زیست فناوری چیست؟ — به زبان ساده

«زیست فناوری» (Biotechnology) یا بیوتکنولوژی شامل کاربرد سیستم‌های بیولوژيکی موجود در ارگانیسم‌ها یا استفاده از خود ارگانیسم‌های زنده در جهت ایجاد فناوری‌های پیشرفته جهت ارتقا کیفیت زندگی است.

زیست فناوری در زمینه‌های مختلف از کشاورزی تا پزشکی و داروسازی، کاربردهای متنوعی دارد. در واقع بیوتکنولوژی تنها در زمینه‌هایی که مرتبط با موجودات زنده است، کاربرد ندارد بلکه در تمام فعالیت‌هایی که از ارگانیسم‌های زنده یا ترکیبات زیستی برای بهبود و ارتقا کیفیت یک محصول استفاده می‌شود، می‌تواند کاربرد داشته باشد.

زیست فناوری می‌تواند بسیار حیاتی باشد و از آن برای توسعه ابزارهای بسیار کوچک و بیولوژیکی استفاده می‌شود، به طوری که بسیاری از ابزارهای بیوتکنولوژی در سطح سلولی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در ادامه انواع شاخه‌های بیوتکنولوژی، مثال‌ها و کاربردهای متنوع زیست فناوری آورده شده است.

زیست فناوری چیست؟

زیست فناوری را می‌توان به عنوان کاربرد بیولوژی برای حل مشکلات و تولید محصولات بهبود یافته و مفید تعریف کرد. در واقع بیوتکنولوژی، فناوری مبتنی بر زیست شناسی است که فرایندهای سلولی و مولکولی برای توسعه فناوری‌ها و محصولاتی که به بهبود زندگی و سلامت انسان کمک می‌کنند را ایجاد می‌کند.

فیلم آموزش زیست شناسی – پایه دوازدهم رشته تجربی – بخش یکم در فرادرس

کلیک کنید

ما از فرایندهای زیستی میکروارگانیسم‌ها از حدود ۶۰۰۰ هزار سال پیش برای تولید محصولات مفید استفاده می‌کردیم، از جمله محصولاتی که به روش زیستی از دیرباز تاکنون توسط بشر تولید می‌شوند، شامل انواع نان‌های تخمیری، محصولات لبنی مانند پنیر و ماست هستند.

اهمیت زیست فناوری

بیوتکنولوژی در زمینه‌های مختلف اعم از پزشکی بسیار اهمیت دارد، در پزشکی از این علم برای تسهیل در تولید پروتئین‌های درمانی و سایر داروهای بیولوژيکی استفاده می‌شود. انسولین سنتزی، هورمون‌های رشد مصنوعی و تست‌های تشخیصی برای شناسایی بسیاری از بیماری‌ها، تنها نمونه‌های کوچکی از کاربردهای مهم بیوتکنولوژی در پزشکی محسوب می‌شوند. علاوه بر این، تاکنون کاربردهای فناوری زیستی در بخش‌های مختلفی مانند صنایع تصفیه آب، حفظ محیط زیست از آلودگی و تولید محصولات کشاورزی بهبود یافته تایید شده است.

ظهور بیوتکنولوژی مدرن

اولین ابزارهای مولکولی و سلولی فناوری زیستی مدرن، در بین سال‌های ۱۹۶۰ تا ۱۹۷۰ پدید آمدند. نشانه‌های ابتدایی «صنایع بیوتک» (Biotech Industry) در اواسط و اواخر دهه ۱۹۷۰ شکل گرفتند. در این زمان بیوتکنولوژی جدید در مقابل فناوری زیستی کلاسیک و سنتی که در حدود صدها سال پیش به وجودآمده بود، قرار گرفت.

انواع زیست فناوری

زیست فناوری با توجه به کاربردهایی که در زمینه‌های مختلف دارد، در دو شاخه اصلی تقسیم‌بندی می‌شود که در اینجا به معرفی آن‌ها می‌پردازیم.

زیست فناوری پزشکی

«بیوتکنولوژی پزشکی» (Medical Biotechnology) کاربرد سلول‌های زنده و سایر ترکیبات سلولی با هدف بهبود وضعیت سلامت انسان را در بر می‌گیرد. در اصل زیست فناوری برای یافتن راه‌های درمانی جهت معالجه و یا جلوگیری از بیماری‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. این علم شامل استفاده از ابزارها به منظور تحقیق برای یافتن راه‌های مختلف یا کارآمد برای حفظ سلامت انسان، شناخت پاتوژن‌ها و درک زیست شناسی سلول‌های انسانی است.

فیلم آموزش بیوتکنولوژی میکروبی در فرادرس

کلیک کنید

در زیست فناوری از تکنیک‌هایی برای تولید محصولات زیستی دارویی مانند داروهای شیمیایی برای مبارزه با بیماری‌ها استفاده می‌شود. این علم در بردارنده مطالعاتی در زمینه‌های مختلف مانند شناخت باکتری‌ها، سلول‌های گیاهی و جانوری است. زیرا برای استفاده از ارگانیسم‌های زنده در جهت پیشبرد اهداف بیوتکنولوژیکی ابتدا باید این ارگانیسم‌ها به درستی شناخته شوند.

به همین منظور مهم‌ترین زمینه مطالعاتی در این علم، شناخت مولکول DNA است تا از طریق آن بتوان به ماده ژنتیکی سلول‌ها و اطلاعات مربوط به چگونگی سنتز آن‌ها و اندامک‌های مختلف سلولی و در نهایت تولید سلول‌ها دست یافت. با استفاده از این اطلاعات است که می‌توان آرایش ژنتیکی سلول‌ها را دستکاری کرد و خصوصیات مفید آن‌ها را افزایش داد، از جمله محصولات حاصل از دستکاری یا مهندسی ژنتیک در باکتری‌هایی مثل اشرشیا کولی، تولید انبوه انسولین انسانی است. مهندسی ژنتیکی به عنوان شاخه‌ای از بیوتکنولوژی شناخته می‌شود که می‌توان از طریق آن به داروها و درمان‌های جدیدی برای انواع بیماری‌های انسانی دست پیدا کرد.

در ادامه به نمونه‌هایی از محصولات زیست فناوری در شاخه بیوتکنولوژی پزشکی می‌پردازیم.

واکسن‌ها

واکسن‌ها مواد شیمیایی هستند که سیستم ایمنی بدن را تحریک می‌کنند تا هنگام حمله عوامل بیماری‌زا به بدن، سیستم ایمنی بتواند بهتر با پاتوژن‌ها مبارزه کند، واکسن‌ها با وارد کردن نسخه‌های ضعیف شده از بیماری به جریان خون، به این هدف دست می‌یابند. عملکرد واکسن باعث می‌شود بدن با نسخه ضعیف شده از پاتوژن‌های خطرناک روبرو شود و در مقابل آن‌ها پاسخ ایمنی ایجاد کند، در این حالت سیستم ایمنی بدن قادر خواهد بود با تولید آنتی بادی یا پادتن با عامل بیماری‌زا مبارزه کند و با تولید سلول‌های خاطره این آنتی بادی‌ها را برای مواجه مجدد احتمالی با همین پاتوژن در بدن ذخیره کند.

زمانی که فرد در معرض پاتوژن خطرناکی قرار می‌گیرد که قبلا واکسن آن به او تزریق شده است، بدن وی به سرعت پاتوژن را شناسایی کرده و طی مدت زمان کوتاهی قادر به ایجاد پاسخ ایمنی و تولید آنتی بادی در مقابل عامل بیماری‌زا است، زیرا اطلاعات کامل این پاتوژن در بدن ثبت و ذخیره شده‌اند.

استخراج پاتوژن‌های ضعیف شده بیماری‌ها با استفاده از روش‌های بیوتکنولوژیکی نظیر رشد پروتئین‌های آنتی ژنیک در محصولات مهندسی ژنتیکی انجام می‌گیرد. به عنوان مثال می‌توان به توسعه یک واکسن ضد لنفوما اشاره کرد که با استفاده از گیاه تنباکو مهندسی ژنتیکی شده، RNA ویروس بیماری‌زا (عامل سرطانی بدخیم) را تولید می‌کنند که از آن به عنوان آنتی ژن برای قرارگیری در معرض لنفوسیت‌های B سیستم ایمنی بدن مورد استفاده قرار می‌گیرد.

آنتی بیوتیک‌ها

در ساخت آنتی بیوتیک‌هایی که با عوامل بیماری‌زای انسانی مبارزه می‌کنند، تاکنون اقدامات مهمی صورت گرفته است. بسیاری از گیا‌هان برای تولید آنتی بیوتیک کشت داده شده و دستخوش مهندسی ژنتیک قرار گرفته‌اند. این روش نسبت به استفاده از سلول‌ها یا استخراج این آنتی بیوتیک‌ها از حیوانات مقرون به صرفه‌تر است زیرا گیا‌هان می‌توانند این آنتی بیوتیک‌ها را در مقادیر بیشتری تولید کنند.

بیوتکنولوژی کشاورزی

«بیوتکنولوژی کشاورزی» (Agricultural Biotechnology) تمرکز خود را بر روی تولید گیا‌هان اصلاح شده ژنتیکی به منظور افزایش عملکرد محصول یا ایجاد خصوصیات مفید در گیا‌هان به خصوص محصولات زراعی معطوف می‌کند. به عنوان مثال گیاهان اصلاح شده ژنتیکی می‌توانند در مناطقی که نوعی از فاکتور‌های استرس‌زا وجود دارند، مانند خشکی شرایط آب و هوا و وجود آفات، با خصوصیات مقاومتی و مفیدی که در طی اصلاح ژنتیکی کسب کرده‌اند، به رشد خود ادامه دهند.

فیلم آموزش مبانی بیوتکنولوژی گیاهی در فرادرس

کلیک کنید

در برخی موارد، برای تولید گیاهان با خصوصیات مفید، دانشمندان باید مشخصه و صفت مورد نظر را در سایر گیاهان پیدا کنند، سپس ژن تولید کننده این خصوصیت را شناسایی کرده و طی عملیات مهندسی ژنتیک آن را به درون ژنوم یا سلول‌های گیاه مورد نظر وارد کنند. در این حالت با رونویسی از ژن ورودی در سلول‌های گیاه، پروتئین‌های ایجاد صفت مطلوب تولید می‌شود و گیاه در این حالت می‌تواند بازدهی و مقاومت بالاتری نسبت به قبل داشته باشد.

در ادامه به بررسی برخی از نمونه‌های کاربردی بیوتکنولوژی کشاورزی می‌پردازیم.

تولید محصولات مقاوم در برابر آفات

بیوتکنولوژی تکنیک‌هایی را برای ایجاد محصولاتی ارائه کرده است که خصوصیات ضدآفات را به طور طبیعی بیان می‌کنند و باعث می‌شوند که گیاهان در مقابل آفات بسیار مقاوم باشند، در حالیکه در گذشته بدون استفاده از تکنیک‌های مهندسی ژنتیک، برای دفع آفات و مقاوم کردن گیاهان در برابر شرایط نامساعد محیطی، نیاز به استفاده از سموم شیمیایی بود؛ در این حالت علاوه بر خطرات زیست محیطی و آلودگی آب و خاک، این سموم به صورت پایدار در گیاه باقی می‌مانند.

نمونه‌ای از تولید محصولات مقاوم در برابر آفات، ژنی است که از طریق باکتری باسیلوس تورنجینسیس به محصولات زراعی منتقل می‌شود. دلیل استفاده از ژن باکتری این است که باکتری پروتئین سمی به نام (Bt) را تولید می‌کند که در برابر آفات مانند آفت سوارخ کننده ذرت اروپایی بسیار مؤثر است. پروتئین Bt همان صفت مفیدی است که دانشمندان مایل هستند در گیا‌هان ایجاد کنند و به همین دلیل آن‌ها ژن تولید کننده پروتئین Bt را در باکتری شناسایی کرده و آن را به گیاه ذرت منتقل کردند. در این حالت ذرت می‌تواند سم پروتئینی را به طور طبیعی تولید ‌کند و با از بین بردن هزینه تیمار محصولات با سموم دفع آفات، هزینه تولید کاهش می‌یابد.

پرورش گیا‌هان و دامپروری

پرورش انتخابی روشی بوده است كه انسان‌ها از زمان شروع كشاورزی و دامداری به آن اشتغال داشتند. این عمل شامل انتخاب حیوانات با مطلوب‌ترین خصوصیات برای پرورش و آمیزش با یکدیگر است تا فرزندان حاصل از آن‌ها نیز این خصوصیات مطلوب را بیان کنند. از این خصوصیات مطلوب می‌توان به حیوانات بزرگتر، حیوانات مقاوم در برابر بیماری و حیوانات اهلی‌تر اشاره کرد و همه این‌ها برای دستیابی به فرایند پرورش و دامداری که تا حد ممکن سودآور باشد، لازم است.

همین عمل یعنی تولید و پرورش دام‌هایی با خصوصیات مطلوب در بیوتکنولوژی به سطح مولکولی منتقل شده است. صفات مطلوب مختلفی در بین حیوانات انتخاب شده و پس از مشخص شدن نشانگر‌های ژنتیکی، حیوانات و گیا‌هانی با آن صفات انتخاب شده و برای انتقال صفات مطلوب به نسل بعد پرورش و آمیزش می‌یابند. درک ژنومی ‌از این صفات همان چیزی است که تصمیم‌گیری را در مورد اینکه آیا صفات مورد نظر به عنوان صفات مغلوب بیان می‌شوند یا به طور کلی بیان نمی‌شوند را آسان می‌کند و دانشمندان را از نتیجه آمیزش جانداران آگاه می‌کند.

این اطلاعات پایه و اساس تصمیم‌گیری‌های آگا‌هانه را برای افزایش توانایی دانشمندان در پیش بینی بیان ژن‌ها فراهم می‌کند. به عنوان نمونه‌ای از تولید این گونه گیاهان می‌توان به تولید گل‌هایی اشاره کرد که در آن‌ها صفاتی مانند رنگ و میزان عطر تقویت می‌شود.

کاربرد‌های بیوتکنولوژی

همان طور که در بالا مطرح شد، استفاده از زیست فناوری در بخش‌های مختلف مانند صنعت، کشاورزی و پزشکی گسترش پیدا کرده است. در این بخش به برخی از مهم‌ترین کاربردهای این علم در زندگی انسان اشاره می‌شود.

فیلم مجموعه آموزش زیست شناسی – از دروس دانشگاهی تا کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

مکمل‌های مواد مغذی

یکی از بزرگترین کاربرد‌های بیوتکنولوژی غنی کردن مواد غذایی با استفاده از ریز مغذی‌ها، ویتامین‌ها و عناصر مفید است. این مواد غذایی می‌توانند نیاز بسیاری از افراد که قادر به دریافت ترکیبات مورد نیاز خود به صورت طبیعی از رژیم غذایی نیستند را تامین کنند. نمونه‌ای از این کاربرد، تولید «برنج طلایی» (Golden Rice) است که در آن برنج با آنتی اکسیدان بتاکاروتن غنی می‌شود. در این حالت برنج دارای پیش ساز ویتامین A است که بدن به راحتی می‌تواند از آن استفاده کند.

مقاومت در برابر استرس ابیوتیک یا غیرزنده

در حالت کلی کره زمین دارای تعداد محدودی زمین قابل کشت است و براساس برخی مطالعات مشخص شده است که تقریبا ۲۰ درصد وسعت خاکی کره زمین امکان کشت را فراهم می‌آورد. با افزایش جمعیت جهان، نیاز به منابع غذایی موجود برای تولید هر چه بیشتر غذا در کمترین زمان ممکن وجود دارد.

همچنین لازم است که بتوانیم محصولات زراعی تولید کنیم که بتوانند در زمین‌های بایر و غیر‌قابل کشت زمین رشد کنند؛ در این صورت از وسعت بیشتری از خاک کره زمین می‌توان استفاده کرد و سطح زیر کشت محصولات کشاورزی افزایش می‌یابد.

این بدان معناست که نیاز به تولید محصولات زراعی وجود دارد که بتوانند این تنش‌های غیرزنده مانند شوری، خشکسالی و یخبندان ناشی از سرما را تحمل کنند. به عنوان مثال، در آفریقا و خاورمیانه، مناطقی که اغلب دارای آب و هوا و شرایط محیطی سختی برای رشد گیاهان هستند، این عمل نقش مهمی ‌در توسعه محصولاتی دارد که می‌توانند در برابر آب و هوای نامساعد حاکم در این مناطق مقاومت کرده و رشد کنند.

بیوتکنولوژی صنعتی

کاربرد‌های صنعتی بیوتکنولوژی از تولید ساختار‌های سلولی گرفته تا تولید عناصر بیولوژیکی برای مصارف بی‌شمار را در بر می‌گیرد. از نمونه‌های تولیدات در صنایع بیوتکنولوژی می‌توان به تولید نوشیدنی‌های تخمیری، ساخت شوینده‌ها و دترجنت‌هایی با کارایی بالا، تولید محصولات بهداشت شخصی متناسب با ویژگی‌های بیولوژیکی، تهیه نان‌های حجیم با استفاده از مخمرها و آنزیم‌های زیستی و .. اشاره کرد.

الیاف مقاوم

یكی از موادی كه بیشترین مقاومت كششی را دارد، تار‌های عنكبوت است. در بین سایر مواد با همان سطح مقطع، شبکه‌های تارهای عنکبوت می‌توانند قبل از شکسته شدن و گسستن، نیروی کششی حتی بیشتر از فولاد را تحمل کنند. ابریشم تارهای عنکبوت به دلیل خواص منحصر به فردی که دارد، توجه زیادی را در صنایع مختلف به خود جلب کرده است، به طوری که در مراکز ساخت لباس‌های جنگی از ابریشم تارهای عنکبوت برای تولید جلیقه‌های ضدگلوله استفاده می‌شود. در گذشته در تمام مواردی که نیاز به استحکام و مقاومت پارچه بود، الیافی با نام تجاری «کولار» (Kevlar) (ماده‌ای که از الیاف پارا آمید سبک و قوی تشکیل شده و در ساخت زره بدن به کار می‌رود) مورد استفاده قرار می‌گرفت. با توجه به مطالعات انجام گرفته، ابریشم حاصل از تارهای عنکبوت مقاوم‌تر از الیاف کولار است و گزینه بهتری برای جلیقه‌های ضد گلوله به شمار می‌آیند.

با استفاده از تکنیک‌های زیست فناوری ژن‌های مربوط به تولید تار در عنکبوت مورد شناسایی قرار گرفت و این ژن‌ها را به بز منتقل کردند تا پروتئین‌های تولید تارهای عنکبوت را از طریق شیر بز بتوانند دریافت کنند. با این ابتکار عمل، تولید تارهای عنکبوت آسان‌تر شده و میزان و سرعت تولید آن افزایش می‌یابد، زیرا بز‌ها نسبت به عنکبوت‌ها بسیار ساده‌تر قابل کنترل هستند و تولید ابریشم از طریق شیر نیز در ساخت، پردازش و تولید آن در مقایسه با استفاده از رشته‌های ابریشمی تارهای عنکبوت ‌بسیار ساده‌تر قابل انجام است.

سوخت‌های زیستی

سوخت‌های زیستی یکی از بزرگترین کاربرد‌های بیوتکنولوژی در بخش تولید انرژی است. با توجه به نگرانی از کاهش منابع نفتی جهان و تأثیرات زیست محیطی مرتبط با آن‌ها، با یافتن منابع سوخت جایگزین سازگار با محیط زیست، می‌توان از بحران انرژی پیش‌رو جلوگیری کرد. بیوتکنولوژی با پیشرفت‌هایی مانند استفاده از ذرت به منظور تولید سوخت قابل احتراق برای موتور‌های خودرو‌ها، این امکان را فراهم می‌کند که بتوان از جایگزینی پاک برای سوخت‌های فسیلی استفاده کرد. این سوخت‌ها برای محیط زیست مناسب هستند زیرا گاز‌های گلخانه‌ای تولید نمی‌کنند.

بهداشت و درمان

همان طور که پیش‌تر نیز بحث شد، از زیست فناوری در جهت ارتقا کیفیت خدمات بهداشتی و درمانی در پزشکی می‌توان استفاده کرد. بیوتکنولوژی در تولید داروهای زیستی موثر، روش‌های درمانی نوین مانند ژن درمانی و دارورسانی هوشمند به پیشرفت بهداشت و درمان کمک شایانی کرده است.