ओरी) की उत्पत्ति होनी चाहिए ताकि वह होस्ट सेल के भीतर गुणा करने में सक्षम हो।
इसमें एक चुनिंदा मार्कर (एंटीबायोटिक प्रतिरोध जीन) शामिल होना चाहिए, जो उन मेजबान कोशिकाओं का चयन करने की अनुमति देगा जिनमें वेक्टर शामिल नहीं हैं।
वेक्टर को कम से कम एक अनूठा प्रतिबंध एंडोन्यूक्लिज़ मान्यता साइट भी होनी चाहिए ताकि एक पुन: संयोजक डीएनए अणु की पीढ़ी के दौरान वेक्टर में विदेशी डीएनए डाला जा सके।
वेक्टर आकार में अपेक्षाकृत छोटा होना चाहिए।
सबसे अधिक इस्तेमाल किए जाने वाले वेक्टर हैं - प्लास्मिड्स और बैक्टीरियोफेज।

पुनः संयोजकों की पहचान:

सम्मिलन निष्क्रियता:
पुनः संयोजक प्लाज्मिड्स की उपस्थिति के लिए स्क्रीनिंग की सबसे प्रभावी विधि सिद्धांत पर आधारित है कि क्लोन डीएनए टुकड़ा जीन के कोडिंग अनुक्रम को बाधित करता है। इसे सम्मिलित निष्क्रियता कहा जाता है।

उदाहरण के लिए, पुनः संयोजक प्लाज्मिड्स की उपस्थिति के लिए स्क्रीनिंग की शक्तिशाली विधि को ब्लू-व्हाइट चयन के रूप में जाना जाता है। यह विधि वेक्टर पर मौजूद एलएसी जेन जीन के सम्मिलित निष्क्रियता पर आधारित है। एलएसी जेड जीन एंजाइम बीटा-गैलेक्टोसिडेज़ को एन्कोड करता है, जो एक क्रोमोजेनिक सब्सट्रेट को नीले रंग के उत्पाद में फिसल सकता है। यदि इस एलएसी जेड जीन में लक्षित डीएनए टुकड़े को सम्मिलित करके निष्क्रिय किया जाता है, तो नीले रंग के रंग को रोका जाएगा और यह सफेद रंगीन उपनिवेशों को रोक देगा। इस तरह, हम पुनः संयोजक (सफेद रंग) और गैर-पुनः संयोजक (नीले रंग) उपनिवेशों को अलग कर सकते हैं।
सक्षम मेजबान (मेजबान कोशिकाओं में पुनः संयोजक डीएनए का परिचय):
आरडीएनए प्रौद्योगिकी में, जीवित कोशिकाओं में आरडीएनए पेश करने की सबसे आम विधि परिवर्तन है, जिसके दौरान कोशिकाएं आसपास के पर्यावरण से डीएनए लेती हैं।
1) divalent कैल्शियम आयनों के साथ सरल रासायनिक उपचार आरडीएनए प्लाज्मिड लेने के लिए मेजबान कोशिकाओं (सेल दीवार छिद्रों के माध्यम से) की दक्षता बढ़ जाती है।
2) आरडीएनए को बर्फ पर दोनों को सेते हुए होस्ट सेल में भी परिवर्तित किया जा सकता है, इसके बाद उन्हें 42oC (हीट शॉक) पर संक्षेप में रखा जा सकता है, और फिर उन्हें बर्फ पर वापस डाल दिया जाता है। यह बैक्टीरिया को पुनः संयोजक डीएनए लेने में सक्षम बनाता है।
3) माइक्रोइजेक्शन विधि में, आरडीएनए सीधे ग्लास माइक्रोप्रिपेट का उपयोग करके कोशिकाओं के नाभिक में इंजेक्शन दिया जाता है।
4) बायोलॉजिस्टिक्स / जीन बंदूक विधि, इसे जीन / कण बंदूक का उपयोग करके मुख्य रूप से पौधों की कोशिकाओं में आरडीएनए पेश करने के लिए विकसित किया गया है। इस विधि में, सोने / टंगस्टन के माइक्रोस्कोपिक कणों को ब्याज के डीएनए और कोशिकाओं पर बमबारी के साथ लेपित किया जाता है।
5) आखिरी विधि "डिसमर्डेड पैथोजेन" वेक्टर (एग्रोबैक्टेरियम ट्यूमेफासिएंन्स) का उपयोग करती है, जिसे सेल को संक्रमित करने की अनुमति दी जाती है, मेजबान में पुनः संयोजक डीएनए स्थानांतरित करें।

Reombinant डीएनए प्रौद्योगिकी की प्रक्रियाओं:
आरडीएनए प्रौद्योगिकी में विशिष्ट अनुक्रम में कई कदम शामिल हैं जैसे कि,
डीएनए का अलगाव
प्रतिबंध एंडोन्यूक्लियस द्वारा डीएनए का टुकड़ाकरण
वांछित डीएनए टुकड़े का अलगाव
एक वेक्टर में डीएनए टुकड़े का बंधन
मेजबान में पुनः संयोजक डीएनए स्थानांतरित करना
एक माध्यम में मेजबान कोशिकाओं को बड़े पैमाने पर और वांछित उत्पाद के निष्कर्षण पर संवर्धित करना

डीएनए का अलगाव:
डीएनए को मैक्रोमोल्यूल्स के बिना शुद्ध रूप में अलग किया जाना चाहिए। इसलिए कोशिका की दीवार बैक्टीरियल कोशिकाओं / पौधे या पशु ऊतकों के साथ लियोज़ेम (बैक्टीरिया), सेलूलोज़ (पौधों की कोशिकाओं), चिटिनेज (कवक) जैसे एंजाइमों के इलाज से टूट सकती है।

डीएनए को इसके हिस्टोन प्रोटीन और आरएनए से हटा दिया जाना चाहिए। यह हिस्टोन प्रोटीन के लिए आरएनए और प्रोटेसेस के लिए एंजाइम रिबोन्यूक्लिज़ का उपयोग करके हासिल किया जा सकता है।

अंततः शुद्ध डीएनए ठंडा इथेनॉल के अलावा बाहर निकलता है।
डीएनए का टुकड़ा:
प्रतिबंध एंजाइम पाचन प्रतिबंध एंजाइम के साथ शुद्ध डीएनए अणुओं को सेते हुए किया जाता है।
डीएनए एक नकारात्मक चार्ज अणु है, इसलिए यह सकारात्मक इलेक्ट्रोड (एनोड) की ओर बढ़ता है।
स्रोत डीएनए के साथ-साथ वेक्टर डीएनए को एक विशिष्ट प्रतिबंध एंजाइम के साथ काटने के बाद, स्रोत डीएनए से ब्याज की कटौती जीन और अंतरिक्ष के साथ कट वेक्टर मिश्रित होते हैं और लिगेज जोड़ा जाता है। इसके परिणामस्वरूप पुनः संयोजक डीएनए की तैयारी होती है।

पीसीआर का उपयोग कर ब्याज जीन का प्रवर्धन: पीसीआर पॉलीमरेज़ चेन रिएक्शन के लिए खड़ा है। इस प्रतिक्रिया में, प्राइमरों और एंजाइम डीएनए पोलीमरेज़ के दो सेटों का उपयोग करके विट्रो में जीन की कई प्रतियों को विट्रो में संश्लेषित किया जाता है।

डीएनए की प्रतिकृति की प्रक्रिया कई बार दोहराई जाती है, डीएनए का सेगमेंट लगभग अरब गुना बढ़ाया जा सकता है। इस तरह के बार-बार प्रवर्धन एक थीस्टेस्टेबल डीएनए पोलीमरेज़ (ताक डीएनए पॉलीमरेज़ - बैक्टीरिया से अलग, थर्मस एक्वाटिकस) के उपयोग से हासिल किया जाता है। वांछित अगर बढ़ाया टुकड़ा अब आगे क्लोनिंग के लिए एक वेक्टर के साथ लेगेट करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है।

होस्ट सेल / ऑर्गेनिज्म में रीकॉम्बीनेंट डीएनए का सम्मिलन: प्राप्तकर्ता कोशिकाओं में लिगेटेड डीएनए शुरू करने के कई तरीके हैं। यदि एक एंटीबायोटिक (ampicillin) के प्रतिरोध के लिए जीन असर जीन को ईकोली कोशिकाओं में स्थानांतरित किया जाता है, तो मेजबान कोशिकाएं ampicillin-प्रतिरोधी कोशिकाओं में परिवर्तित हो जाती हैं। अगर हम एम्पिसिलिन युक्त अग्र प्लेटों पर परिवर्तित कोशिकाओं को फैलाते हैं, तो केवल ट्रांसफॉर्मेंट बढ़ेगा, असंगत प्राप्तकर्ता कोशिकाएं मर जाएंगी। इस मामले में ampicillin प्रतिरोध जीन एक चयन योग्य मार्कर कहा जाता है।

विदेशी जीन उत्पाद प्राप्त करना: प्रयोगशाला में एक छोटे पैमाने पर ब्याज के क्लोन जीन को बरकरार रखने वाली कोशिकाओं को उगाया जा सकता है। संस्कृतियों का उपयोग वांछित प्रोटीन निकालने के लिए किया जा सकता है और फिर विभिन्न पृथक्करण तकनीकों का उपयोग करके इसे शुद्ध किया जा सकता है।

बायोरेक्टर: बड़ी मात्रा में उत्पादन करने के लिए, बायोरेक्टरों का विकास, जहां संस्कृति की बड़ी मात्रा संसाधित की जा सकती है, की आवश्यकता थी। इस प्रकार, बायोरेक्टरों को जहाजों के रूप में सोचा जा सकता है जिसमें कच्चे माल जैविक रूप से विशिष्ट उत्पादों, व्यक्तिगत एंजाइमों, आदि में परिवर्तित होते हैं, माइक्रोबियल संयंत्र, पशु या मानव कोशिकाओं का उपयोग करते हैं। एक बायोरेक्टर इष्टतम विकास की स्थिति (तापमान, पीएच, सब्सट्रेट, लवण, विटामिन, ऑक्सीजन) प्रदान करके वांछित उत्पाद को प्राप्त करने के लिए इष्टतम स्थितियां प्रदान करता है।

स्टिरर्ड-टैंक रिएक्टर: रिएक्टर सामग्री के मिश्रण को सुविधाजनक बनाने के लिए यह आमतौर पर बेलनाकार या घुमावदार आधार होता है। उत्तेजक पूरे बायोरेक्टर में मिश्रण और ऑक्सीजन की उपलब्धता को भी सुविधा प्रदान करता है। वैकल्पिक रूप से हवा रिएक्टर के माध्यम से बुलबुला किया जा सकता है। बायोरेक्टर में एक आंदोलक प्रणाली, एक ऑक्सीजन वितरण प्रणाली और फोम नियंत्रण प्रणाली, तापमान नियंत्रण प्रणाली, पीएच नियंत्रण प्रणाली और नमूना बंदरगाह होते हैं ताकि संस्कृति के छोटे खंडों को समय-समय पर वापस ले लिया जा सके।

डाउनस्ट्रीम प्रसंस्करण: प्रक्रियाओं में अलगाव और शुद्धिकरण शामिल है, जिन्हें सामूहिक रूप से डाउनस्ट्रीम प्रसंस्करण के रूप में जाना जाता है। प्रत्येक उत्पाद के लिए सख्त गुणवत्ता नियंत्रण परीक्षण भी आवश्यक है