जैवप्रौद्योगिकीय नवाचार पिछले लगभग 10 वर्षों से लगातार बढ़े हैं और कृषि, चिकित्सा विज्ञान, पर्यावरण और ऊर्जा में मानव जीवन को लाभ पहुँचाया है। इन तकनीकी नवाचारों में जीएम फसलें, निदान, तेल खा सकने वाले जीवाणु, प्रत्यारोपण के लिए प्रयोगशालाओं में मानव अंगों की वृद्धि और जैवईंधन में प्रगति शामिल हैं, जो हमारे राष्ट्र के कार्बन पदचिह्न को कम करने में मदद कर सकते हैं। नवाचार जैवगैस ऊर्जा प्रौद्योगिकी की लागत प्रभावशीलता और संसाधन दक्षता को एक सतत तरीके से बेहतर बनाने में मदद कर सकते हैं। अब हमारे पास प्रयोगशालाओं में उगाए गए पौधे और मांस भी हैं, जिन्हें स्वाद और रूप के विशिष्ट तरीके से आनुवंशिक रूप से नियंत्रित किया जा सकता है, जो सिंथेटिक जीव विज्ञान के महत्व को दर्शाता है।

12.1 पर्यावरणीय जैवप्रौद्योगिकी

जब से 1750 के दशक में औद्योगिक क्रांति शुरू हुई, तब से विभिन्न क्षेत्रों में उद्योगों की संख्या घातीय रूप से बढ़ी है। इसके साथ ही वातावरण का अभूतपूर्व क्षरण हुआ, जिससे वायु, जल और मिट्टी को भारी धातुओं, कीटनाशकों, रंगों, कार्बन डाइऑक्साइड और अन्य ग्रीनहाउस तथा विषैली गैसों, सूक्ष्म प्रदूषकों आदि से प्रदूषित किया गया।

इसके अतिरिक्त पर्यावरणीय क्षरण की समस्या के साथ-साथ अब अपरिहार्य हो गया है कि हम अनवीकरणीय जीवाश्म ईंधनों के लिए विकल्प खोजें या उनके निष्कर्षण और उपयोग के अधिक दक्ष तरीके खोजें। जैवप्रौद्योगिकी व्यवहार्य विकल्प प्रदान करती है, मुख्यतः इसलिए कि यह पर्यावरण-अनुकूल है और प्राकृतिक तंत्रों का उपयोग करती है। पर्यावरणीय जैवप्रौद्योगिकी में विभिन्न प्रकार के जैविक तंत्रों—चाहे वे प्राकृतिक रूप से पाए जाते हों या जेनेटिकली इंजीनियर्ड—का उपयोग किया जाता है।

पर्यावरणीय जैवप्रौद्योगिकी के क्षेत्र में मूलभूत अवधारणाएँ और दृष्टिकोण हैं—जैविक उपचार (जिसमें अपशिष्ट उपचार, विघटन, वर्मी-टेक्नोलॉजी आदि जैसे विस्तृत अनुप्रयोग शामिल हैं), पर्यावरणीय समस्याओं की रोकथाम, दूषकों का पता लगाना और निगरानी तथा जेनेटिक इंजीनियरिंग। आपने जैविक उपचार के बारे में इकाई IV के अध्याय 11 में पढ़ा है। इस खंड में ध्यान दूसरे पहलू—रोकथाम—पर केंद्रित होगा और यह मुख्यतः जैवईंधनों के उत्पादन तथा जैव-विघटन और जैव-विघटनीय उत्पादों के निर्माण के क्षेत्र में अवसरों से संबंधित होगा।

12.1.1 जैवईंधन

बायोफ्यूल वे ईंधन हैं जो जैविक उत्पादों से बनाए जाते हैं, जो जीवित जीव हो सकते हैं या जैविक उत्पादों से उत्पन्न अपशिष्ट से, जैसे कि लैंडफिल से, रीसायकल किए गए वनस्पति तेल आदि। कई स्थानों पर विशिष्ट फसलें, जैसे कि सोयाबीन, जatropha, पोंगामिया, पाम ऑयल, शैवाल आदि, ईंधन उत्पादन के लिए उगाई जाती हैं। ऐसी फसलों से बने ईंधन को बायोफ्यूल या एग्रोफ्यूल कहा जाता है। उनकी विशेषताओं के आधार पर, बायोफ्यूल को मुख्य रूप से बायोडीज़ल, बायोअल्कोहल, बायोगैस और विभिन्न रूपों में बायोमास में विभाजित किया जा सकता है।

बायोडीज़ल

बायोडीज़ल कच्चे माल जैसे कि जानवरों की चर्बी, वनस्पति तेल, बेकार पकाने का तेल, सोयाबीन, रेपसीड, जatropha, सरसों, अलसी, सूरजमुखी, पाम ऑयल, केनोला, भांग, फील्ड पेन्नीक्रेस, पोंगामिया पिनाटा, शैवाल आदि से ट्रांस-एस्टेरिफिकेशन नामक प्रक्रिया द्वारा बनाया जाता है। यद्यपि कई यूरोपीय देशों में 5 प्रतिशत बायोडीज़ल मिश्रण व्यापक रूप से प्रयोग किया जाता है, इसे इसके शुद्ध रूप में भी प्रयोग किया जा सकता है बिना इसे जीवाश्म डीज़ल के साथ मिलाए। बायोडीज़ल का लाभ यह है कि इसमें जीवाश्म ईंधनों की तुलना में अधिक हाइड्रोजन और ऑक्सीजन होता है और कम कार्बन होता है। यह बायोडीज़ल के दहन में सुधार करता है और जले हुए कार्बन से होने वाले कण उत्सर्जन को कम करता है। बायोडीज़ल का एक और लाभ यह है कि इसे नियमित डीज़ल इंजनों में बिना किसी बदलाव या संशोधन के सीधे प्रयोग किया जा सकता है।

बायोअल्कोहल

बायोअल्कोहल, जैसे कि बायोएथेनॉल, गेहूं, मकई, गन्ना, मोलासिस, चुकंदर, आलू, फलों के अपशिष्ट आदि से किण्वन प्रक्रिया द्वारा उत्पादित किए जाते हैं। बायोअल्कोहल के उत्पादन के मूलभूत चरणों में उपचार शामिल होते हैं जो संग्रहित स्टार्च या सेल्यूलोज से शर्करा को मुक्त करते हैं, फिर सूक्ष्मजीवों द्वारा शर्करा का किण्वन, आसवन और सुखाना होता है।

बॉक्स 1: पेट्रोल में एथेनॉल मिश्रण

एथेनॉल का उपयोग महाद्वीपों भर में व्यापक रूप से किया जाता है। यद्यपि इसे पेट्रोल के साथ किसी भी प्रतिशत में मिलाया जा सकता है, मिश्रण प्रतिशत भिन्न होता है और लगभग $2 %$ से लगभग $30 %$ तक होता है, जो देश द्वारा अपनाए गए मानकों पर निर्भर करता है। भारत में, सरकार ने तेल विपणन कंपनियों को $10 %$ तक एथेनॉल प्रतिशत के साथ एथेनॉल मिश्रित पेट्रोल बेचने की अनुमति दी है। भारतीय मानक ब्यूरो (BIS) विनिर्देश पूरे देश में कुल मिलाकर 5% एथेनॉल मिश्रण हासिल करने की सिफारिश करता है। जितना अधिक एथेनॉल मिलाया जाता है, उतना ही कम जीवाश्म ईंधन की खपत होगी। इसके अतिरिक्त, एथेनॉल नवीकरणीय है और कार्बन डाइऑक्साइड तथा अन्य ग्रीनहाउस गैस उत्सर्जन को भी कम करता है। हालांकि, एथेनॉल के उपयोग में व्यावहारिक समस्याएं हैं, जैसे इंजन की कम दक्षता। यह इंजनों को स्टार्ट करना कठिन बनाता है और स्पटरिंग तथा कार्बुरेटर में एल्युमिनियम के ऑक्सीकरण का कारण बनता है। आगे, यह इंजन के इस्पात घटकों को जंग लगने का कारण बनता है। इस समस्या को दूर करने के लिए, ऑटोमोबाइल निर्माताओं को इंजन में आवश्यक परिवर्तन करने होते हैं।

जहाँ तक बायोफ्यूल के स्रोत का सवाल है, सूक्ष्म शैवाल और बड़े शैवाल इस उद्देश्य के लिए खोजे जा रहे हैं। सूक्ष्म शैवाल में सूक्ष्म प्रकाशसंश्लेषी रूप शामिल हैं, और बड़े शैवाल बड़े बहुकोशिकीय पौधे जैसे जीव होते हैं, जिन्हें सामान्यतः समुद्री शैवाल कहा जाता है। समुद्री शैवालों की विभिन्न किस्मों में तेल और चीनी की मात्रा भिन्न-भिन्न होती है। शैवालों से बायोफ्यूल के द्रव्यमान उत्पादन की खोज कई कारणों से की जा रही है, जैसे कि इसे उगाने और काटने में आसानी होती है। यह नवीकरणीय है क्योंकि इसे वर्ष दर वर्ष उगाया और काटा जा सकता है, और यह दोनों बायोअल्कोहल और बायोडीज़ल उत्पन्न कर सकता है, यह खाद्य नहीं है और

हाल की जैवप्रौद्योगिकी में नवाचार… मकई, गन्ना, सोयाबीन और अन्य स्रोतों के विकल्प के रूप में काम कर सकता है जिन्हें भोजन के रूप में भी उपभोग किया जाता है। यह दृष्टिकोण से भी महत्वपूर्ण है कि कृषि क्षेत्रों का बढ़ता हुआ उपयोग बायोफ्यूल या बायोडीज़ल उत्पादन के लिए किया जाएगा जो मानव उपभोग के लिए खाद्य उत्पादन को प्रतिकूल रूप से प्रभावित करेगा। हालांकि, बायोफ्यूल उत्पादन के लिए शैवालों के उपयोग के लाभों के बावजूद, वर्तमान में यह अभी भी लागत-प्रभावी नहीं है और ऐसी चुनौतियों को दूर करने के लिए अनुसंधान जारी है।

बायोगैस

बायोगैस एक उपयोगी ऊर्जा स्रोत या बायोफ्यूल है जो जैसे जैविक पदार्थों—गोबर, नाइट सॉयल अपशिष्ट, खाद, फसलें, जैविक औद्योगिक अपशिष्ट, वेस्ट वॉटर आदि—से बनता है और इसमें मुख्यतः मीथेन व कार्बन डाइऑक्साइड होते हैं। यह जैविक सामग्री के जीवाणुओं द्वारा ऐनारोबिक (वायुरहित) परिस्थितियों में विघटन से उत्पन्न होता है। यह प्रक्रिया एक ऐनारोबिक डाइजेस्टर में होती है और सूक्ष्मजीवों के अनुकूल परिस्थितियाँ बनाकर तेज की जाती है, जिससे सामग्री का अत्यंत कुशलता से विघटन होता है।

बायोगैस नवीकरणीय ऊर्जा के विकसित होते बाज़ार में एक प्रमुख भूमिका निभा सकता है। अगले पाँच वर्षों में बायोगैस के उपयोग के दोगुना होने की उम्मीद है। बायोगैस उत्पादन तीन महत्वपूर्ण कार्य करता है: अपशिष्ट निष्कासन, पर्यावरण प्रबंधन और ऊर्जा उत्पादन।

भारत में राष्ट्रीय बायोगैस एवं खाद प्रबंधन कार्यक्रम के तहत नवीन एवं नवीकरणीय ऊर्जा मंत्रालय ने देशभर में लगभग 49.3 लाख बायोगैस संयंत्र लगाए हैं, जिनमें क्रायोजेनिक पृथक्करण, इन-सिटु अपग्रेडिंग, हाइड्रेट पृथक्करण और जैविक विधियाँ जैसी नवीन तकनीकों को शामिल किया गया है। बायोगैस संयंत्र को फीड सामग्री वाले घरों के लिए सबसे सतत विकल्प माना जाता है ताकि वे खाना पकाने की गैस के लिए आत्मनिर्भर बनें और अत्यधिक जैविक समृद्ध बायो-खाद प्राप्त करें। यह घरों को इनडोर वायु प्रदूषण की समस्या से बचाते हुए एलपीजी सिलेंडर रिफिलिंग की लागत भी बचाने का समाधान देता है। बायोगैस को नवीकरणीय और सतत ऊर्जा का भविष्य माना जाता है।

इसके कई लाभों के बावजूद, इसके उत्पादन की विधि को अभी तक सरल बनाने और सुधारने के लिए परिपूर्ण नहीं बनाया गया है ताकि बायोगैस उत्पादन की प्रक्रिया को अधिक कुशल और उपयोगकर्ता-अनुकूल बनाया जा सके। यह पाया गया है कि जब बायोगैस को जैव ईंधन के रूप में वाहनों में प्रयोग किया जाता है, तो यह इंजन के धातु के भागों को संक्षारित करके वाहनों को नुकसान पहुंचाता है। इससे रखरखाव की लागत काफी बढ़ जाती है।

बायोमास

बायोमास, या ठोस जैव ईंधन, ऊर्जा का एक महत्वपूर्ण स्रोत हैं, विशेष रूप से समाज के आर्थिक रूप से कमजोर वर्ग के लिए। ठोस जैव ईंधनों के कुछ उदाहरण हैं लकड़ी, आरा धूल, कोयला, घास की कतरनें, घरेलू कचरा, चारकोल, कृषि अपशिष्ट, गैर-खाद्य ऊर्जा फसलें, सूखा हुआ गोबर आदि। अधिकांश उपलब्ध बायोमास को सीधे चूल्हे, भट्टी, अंगीठी आदि पर सुविधाजनक रूप से प्रयोग किया जा सकता है। बायोमास के कुछ रूप जैसे आरा धूल, लकड़ी के टुकड़े और अन्य कृषि अपशिष्ट पेलेट में परिवर्तित करना पसंद किया जाता है। गाय के गोबर के उपले ठोस जैव ईंधन का एक अन्य लोकप्रिय रूप हैं। हालांकि, बायोमास या ठोस जैव ईंधन के दहन के साथ जो समस्या आती है वह यह है कि यह कणीय पदार्थों और बहु-चक्रिक एरोमैटिक हाइड्रोकार्बन (PAHs) जैसे पर्याप्त मात्रा में प्रदूषकों का उत्सर्जन करता है, जो स्वास्थ्य के लिए हानिकारक हैं।

12.1.2 जैव-अपघटन

प्राकृतिक अपशिष्ट प्रबंधन और पुनर्चक्रण प्रणाली यार्ड अपशिष्ट से लेकर कच्चे तेल तक सब कुछ तोड़ देती है, ग्रह को स्वच्छ और स्वस्थ बनाए रखती है। जनसंख्या में वृद्धि के कारण अपशिष्टों के ढेर उत्पन्न हुए हैं, जिनमें से कई अजैव-अपघटनीय हैं, जैसे प्लास्टिक और फ्लोरीनयुक्त कार्बन, जिनके विघटित होने में सैकड़ों वर्ष लगते हैं। ऐसे अजैव-अपघटनीय पदार्थों को तोड़ने वाले सूक्ष्मजीवों की पहचान की गई है। उदाहरण के लिए, वैज्ञानिकों ने बैक्टीरिया की एक तनाव की खोज की है जो सचमुच प्लास्टिक खा सकता है। उन्होंने ऐसे बैक्टीरिया की इस गतिविधि को बेहतर बनाने के तरीके भी खोजे हैं ताकि कार्य तेजी से किया जा सके। हालांकि, यह प्रौद्योगिकी अभी भी विकासशील है, लेकिन यह पर्यावरण-अनुकूल पुनर्चक्रण के लिए आशाजनक है।

बायोप्लास्टिक्स

अजैविक रूप से विघटनीय उत्पादों को कम करने का एक विकल्प जैविक पदार्थों से बने सामग्रियों का उत्पादन है। उदाहरण के लिए, डिस्पोजेबल या एकल उपयोग वाले उत्पादों के निर्माण में स्टायरोफोम या प्लास्टिक के बजाय पौधों की सामग्रियों जैसे पत्तियाँ, बांस, लकड़ी के टुकड़े, मकई का स्टार्च, समुद्री शैवाल और प्राकृतिक जैवबहुलक, जैसे पॉलीसैकेराइड, प्रोटीन या लिग्निन, प्राकृतिक रबर आदि का उपयोग किया जा सकता है। चूँकि प्लास्टिक जीवाश्म ईंधनों से बनाया जाता है, प्लास्टिक उत्पादों को समाप्त करने के ऐसे दृष्टिकोण जीवाश्म ईंधनों के उपयोग को कम करने में मदद करेंगे और इस प्रकार प्लास्टिक आधारित प्रदूषकों को कम करेंगे। यद्यपि प्लास्टिक उत्पादों को बनाने के लिए $10 %$ से कम तेल का उपयोग होता है, यह पर्यावरण पर इसके प्रभाव को देखते हुए महत्वपूर्ण है। जैवप्लास्टिक उत्पादन के क्षेत्र में भी तकनीकी नवाचार किए गए हैं। 1999 में, आनुवंशिक रूप से संशोधित पौधों के बीजों और पत्तियों से जैवबहुलकों का उत्पादन स्थापित किया गया था जो पेट्रोरसायन से बने बहुलकों के साथ आर्थिक रूप से प्रतिस्पर्धी है। जैवविघटनीय प्लास्टिक, उदाहरण के लिए, पॉलीहाइड्रॉक्सीब्यूटिरेट (PHB) को Alcaligenes eutropus नामक जीवाणु के साथ किण्वन द्वारा व्यावसायिक रूप से उत्पादित किया जा रहा है, और इसे ट्रांसजेनिक पौधों में उत्पादित किया जा सकता है। आनुवंशिक रूप से इंजीनियर्ड Arabidopsis पौधे का उपयोग PHB उत्पादन को बढ़ाने के लिए किया जा सकता है क्योंकि A. eutropus से PHB संश्लेषण में शामिल तीन जीनों ने उनके क्लोरोप्लास्ट में PHB गोलियाँ उत्पन्न कीं बिना पौधे की वृद्धि और विकास को प्रभावित किए। PHB का बड़े पैमाने पर उत्पादन पौधों जैसे पोपुलस की पत्तियों का उपयोग करके किया जा सकता है, एकमात्र सीमा इसकी उच्च लागत है जो संश्लेषित बहुलकों की तुलना में अधिक है।

कागज उद्योग में जैवप्रौद्योगिकी

पल्प बनाना कागज निर्माण का एक महत्वपूर्ण चरण है जिसमें लकड़ी के टुकड़ों को कॉस्टिक सोडा और सल्फर का उपयोग कर दबाव के साथ गर्म करके पकाया जाता है। इस प्रक्रिया के दौरान लिग्निन को सेल्युलोज़ रेशों से अलग किया जाता है। बायोपल्पिंग (लकड़ी के टुकड़ों का लिग्निन को नष्ट करने वाले कवकों से उपचार) पल्प बनाने की प्रभावशीलता को बढ़ाता है, जिसस�र्जा और रसायनों की मांग घटती है, कागज की गुणवत्ता में सुधार होता है और अंततः पल्प उत्पादन के पर्यावरणीय प्रभाव में कमी आती है। इस तरह की दक्षता बढ़ाकर यह कच्चे माल, ऊर्जा, रसायनों आदि के संरक्षण में मदद करता है। दूसरी ओर, जीएम पेड़ जो कम लिग्निन उत्पन्न करते हैं, पल्प बनाने की प्रक्रिया को आसान बनाने के लिए एक आशाजनक समाधान माने जा रहे हैं। जैसे बायोपल्पिंग के मामले में, बायोब्लीचिंग भी ज़ायलेनेज़ जैसे एंजाइमों का उपयोग कर ब्लीचिंग में क्लोरीन के उपयोग को कम करता है। हालांकि, कागज उद्योगों के लिए लकड़ी प्राप्त करने के लिए वनों की कटाई के प्रभावों को देखते हुए, वैकल्पिक समाधानों की भी खोज की जा रही है ताकि कागज निर्माण में लकड़ी के उपयोग को पूरी तरह से बदला जा सके। बगैस, बांस, जूट, भांग, एस्पार्टो, सन, घास, केनाफ या रीड आदि जैसी गैर-लकड़ी सामग्रियों का अब कागज बनाने में उपयोग किया जाता है, जिसमें जैवप्रौद्योगिकी कागज उद्योग में बहुत योगदान देती है।

तेल वसूली में जैवप्रौद्योगिकी

सूक्ष्मजीव प्रौद्योगिकियों का उपयोग भी उन्नत तेल पुनर्प्राप्ति (EOR) में किया जा रहा है। EOR तेल उत्पादन का एक चरण है, जिसमें प्रारंभिक दो चरणों (प्राथमिक और द्वितीयक चरणों) से शेष तेल को निकालना शामिल होता है। उपयुक्त सूक्ष्मजीवों और उनके चयापचय उत्पादों के उपयोग से EOR की दक्षता बढ़ाई जा सकती है। हाइड्रोकार्बन पर जीवाणुओं के भोजन करने की क्षमता का उपयोग तेल रिसाव के बाद सफाई के लिए भी किया गया है। ये तेल खाने वाले सूक्ष्मजीव पारिस्थितिकी तंत्र को बनाए रखने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। एक आनुवंशिक रूप से इंजीनियर किया गया Pseudomonas जीवाणु भी विकसित किया गया है, जिसे तेल रिसाव को ‘खाने’ के लिए उपयोग किया जा सकता है। ऐसे ‘सुपरबग्स’ के पर्यावरणीय लाभ अत्यधिक हैं। सुपरबग निर्माण के विवरण अध्याय 11 के बॉक्स 10 में दिए गए हैं।

12.1.3 जैविक उपचार

जैविक उपचार ने जैवप्रौद्योगिकी में प्रगति के साथ महत्व प्राप्त किया है, विशेष रूप से पर्यावरणीय पुनर्स्थापना, जहाँ रासायनिक प्रदूषकों के कारण होने वाली विषाक्तता को कम करने के लिए सूक्ष्मजीवों का उपयोग किया जाता है, जिनमें मिट्टी या पानी में भारी धातुएँ जैसे As, Cr, Hg, Cd, Zn आदि शामिल हैं। दूषित अपशिष्टों के उपचार के लिए सबसे उपयुक्त रणनीति चुनते समय तीन प्रमुख सिद्धांतों पर विचार किया जाना चाहिए:

(1) प्रदूषक के कम विषाक्त उत्पादों में जैविक रूपांतरण की संभावना।

(2) सूक्ष्मजीवों के लिए दूषित पदार्थ की जैव उपलब्धता, और

(3) जैव-क्रियाकलाप की दक्षता।

हाल के वर्षों में जैव-विघटन के आण्विक आनुवंशिकी में प्रगति और पुनः-संयोजक डीएनए-आरएनए प्रौद्योगिकियों के माध्यम से एंजाइम-अनुकूलन पर अध्ययनों का उपयोग दूषित स्थलों से भारी धातुओं और विषैले रसायनों को हटाने के लिए किया जा रहा है। जैव-शुद्धिकरण (Bioremediation) पर विस्तार से चर्चा अध्याय 11 में की गई है।

12.2 पादप जैवप्रौद्योगिकी

पादप जैवप्रौद्योगिकी जैसे जीएम प्रौद्योगिकी और आण्विक-सहायक प्रजनन ने ऐसे उत्पाद तैयार किए हैं जिन्होंने अधिक टिकाऊ तरीके से उत्पादन में वृद्धि हासिल करने में मदद की है। फार्मास्युटिकल्स, पुनः-संयोजक चिकित्सीय प्रोटीन, पादप-निर्मित फार्मास्युटिकल्स, ट्रांसजेनिक पादप, कृत्रिम बीज और पादप-निर्मित वैक्सीन या एंटीबॉडी (plantibodies) का विकास वर्तमान में पादप विज्ञान में उन्नत अनुसंधान के अधीन हैं। हाल ही में, फसल सुधारों के लिए जीनोम संपादन तकनीक अर्थात् CRISPR-Cas9 के उपयोग के प्रयास किए जा रहे हैं।

12.2.1. जीएम फसलों के माध्यम से पादप जैवप्रौद्योगिकी में नवाचार

आपने इस पुस्तक के अध्याय 4 में जीएम फसलों और उनके अनुप्रयोगों के बारे में पहले ही पढ़ा है। लगभग 29 देशों ने जीएम फसलों को अपनाया है, जिनमें सोयाबीन, मक्का, कपास और कैनोला प्रमुख फसलें हैं। प्रारंभ में विकसित ट्रांसजेनिक तकनीक खरपतवारों और कीटों के नियंत्रण तक सीमित थी, जबकि दूसरी पीढ़ी की जीएम फसलों ने किसानों की सहायता की है ऐसे पौधों के उत्पादन में जो अजैविक तनाव को सहन कर सकते हैं, पोषण संबंधी विशेषताओं में सुधार रखते हैं, पौधों और प्रजातियों के बीच लैंगिक असंगतता को दूर कर सकते हैं, और ऐसी बाधाओं को पार कर सकते हैं जो जीवाणुओं, कवक या अन्य पौधों और वायरस जैसे असंबंधित जीवों से जीनों के परिचय की अनुमति देती हैं। जीएम फसलों के माध्यम से पौधा जैवप्रौद्योगिकी में किए गए नवाचार निम्नलिखित खंडों में विभिन्न शीर्षकों के तहत वर्णित हैं।

हर्बिसाइड सहिष्णु जीएम फसलें: खरपतवार (अनचाहे स्थानों पर उगने वाले पौधे, जैसे स्ट्राइगा) फसल की पैदावार और गुणवत्ता को घटाते हैं, मुख्यतः फसल के पौधों के साथ प्रकाश, पानी और पोषक तत्वों के लिए प्रतिस्पर्धा करके। किसान खेतों में खरपतवारों को नष्ट करने के लिए हर्बिसाइड या वीडनाशी (जैसे ग्लाइफोसेट) का प्रयोग करते हैं, लेकिन इससे मुख्य समस्या यह है कि ये हर्बिसाइड गैर-चयनात्मक होने के कारण फसल के पौधों को भी नुकसान पहुँचाते हैं। नई तकनीकों, जो जैवप्रौद्योगिकी उपकरणों पर आधारित हैं, को विकसित किया गया है जो खरपतवार प्रबंधन के साथ-साथ पैदावार और आय बढ़ाने में भी काफी प्रभावी हैं। खरपतवार नियंत्रण के लिए कई जैवप्रौद्योगिकी रणनीतियाँ हैं, लेकिन सबसे अधिक प्रयोग की जाने वाली विधि लक्षित फसल में हर्बिसाइड लक्ष्य एंजाइम (आमतौर पर क्लोरोप्लास्ट में) का अत्यधिक उत्पादन है, ताकि वह हर्बिसाइड के प्रति असंवेदनशील हो जाए। इस दृष्टिकोण का लोकप्रिय उदाहरण है एग्रोबैक्टीरियम से प्राप्त एक संशोधित जीन का फसल पौधों में प्रवेश कराना, जो एक प्रतिरोधी रूप वाले एंजाइम को कोड करता है, जिससे सबसे अधिक प्रयोग होने वाले हर्बिसाइड ग्लाइफोसेट (जिसे राउंडअप के नाम से बेचा जाता है) के प्रति सहिष्णुता आ जाती है, जो कई खरपतवारों के खिलाफ प्रभावी है। राउंडअप रेडी जीएम फसल पौधे, जैसे रेपसीड, सोयाबीन, मक्का और कपास, जो ग्लाइफोसेट के प्रति सहिष्णु हैं, पहले ही वाणिज्यिक रूप से उपलब्ध हैं।

रोग प्रतिरोधी जीएम फसलें

वायरस, कवक, जीवाणु, कीट, माइट और पौधे निमेटोडों के कारण होने वाली विस्तृत श्रेणी की बीमारियाँ हर साल महत्वपूर्ण फसल नुकसान का कारण बनती हैं। रोग उत्पन्न करने वाले सूक्ष्मजीव और प्रतिरोधी पौधे बनाने की रणनीतियों की चर्चा नीचे की गई है।

(i) वायरस

वायरस कृषि में सबसे सर्वव्यापी कीटों में से एक हैं। ट्रांसजेनिक तकनीक का उपयोग कई पौधों में कई अलग-अलग वायरसों के खिलाफ सफलतापूर्वक किया गया है, जैसे स्क्वॉश में पीला क्रोकनेक रोग पैदा करने वाला वायरस, आलू मोज़ेक वायरस, आलू लीफ रोल वायरस, गेहूँ में बार्ली येलो ड्वार्फ वायरस और पपीता रिंगस्पॉट वायरस (PRSV), जिसमें वायरल कोट प्रोटीन के जीन को पेश करके वायरस के प्रति प्रतिरोध विकसित किया गया है। एक वायरल कोट प्रोटीन एक टीके की तरह कार्य करता है, जिससे पौधा विशेष वायरस के प्रति प्रतिरोध विकसित करता है। वायरल कोट प्रोटीन के लिए जीन, जो वायरस के बाहरी आवरण का एक हिस्सा है जो रोग का कारण नहीं बनता, को पौधे में स्थानांतरित करने से पौधे को सुरक्षा मिल सकती है और वास्तविक वायरस को पेश किए बिना प्रतिरोध उत्पन्न होता है।

(ii) कवक

फंगल रोग फलों और सब्जियों सहित फसलों को महत्वपूर्ण नुकसान पहुंचाते हैं, और ये मुरझाहट, झागदार परत, जंग, धब्बे, दाग और सड़े हुए ऊतक की विशेषता होते हैं। मिथाइल ब्रोमाइड जैसे फंगिसाइडों के लिए पर्याप्त विकल्प खोजने की आवश्यकता ने जेनेटिक इंजीनियरिंग दृष्टिकोण विकसित करने की आवश्यकता को बढ़ा दिया है। डिफेंसिन्स ऐसे एंटीमाइक्रोबियल प्रोटीन हैं जो पौधे की रोगजनकों के प्रति सहनशीलता को बढ़ाते हैं और ये कीटों, स्तनधारियों (मानव सहित), क्रस्टेशियन, मछलियों और पौधों में मौजूद होते हैं। मक्खियों और तितलियों, फल मक्खी, मटर के बीज और अल्फाल्फा के बीजों से प्राप्त डिफेंसिन्स भी शक्तिशाली एंटीफंगल गतिविधि दिखाते हैं। डिफेंसिन्स का पहला ट्रांसजेनिक अनुप्रयोग आलू में अल्फाल्फा से प्राप्त एंटीफंगल डिफेंसिन को शामिल करना था। ट्रांसजेनिक आलू फंगल रोगजनक वर्टिसिलियम डाहलिया के प्रति प्रतिरोधी थे।

सफेद अंगूर से प्राप्त रेस्वेराट्रोल एक द्वितीयक उपापचय है जो एक प्राकृतिक डिफेंसिन के रूप में कार्य करता है और पौधे को बोट्राइटिस सिनेरिया संक्रमण से बचाता है। जब रेस्वेराट्रोल का एक जीन होस्ट पौधे में डाला जाता है, तो यह गेहूं और जौ में बोट्राइटिस सिनेरिया के खिलाफ प्रतिरोध प्रदान करता है। सोलानम वेंचुरी से अलग किया गया Rpivnt1.1 जीन आलू में स्थानांतरित किया जाता है ताकि फाइटोफ्थोरा इन्फेस्टेंस के कारण होने वाले लेट ब्लाइट के प्रति प्रतिरोध प्रदान किया जा सके। इसी प्रकार, ऑक्सालेट ऑक्सीडेज को एन्कोड करने वाला गेहूं का जीन कैस्टेनिया स्पीशीज़ में स्थानांतरित किया जा रहा है ताकि चेस्टनट ब्लाइट फंगस के खिलाफ प्रतिरोध प्रदान किया जा सके; और कीटों से प्राप्त चिटिनेज जीन सेब में स्थानांतरित किया जा रहा है ताकि सेब के दाग वाले फंगस के प्रति प्रतिरोध प्रदान किया जा सके।

(iii) जीवाणु

अधिकांश खाद्य फसलें जीवाणु संक्रमणों के प्रति संवेदनशील होती हैं जो पत्तियों और फलों पर घाव (क्षतिचिह्न), नरम सड़न, पीलापन, मुरझाहट, बौनापन, गांठ, दाग या पुष्प झुलसा पैदा करते हैं। जब खाद्य फसलों के पुष्प, फल या जड़ों पर ऊतक क्षति होती है, तो उपज घट सकती है। जीएम फसलों को विभिन्न जीवाणु रोगजनकों के खिलाफ विकसित किया गया है जिनमें लाइसोज़िम जीनों को आलू में स्थानांतरित किया जा रहा है ताकि एरविनिया कारोटोवोरा के कारण होने वाले ब्लैकलेग और नरम सड़न रोगों से प्रतिरोध प्रदान किया जा सके। ई. कारोटोवोरा और पीस्यूडोमोनास सिरिंगे (पीवी टबैकी) से लिया गया जीन चावल में डाला जा रहा है ताकि वह वाइल्ड फायर रोग से प्रतिरोधी बन सके।

(iv) कीट

व्यापक रूप से प्रयुक्त ट्रांसजेनिक कीट-संरक्षित फसलें वे हैं जो मिट्टी के जीवाणु बेसिलस थुरिंजिएंसिस (बीटी) से क्लोन किए गए जीनों से प्राप्त कीटनाशक प्रोटीन व्यक्त करती हैं। इस कीटनाशक प्रोटीन को क्रिस्टल (क्राई) प्रोटीन या डेल्टाएंडोटॉक्सिन कहा जाता है जो कीट की आंत में रिसेप्टर प्रोटीन से विशिष्ट रूप से बांधता है, कोशिकाओं को नष्ट करता है और कीट को मार देता है। इस रणनीति का उपयोग करते हुए दुनिया भर में कीटों के प्रति प्रतिरोध प्रदान करने वाली कई पौधों को विकसित किया गया है। भारत में, बीटी कपास वह एकमात्र ट्रांसजेनिक पौधा है जिसे सरकार द्वारा 2002 से वाणिज्यिक स्तर पर उगाने की अनुमति दी गई है। बांग्लादेश दुनिया का पहला देश बन गया जिसने बीटी बैंगन के वाणिज्यिक रोपण को मंजूरी दी, जिसकी शुरुआत 2014 में हुई।

इसके अतिरिक्त, फॉल-आर्मी वर्म के प्रकोप के व्यापक फैलाव ने शोधकर्ताओं को इसके नियंत्रण के लिए रणनीति बनाने के लिए प्रेरित किया, जिसमें पिरामिड यानी एक ही फसल के पौधे में दो या अधिक जीनों को इकट्ठा करके कीट-प्रतिरोधी फसल सुधार शामिल है। दो जीनों को इकट्ठा करना—एक जल उपयोग दक्षता में वृद्धि के लिए और दूसरा कीटों के प्रतिरोध के लिए—ने संकर मकई के बीजों के निर्माण को जन्म दिया है। इसी प्रकार, Bt जीन को सूखा-सहनशीलता लक्षण (MON87460) के साथ इकट्ठा किया गया, जो B. subtilis का कोल्ड-शॉक प्रोटीन B (cspB) व्यक्त करता है।

(v) पौधे निमेटोड

केले, सोयाबीन, चावल और आलू को संक्रमित करने वाले निमेटोडों से निपटने के लिए ट्रांसजेनिक रणनीतियाँ उभरती हुई क्षेत्र हैं। आलुओं में जीनों को शामिल करने से खेत के परीक्षणों में 70 प्रतिशत तक निमेटोड प्रतिरोध उत्पन्न हुआ। जीनेटिक मार्करों का उपयोग करते हुए, वैज्ञानिकों ने प्रतिरोध जीन वाले पौधों को घरेलू किस्मों के साथ प्रजनन किया, जिससे जंगली किस्म की खराब प्रदर्शन विशेषताओं को दरकिनार किया गया। जंगली प्रजाति से सोयाबीन की प्रतिरोधी किस्म तैयार करना एक ऐसा उदाहरण है, जिसमें विशिष्ट जीनेटिक मार्कर का उपयोग करते हुए वैज्ञानिकों ने पहले एक विशेष लक्षण की पहचान की और फिर उसे प्रतिरोध जीन वाले पौधों के साथ घरेलू किस्म से प्रजनन किया। नई किस्में ट्रांसजेनिक नहीं हैं, बल्कि आधुनिक जीनेटिक मार्करों और पारंपरिक प्रजनन तकनीकों के संयोजन से उत्पन्न हुई हैं।

ऐसी फसलों की आनुवंशिक संशोधन के कई अन्य अनुप्रयोग हैं जिनके माध्यम से सहनशील और प्रतिरोधी किस्मों की फसलें उत्पन्न की जा सकती हैं। इनमें से एक उदाहरण GM मकई CIEA-9 है जिसे मैक्सिको में विकसित किया गया है, जो गंभीर सूखे और चरम तापमान के प्रति बेहतर अनुकूलन रखती है जिसमें शर्करा ट्रैहेलोज को एक ग्लाइकोसाइड हाइड्रोलेज एंजाइम ट्रैहेलेज द्वारा तोड़ा जाता है। एंटीसेंस RNA तकनीक द्वारा मकई में ट्रैहेलोज अभिव्यक्ति को शांत किया जाता है और ऐसी जैवप्रौद्योगिकी मकई को लगभग 20 प्रतिशत कम पानी की आवश्यकता होती है और वह उच्च तापमान को सहन कर सकती है।

आनुवंशिक रूप से संशोधित फसलों के कुछ उदाहरणों को तालिका 12.1 में दर्शाया गया है।

तालिका 12.1: कुछ GM पादप और उनके अर्जित लक्षण

फसल	लक्षण/जीन का नाम स्थानांतरित	अनुप्रयोग
तनाव-प्रतिरोधी GM फसलें
अरबिडोप्सिस और तम्बाकू	मैनिटॉल	उच्च लवणीय स्थितियों का सामना और बेहतर अंकुरण दर तथा बढ़ा हुआ बायोमास
चावल	जौ से लिया गया भ्रूणविकास प्रचुर प्रोटीन जीन	सामान्य चावल की किस्मों की तुलना में सूखा और लवणता के प्रति अधिक सहनशील
सोयाबीन	सूरजमुखी पौधे से लिया गया HaHB4 ट्रांसक्रिप्शन फैक्टर जीन	HB4 $®$ सोयाबीन जिसे EcoSoy ${ }^{\circledR}$ कहा जाता है, सूखा और हर्बिसाइड के प्रति सहनशील
गेहूँ	सूरजमुखी पौधे से लिया गया HaHB4 ट्रांसक्रिप्शन फैक्टर जीन	HB4 $\mathbb{R}$ गेहूँ जिसे EcoWheat $®$ कहा जाता है, में $20 %$ तक उपज बढ़ी है और यह सूखा सहनशील है
कागज की गुणवत्ता बढ़ाने वाली GM फसलें
अरबिडोप्सिस	कोएंजाइम A-लिगेस	ट्रांसजेनिक पौधे बने जिनमें $45 %$ तक कम लिग्निन है
यूकेलिप्टस	अरबिडोप्सिस थैलियाना प्रोटीन कोड करने वाला जीन	सामान्य किस्म की तुलना में $20 %$ अधिक लकड़ी और यह सात वर्षों की बजाय साढ़े पाँच वर्षों में कटाई के लिए तैयार हो जाती है
उत्पाद में सुधार के लिए GM फसलें
आलू	स्टार्च संश्लेषण में शामिल जीन	गैर-GM पौधों की तुलना में $60 %$ अधिक स्टार्च जिससे आलू तलते समय कम वसा सोखते हैं, परिणामस्वरूप कम वसा वाला उत्पाद
मक्का और सोयाबीन	दो स्टैक्ड जीन	हर्बिसाइड ग्लाइफोसेट और 2,4-D-कोलिन के प्रति सहनशीलता प्रदान करते हैं
सेब	ब्राउन न होने से संबंधित जीन	Arctic $®$ Gala नामक सेब में ब्राउन न होने का लक्षण है

जीएम प्रौद्योगिकी ने वैज्ञानिकों की कई फसलों के पोषण-समृद्धीकरण में भी मदद की है और उनमें से कुछ को तालिका 12.2 में दर्शाया गया है।

तालिका 12.2: जैव-समृद्ध जीएम फसलें

फसल	पोषक तत्व समाविष्ट	लक्षण/जीन का नाम स्थानांतरित	लाभ
चावल GR1	विटामिन A (Vit A)	मक्का का phytoene synthesis जीन और जीवाणु Erwinia uredovoia से जीन	गोल्डन राइस मनुष्यों में Vit A का प्रभावी स्रोत है
बायोफोर्टिफाइड चावल	आयरन और फोलेट	GR: दो जीन: नर्गिस (Narcissus poeticus) जीवाणु (Erwinia Uredoroia) से कारोटीनॉयड जैवसंश्लेषण को प्रभावित करते हैं	बेहतर आयरन और फोलेट के साथ बायोफोर्टिफाइड चावल, बेहतर खनिज जैवउपलब्धता और आवश्यक अमीनो अम्लों की उच्च सामग्री के साथ
केले	proVit A	मक्का का phytoene synthesis जीन और जीवाणु Erwinia uredovoia से जीन	proVitA से समृद्ध केले
सोयाबीन	उच्च ओलेइक अम्ल	एंडोजीनस सोयाबीन जीन जो फैटी एसिड डिसैचुरेस (gm-fad2-1) कोड करता है, को डाउन-रेगुलेट किया गया	(Plenish") पहला सोयाबीन था जो एंटीसेंस RNA तकनीक से बनाया गया। बीजों में ओलेइक अम्ल का लिनोलेइक अम्ल से अनुपात बढ़ा हुआ है
टमाटर	बढ़ा हुआ हाइड्रोफिलिक एंटीऑक्सिडेंट क्षमता बढ़ी शेल्फ लाइफ	दो स्नैपड्रैगन (Antirrhinum majus) ट्रांसक्रिप्शन कारकों Delila और Rosea 1 के जीन जो एंथोसायनिन जैवसंश्लेषण को नियंत्रित करते हैं	“पर्पल” टमाटर अधिक स्वस्थ और रोगों के प्रति अधिक प्रतिरोधी हैं। बढ़ी हुई शेल्फ लाइफ

12.2.2. जीनोम इंजीनियरिंग प्रौद्योगिकी: CRISPR-Cas9 का अनुप्रयोग

अध्याय 5, खंड 5.4.2 में, आपने CRISPR-Cas9 प्रौद्योगिकी के साथ जीनोम संपादन के बारे में सीखा, जिसमें गाइड RNA लक्ष्य DNA से बंधता है और Cas9 का उपयोग विविध पौधों में जीनों को संपादित करने के लिए किया जाता है। कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, सैन डिएगो के वैज्ञानिकों ने पहले CRISPR-Cas9-आधारित जीन संपादित पौधे विकसित किए हैं, जिसका उद्देश्य सूखा और रोग-प्रतिरोधी फसलों का उत्पादन करना है। पारंपरिक वंशानुक्रम सिद्धांतों से हटते हुए जो यह निर्धारित करते हैं कि संतान प्रत्येक माता-पिता से समान रूप से आनुवंशिक सामग्री प्राप्त करती है (मेंडेलियन आनुवंशिकी), नए अनुसंधान में CRISPR-Cas9 संपादन का उपयोग एकल माता-पिता से विशिष्ट लक्षणों को उत्तराधिकारी पीढ़ियों में स्थानांतरित करने के लिए किया जाता है। इसका उपयोग पोषण गुणवत्ता में सुधार, उत्पादन में वृद्धि और विकास के लिए किया गया है।

हाल की जैवप्रौद्योगिकी में नवाचार..

चावल, टमाटर और सोयाबीन आदि कई फसलों में विभिन्न जैविक और अजैविक तनावों के प्रतिरोध के लिए। जैसा कि हम जानते हैं कि पारंपरिक विधियों को कोई भिन्न लक्षण विकसित करने में वर्षों लगते हैं, CRISPR-Cas9 अन्य आनुवंशिक हेरफेर तकनीकों की तुलना में अपेक्षाकृत तेज है। इसके अतिरिक्त, CRISPR-Cas9 तकनीक अपेक्षाकृत सरल, सटीक है और यह पौधों में कई लाभकारी लक्षण बनाने के लिए उपयोग की जा सकती है क्योंकि यह एक साथ कई जीनों को लक्षित करता है। हालांकि, पौध आण्विक जीव विज्ञान में CRISPR-Cas9 द्वारा लाई गई क्रांति ने इसके बंद-लक्ष्य प्रभावों को लेकर विभिन्न चिंताएँ उत्पन्न की हैं और कभी-कभी इसकी कम दक्षता भी। इसके अतिरिक्त, इसकी सुरक्षा और भविष्य में उपयोग के लिए विनियामक मुद्दे और कई चुनौतियाँ हैं। इसकी लक्ष्य-स्थल दक्षता में सुधार और Cas9 एंजाइम के कई संशोधनों के लिए प्रयास किए जा रहे हैं। हालांकि, किया गया कार्य प्रारंभिक चरण में है और अभी भी और बहुत कुछ किया जाना बाकी है।

12.3 पुनर्यौजी चिकित्सा

पुनर्यौजी चिकित्सा चिकित्सा का एक उभरता बहु-विषयक विशेषज्ञ क्षेत्र है जिसका लक्ष्य कोशिका और अंग प्रतिस्थापन करके अपक्षय, आघात या अन्य रोग प्रक्रियाओं के कारण कार्य-हानि की पुनर्स्थापना करना है। यह असहाय रोगग्रस्त कोशिकाओं को मृत्यु से भी बचा सकती है। सबसे पुरानी रणनीति रोगग्रस्त या खोए हुए अंग को एक नए अंग से प्रतिस्थापित करना है, जिसे प्रत्यारोपण कहा जाता है। अंग प्रत्यारोपण तीन प्रकार के हो सकते हैं:

1. ऑटोग्राफ्ट – एक ही व्यक्ति के भीतर विभिन्न स्थानों के बीच कोशिकाओं, ऊतकों या अंगों का प्रत्यारोपण, उदा. त्वचा ग्राफ्ट।

2. अलोग्राफ्ट – एक दाता से समान प्रजाति के आनुवंशिक रूप से असमान व्यक्ति को अंगों या ऊतकों का प्रत्यारोपण। यह गुर्दा, यकृत, हृदय, फेफड़े और अग्न्याशय जैसे अंग प्रत्यारोपण के लिए सबसे सामान्य प्रथा है।

3. ज़ेनोग्राफ्ट – दो भिन्न प्रजातियों के बीच किसी अंग या ऊतक का प्रत्यारोपण। ‘सुअर के वाल्व’ का उपयोग मानव में दोषपूर्ण हृदय वाल्व की मरम्मत या प्रतिस्थापन के लिए किया गया है।

अधिकांश अंग जैसे यकृत, गुर्दा, अग्न्याशय विभेदित कोशिकाओं से बने होते हैं जिनकी पुनरुत्पत्ति क्षमता सीमित होती है। प्रमुख अंग क्षति की स्थिति में ये विभेदित कोशिकाएं विभाजित होकर क्षतिग्रस्त कोशिकाओं को प्रतिस्थापित नहीं कर सकतीं। स्टेम सेल प्रौद्योगिकी इस स्थिति में सहायक हो सकती है जहाँ स्टेम कोशिकाओं में विभाजित होकर विभेदित होने की क्षमता होती है और वे मृत या क्षतिग्रस्त कोशिकाओं को प्रतिस्थापित कर सकती हैं। अध्याय 9 में दर्शाए अनुसार उनके विभेदन और उद्भव के आधार पर स्टेम कोशिकाओं के कई प्रकार होते हैं।

12.3.1 स्टेम सेल प्रौद्योगिकी

स्टेम कोशिकाएँ जटिल संरचनाओं में स्वतः एकत्रित होने की आंतरिक क्षमता प्रदर्शित करती हैं। जब इन्हें हाइड्रोजेल (अक्सर मैट्रिजेल) के भीतर रखा जाता है और उपयुक्त बाह्य कारकों की उपस्थिति होती है, तो स्टेम कोशिकाओं को कोशिकाओं के संगठित समूहों वाली संरचनाएँ बनाने के लिए प्रेरित किया जा सकता है। स्टेम कोशिका-व्युत्पन्न ऑर्गेनॉयड प्रणालियों की हालिया उपलब्धता, 3D स्व-संगठित ऊतक मॉडल प्रदान करती है, जो ऊतक और अंग प्रतिस्थापन दोनों के रूप में कार्य करने के लिए एक आकर्षक नई श्रेणी के जैविक मॉडल के रूप में सामने आते हैं (चित्र 12.1)।

चित्र 12.1: सभी जीव उपकोशिकीय स्तर से लेकर पूरे शरीर तक एक प्रणाली का अनुसरण करते हैं। जीवीय पदानुक्रम में विभिन्न स्तरों पर कई मॉडल विकसित किए गए हैं, ताकि जीव विज्ञान और चिकित्सा में विशिष्ट प्रश्नों को संबोधित किया जा सके। प्रत्येक मॉडल प्रणाली की विशिष्ट विशेषताएँ होती हैं; सामान्यतः, पैमाने में वृद्धि के साथ प्रणाली की जटिलता बढ़ती है और कोशिका संवर्धन में चुनौतियाँ बढ़ती हैं, साथ ही जैव रासायनिक और मात्रात्मक उपकरणों की उपलब्धता घटती है, जो अध्ययन की अंतर्दृष्टि को सीमित कर सकती है। ऑर्गेनॉयड मॉडल मध्यम स्तर की प्रणाली जटिलता को समाहित करते हुए संरचना और कार्य के अन्वेषण के लिए कई उपकरण प्रदान करने का एक अनूठा अवसर प्रस्तुत करते हैं। ऊतक एक्सप्लांट्स की तुलना में, ऑर्गेनॉयड प्रणालियाँ समान कोशिका-कोशिका और कोशिका-मैट्रिक्स अंतःक्रियाओं की नकल कर सकती हैं, जबकि दीर्घकालिक संवर्धन की क्षमता बनाए रखती हैं और जीवित रहने के लिए महत्वपूर्ण संकेतन संकेतों को बनाए रखती हैं।

ऑर्गेनॉयड्स अल्ट्रा-छोटे, स्व-संयुक्त त्रि-आयामी ऊतक कल्चर होते हैं जो स्टेम कोशिकाओं से प्राप्त किए जाते हैं। ऑर्गेनॉयड्स को प्लूरिपोटेंट स्टेम कोशिकाओं (PSCs) और वयस्क स्टेम कोशिकाओं (ASCs) दोनों से ऊतक विकास और होमियोस्टेसिस के जैव-रासायनिक और भौतिक लक्षणों की नकल करके बनाया जा सकता है। ऐसे कल्चर को अंग की अधिकांश जटिलता को दोहराने के लिए नियंत्रित किया जा सकता है, या विशिष्ट लक्षणों को व्यक्त करने के लिए विभेदित किया जा सकता है, जैसे केवल विशिष्ट उपसमूहों की कोशिकाओं का उत्पादन। उदाहरण के लिए, अस्थि मज्जा से प्राप्त मेसेंकाइमल स्टेम कोशिकाओं की आकृति और ऊतक संरचना सीधे उनके ओस्टियोब्लास्ट या एडिपोसाइट में विभेदन को प्रभावित करती है। गोल आकृति एडिपोजेनिक विभेदन को बढ़ावा देती है, और व्यापक फैलाव वाली कोशिकाएं ओस्टियोब्लास्टिक विभेदन को पसंद करती हैं।

ऑर्गेनॉयड्स कई जैविक मापदंडों को दोहराते हैं जिनमें विषम, ऊतक-विशिष्ट कोशिकाओं की स्थानिक संगठन, कोशिका-मैट्रिक्स अंतःक्रियाएं, कोशिका-कोशिका अंतःक्रियाएं, और ऑर्गेनॉयड के भीतर ऊतक-विशिष्ट कोशिकाओं द्वारा उत्पन्न कुछ शारीरिक कार्य शामिल होते हैं।

ऑर्गनॉइड मौजूदा मॉडल सिस्टमों में एक खाली जगह को पाटते हैं क्योंकि ये एक स्थिर प्रणाली प्रदान करते हैं जिसे हेरफेर करने और इन-विवो शरीर-क्रिया की नकल करने तक बढ़ाया जा सकता है। ऑर्गनॉइड सिस्टम के इंजीनियरिंग का प्रमुख उद्देश्य डाउनस्ट्रीम अनुप्रयोगों में इसकी उपयोगिता को बढ़ाना है। इसलिए, ऊतकों और अंगों के लिए बेहतर इन-विवो नकल बनाना और ऑर्गनॉइड सिस्टम को उच्च-थ्रूपुट प्रारूपों या बड़े मल्टीप्लेक्स्ड सिस्टमों—जैसे कि ह्यूमन-ऑन-ए-चिप—में बहु-ऊतक ऑर्गनॉइड अनुकूलता हासिल करने के लिए सुधारना आवश्यक है। बायोइंजीनियर लंबे समय से जैविक प्रणालियों को विघटित करने और नियंत्रित तरीके से उसे हेरफेर या पुनर्निर्माण करने की आकांक्षा रखते हैं। बायोइंजीनियरिंग दृष्टिकोणों ने हमें कोशिका व्यवहार और कोशिका संगठन को समझने में सक्षम बनाया है, जो ऑर्गनॉइड निर्माण के मूलभूत प्रक्रम हैं। कई बेहतर सिस्टम क्षितिज पर हैं।

मोनोलेयर में कोशिकाओं को पोषक तत्वों और वृद्धि कारकों की असीमित पहुंच होती है। लेकिन इन-विवो में, ऊतक के भीतर कोशिका की स्थिति यह तय करती है कि उसे पर्याप्त पोषक तत्व मिल पाते हैं या नहीं। मोनोलेयर कल्चर की कमियों के जवाब में, बायोमेडिकल कंपनियों ने 3डी कोशिका कल्चर सिस्टमों के विभिन्न प्रकार विकसित किए हैं ताकि इन-विवो में दवा प्रतिक्रिया के अधिक यथार्थ प्रतिनिधित्व की भविष्यवाणी करने की इसकी क्षमता का लाभ उठाया जा सके।

ट्यूमर गोलक कैंसर स्टेम सेल विस्तार का एक मॉडल हैं; ऊतक-व्युत्पन्न ट्यूमर गोलक और ऑर्गेनोटाइपिक बहुकोशिकीय गोलक विशेष रूप से ट्यूमर ऊतक के यांत्रिक वियोजन और काटने से प्राप्त किए जाते हैं। हालांकि, ऑर्गेनॉयड में गोलक कल्चर के विपरीत एक सुव्यवस्थित स्व-संगठन होता है, और पूर्व का उत्पादन मैट्रिक्स पर अधिक निर्भर करता है।

ऑर्गेनॉयड हाल ही में एक मॉडल के रूप में ध्यान आकर्षित कर रहे हैं, मुख्य रूप से इसलिए क्योंकि वे 2D या यहां तक कि 3D सह-कल्चर सिस्टम की तुलना में बेहतर इन विट्रो मॉडल के रूप में कार्य कर सकते हैं। ऑर्गेनॉयड अनुसंधान के अनुप्रयोगों में अंग विकास, रोग मॉडलिंग, ट्यूमर द्रव्य के केंद्र में दवा प्रवेश, दवा स्क्रीनिंग और विषाक्तता परीक्षण शामिल हैं। गोलक निर्माण को प्रेरित करने के लिए, कोई निलंबन कल्चर, गैर-संलग्न सतह विधियाँ, लटकती बूंद विधियाँ और सूक्ष्मद्रव्य विधियों (चित्र 12.2) जैसी विधियों में से चयन कर सकता है।

यद्यपि 3D कोशिका संस्कृतियाँ ऊतकों या अंगों में कोशिकाओं के समूह बनाने की यथार्थ मॉडल प्रदान करती हैं, ऊतकों के कार्य करने के तरीके या रोगजनक प्रक्रियाएँ कोशिकीय कार्यों को कैसे विचलित करती हैं, इन नए चरों को सावधानीपूर्वक संबोधित करने की आवश्यकता है। त्रि-आयामी मॉडल 2D संस्कृतियों की तुलना में कहीं अधिक महँगे और समय लेने वाले होते हैं, क्योंकि बहुत कम स्वचालन और पुनरुत्पादनीय अनुप्रयोग उपलब्ध हैं। 3D संस्कृतियों को और भी सावधानीपूर्वक योजना और विशेषज्ञ हैंडलिंग की आवश्यकता होती है। वाहिकाकरण की कमी के कारण, कोशिकाओं तक पर्याप्त पोषक तत्व पहुँचाना कठिन होता है। इसके अतिरिक्त, मोटे 3D संरचनाओं के लिए नई सूक्ष्मदर्शी विश्लेषण कार्यप्रणालियों को विकसित करने की आवश्यकता है, जिससे $2 \mathrm{D}$ कोशिका विश्लेषण के लिए मूल रूप से विकसित अनुकूलित प्रोटोकॉल के साथ कोशिकीय प्रक्रियाओं का अवलोकन और मापन किया जा सके।

आकृति 12.2: 2D और 3D संस्कृति

बॉक्स 2: बायोप्रिंटिंग

पुनर्योजी चिकित्सा के सिद्धांतों पर आधारित कई उपचार वर्तमान में नियामक निकायों द्वारा अनुमोदित होकर प्रचलित हैं। पुनर्योजी चिकित्सा में सामान्य अभ्यास में कंप्यूटरीकृत टोमोग्राफी (सीटी) स्कैन या चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई) जैसी इमेजिंग द्वारा रोगग्रस्त अंग की विमाओं की पहचान की जाती है। ऊतक इंजीनियर किए गए स्कैफोल्ड को बायोपॉलिमर के साथ कोशिकाओं और वृद्धि कारकों वाले नैनोकणों से जोड़ा जाता है, जिसे कंप्यूटर सहायक 3डी बायोप्रिंटर द्वारा एमआरआई/सीटी स्कैन से गणना की गई सटीक विमाओं के साथ बनाया जा सकता है। यह अवधारणा चित्र में दिखाई गई है।

कार्टिलेज चोट खेलों में चोटों के साथ-साथ वृद्ध जनसंख्या में अपक्षयी रोगों में भी सामान्य है जो महत्वपूर्ण विकलांगता का कारण बन सकती है। ‘कार्टिसेल’ एक नवीन उपचार है जिसमें सर्जरी के दौरान निकाले गए आर्टिकुलर कार्टिलेज के टुकड़े से स्वयं के कार्टिलेज कोशिकाओं (कॉन्ड्रोसाइट्स) को इन विट्रो में विस्तारित किया जाता है और फिर चोट के स्थान पर प्रत्यारोपित किया जाता है। ’laViv’ एक ऐसी तकनीक है जिसमें स्वयं के फाइब्रोब्लास्ट्स को चेहरे में झुर्रियों को हटाने या नाक की सौंदर्य वृद्धि के लिए कॉस्मेटिक सर्जरी के हिस्से के रूप में इंजेक्ट किया जाता है। ‘डर्माग्राफ्ट’, जो अलोजेनिक फाइब्रोब्लास्ट डर्मल प्रतिस्थापन का एक पैच है, का उपयोग मधुमेह घाव के लिए किया जाता है। परिधीय रक्त से प्राप्त स्वयं के प्लेटलेट्स को घाव भरने के लिए उपयोग किया जाता है।

कोशिका आधारित चिकित्सा, पॉलिमर और सामग्री विज्ञान, नैनोटेक्नोलॉजी, बायोइंजीनियरिंग और 3डी बायोप्रिंटिंग का ऊतक इंजीनियरिंग, औषधि स्क्रीनिंग और इन विट्रो रोग मॉडल बनाने के लिए अवलोकन

हालांकि, इस क्षेत्र में तेजी से वैज्ञानिक विकास ने कोशिका आधारित चिकित्सा, पॉलिमर और सामग्री विज्ञान, नैनोटेक्नोलॉजी, बायोइंजीनियरिंग और $3 \mathrm{D}$ बायोप्रिंटिंग जैसी कई नई रणनीतियों को जन्म दिया है जो एक कृत्रिम अंग या अंग के प्रतिस्थापन का निर्माण कर रही हैं।

वर्तमान में, ऊतक इंजीनियर किए गए वैस्कुलर ग्राफ्ट, ट्रेकिया, कार्डियक पैच क्लिनिकल परीक्षणों में हैं। निकट भविष्य में, पुनर्योजी चिकित्सा के क्षेत्र में तेज विकास चिकित्सकों को मानव शरीर में अधिकांश रोगग्रस्त या मृत कोशिकाओं को प्रतिस्थापित करने में सक्षम बनाएगा।

12.4 नैनोबायोटेक्नोलॉजी

नैनोविज्ञान उन सामग्रियों का अध्ययन है जो नैनोस्केल सीमा में होती हैं, जिसमें नैनोमीटर में आकार शामिल है, अर्थात् एक माइक्रोन से कम। चित्र 12.3 स्केल की अवधारणा को स्पष्टता देता है, जहाँ एक परमाणु $0.1 \mathrm{~nm}$ होता है और रेत का एक छोटा अणु $1 \mathrm{~mm}$ होता है। आरेख एक परमाणु, जो $1 \mathrm{~nm}$ से कम है, एक फुलरीन अणु जिसमें कार्बन के 60 परमाणु $\left(\mathrm{C}_{60}\right)$ होते हैं, एक डीएनए अणु, प्रोटीन, एक वायरस, बैक्टीरिया, लाल रक्त कोशिका, पराग और एक रेत कण के बीच आकार की तुलना दिखाता है (चित्र 12.3)। नैनोस्केल में सामग्री का उपयोग करने की तकनीक को नैनोटेक्नोलॉजी कहा जाता है। नैनोबायोटेक्नोलॉजी इस प्रकार नैनो स्केल पर जैवप्रौद्योगिकी के क्षेत्र में अनुप्रयोग को दर्शाता है। चिकित्सा में निदान और चिकित्सा के लिए नैनोटेक्नोलॉजी के उपयोग को नैनोमेडिसिन कहा जाता है।

किसी भी थोक सामग्री को नैनो स्केल में बदलने पर उसके भौतिक-रासायनिक, जैविक, यांत्रिक, प्रकाशीय और इलेक्ट्रॉनिक गुणों में परिवर्तन होता है। नैनो स्केल में रूपांतरण के कारण सामग्री में आए ये नए अनोखे गुण विभिन्न उपयोगी उद्देश्यों के लिए उपयोग किए जा सकते हैं।

जब थोक सामग्री को विभिन्न आकारों के नैनो कणों में बदला जाता है तो उसके गुणों में परिवर्तन का विशिष्ट उदाहरण स्वर्ण में देखा जाता है। स्वर्ण एक सुनहरे रंग का धातु है जिसका व्यापक रूप से आभूषण और गहने बनाने में उपयोग होता है।

चित्र 12.3: स्केल की अवधारणा $(0.1 \mathrm{~nm}-1 \mathrm{~mm})$

चित्र 12.4 (a) थोक धातु का सुनहरा रंग दिखाता है। 30 nm से छोटे नैनोकण रूबी लाल, 100 nm तक गुलाबी और इससे बड़े कण गहरे रंग के दिखाई देते हैं, जो नैनोरूप के साथ एक भौतिक लक्षण में परिवर्तन को भी दर्शाता है जो आकार पर निर्भर है। थोक सामग्री, सोना, इकाई भार (1 mg) जब नैनोकणों में रूपांतरित किया जाता है, उदाहरण के लिए व्यास 500 nm, 100 nm और 10 nm के साथ, तो कणों की संख्या घातीय रूप से बढ़ती है और सतह क्षेत्र में भारी वृद्धि होती है [चित्र 12.4 (b)]। यह घटना सतह की अभिक्रियाशीलता को काफी बढ़ा सकती है, जिसे फिर नैनोबायोटेक्नोलॉजी के क्षेत्र में विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए उपयोग किया जा सकता है।

चित्र 12.4: (a) एक उत्कृष्ट धातु के रूप में सोना (b) आकार के आधार पर सोने में रंग परिवर्तन।

नैनोपार्टिकल्स को निम्न तालिका (तालिका 12.3) में उल्लिखित बड़ी संख्या में अकार्बनिक और कार्बनिक पदार्थों से बनाया जा सकता है। संरचना के आधार पर, नैनोपार्टिकल्स को जैव-अपघटनीय और गैर-जैव-अपघटनीय के रूप में वर्गीकृत किया जा सकता है। नैनोपार्टिकल्स के गुण इसके आकार, आकृति, सतह आवेश और संरचना पर निर्भर करते हैं। एक ही पदार्थ जैसे कार्बन से बने नैनोपार्टिकल्स, संरचना के आधार पर, अद्वितीय आकार और आकृति जैसे फुलरीन $\left(\mathrm{C}_{60}\right)$, सिंगल वॉल और मल्टीवॉल कार्बन ट्यूब और ग्राफीन प्राप्त कर सकते हैं (चित्र 12.5)।

तालिका: 12.3: कुछ नैनोपार्टिकल्स की संरचना जिन्हें नैनोबायोटेक्नोलॉजी में व्यापक रूप से एक्सप्लोर किया गया है

चित्र 12.5: (a) फुलरीन $\left(C_{60}\right)$, (b) सिंगल वॉल, (c) मल्टीवॉल कार्बन ट्यूब और (d) ग्राफीन

इसी प्रकार, विभिन्न आकारों के कैडमियम-सेलिनियम (CdSe) नैनोक्रिस्टल विभिन्न रंगों का फ्लोरेसेंस उत्पन्न करते हैं, जो प्रकाश के साथ क्वेंच नहीं होता (चित्र 12.6)। फ्लोरेसेंट CdSe नैनोक्रिस्टल को क्वांटम डॉट्स (QDs) कहा जाता है, जिनका उपयोग फ्लोरेसेंस आधारित नैदानिक परीक्षणों में किया जा सकता है।

12.4.1 नैनोटेक्नोलॉजी का अनुप्रयोग

नैनोटेक्नोलॉजी एक सक्षम करने वाली प्रौद्योगिकी है जो रसायन, वस्त्र, उपभोक्ता उत्पाद, सौंदर्य प्रसाधन, स्वास्थ्य (नैनोमेडिसिन), ऊर्जा, कृषि, विभिन्न उद्योगों और पर्यावरण जैसे विविध क्षेत्रों में उपयोगी है, जैसा कि दिए गए आरेख में दिखाया गया है (चित्र 12.7)

चित्र 12.6: विभिन्न आकारों के QDs विभिन्न रंगों का फ्लोरेसेंस दिखाते हैं

नैनोटेक्नोलॉजी के कुछ अनुप्रयोग निम्नलिखित खंडों में वर्णित हैं।

चित्र 12.7: नैनोटेक्नोलॉजी एक सक्षम करने वाली प्रौद्योगिकी है जो जीवन के हर पहलू से संबंधित है

(ए) चिकित्सा (नैनोचिकित्सा): दवा या अन्य जैव-अणुओं को नैनोकणों या नैनोवाहकों में लोड किया जा सकता है जिन्हें रोगग्रस्त स्थल पर लक्षित करके डिलीवर किया जा सकता है। इस प्रकार की नैनो-प्रौद्योगिकी आधारित ड्रग डिलीवरी सिस्टम (DDS) रोगग्रस्त स्थल पर दवा की जैव-उपलब्धता बढ़ा सकती है, साथ ही सिस्टेमिक विषाक्तता कम होती है और उपचार के लिए आवश्यक दवा की मात्रा भी घट जाती है। वर्तमान में, मौखिक या पेरेन्टेरल मार्गों से दवा का सिस्टेमिक प्रशासन उच्च खुराक की आवश्यकता होती है ताकि उच्च सीरम स्तर बनाए रखे जा सकें, जिससे रोगग्रस्त स्थल पर प्रभावी सांद्रता प्राप्त हो सके, लेकिन इससे अन्य अंगों में विषाक्तता जुड़ी होती है। एंटीफंगल दवा एम्फोटेरिसिन B की विषाक्तता अधिक होती है। जब इसे लिपोसोम में डिलीवर किया जाता है—जो एक गोलाकार पुटिका होती है जिसमें एक या अधिक फॉस्फोलिपिड द्विस्तर होते हैं—तो इसकी विषाक्तता कम हो जाती है और प्रभावकारिता बढ़ जाती है। एंटीकैंसर कीमोथेरेप्यूटिक दवाओं की सिस्टेमिक विषाक्तता कैंसर प्रबंधन में एक प्रमुख समस्या है। एंटीकैंसर दवाओं को कैंसर सूक्ष्म-पर्यावरण में enhanced permeability and retention (EPR) प्रभाव के माध्यम से लक्षित किया जा सकता है। ट्यूमर में स्थित एंडोथेलियल कोशिकाओं में अंतराल या छिद्र होते हैं जिनसे वे स्वस्थ ऊतकों की तुलना में रिसाव वाली हो जाती हैं। यदि छोटे आकार के नैनोवाहक (20 से 30 $\mathrm{nm}$) दवा से लोड करके प्रशासित किए जाते हैं, तो वे रिसाव वाली वाहिकाओं के माध्यम से ट्यूमर क्षेत्र में संचित हो जाते हैं और दवा-लोडेड नैनोकण ट्यूमर क्षेत्र में रिटेन हो जाते हैं; इस घटना को EPR प्रभाव कहा जाता है जो चित्र 12.8 में दिखाया गया है। इस प्रकार के DDS का एक उदाहरण पैक्लिटैक्सेल-लोडेड एल्ब्यूमिन नैनोकण या लिपोसोमल डॉक्सोरुबिसिन है जो वर्तमान में कैंसर चिकित्सा में प्रयुक्त हो रहे हैं। सिल्वर नैनोकणों में व्यापक स्पेक्ट्रम की एंटीमाइक्रोबियल गुणधर्माएँ होती हैं और ये विभिन्न घाव-ड्रेसिंग्स में प्रयुक्त हो रहे हैं।

चित्र 12.8: बढ़ी हुई पारगम्यता और अवधारण (EPR) के माध्यम से ट्यूमर में दवा से लदे नैनोकणों का संचय

(ब) सौंदर्य प्रसाधन: जिंक ऑक्साइड और टाइटेनियम ऑक्साइड नैनोकण पराबैंगनी प्रकाश से सुरक्षा के लिए अत्यंत उपयोगी होते हैं और सनस्क्रीन सौंदर्य प्रसाधनों में व्यापक रूप से प्रयुक्त होते हैं। लिपोसोमल तैयारियाँ और नैनोइमल्शन आवश्यक तेलों, विटामिनों और अन्य जैवअणुओं की बेहतर पैठ के लिए सामान्यतः प्रयुक्त होते हैं जो उम्र से संबंधित त्वचा परिवर्तनों को रोक सकते हैं, निखार में सुधार ला सकते हैं और कई अन्य लाभकारी प्रभाव प्रदान कर सकते हैं।

(स) कृषि और खाद्य पैकेजिंग: नैनोटेक्नोलॉजी का उपयोग सटीक खेती तकनीकों के लिए किया जा रहा है जो पोषक तत्वों के अवशोषण को बढ़ाती हैं। नैनो-कीटनाशकों की नई पीढ़ी पौधों की बीमारियों को कम मात्रा में कीटनाशक के साथ अधिक प्रभावी ढंग से नियंत्रित करती है, जिससे मानव अनुरक्षण कम होता है। नैनोसामग्रियों का उपयोग खाद्य पैकेजिंग में अधिक समय तक संरक्षण और भंडारण के लिए किया जाता है। चांदी और लोहे के नैनोकण पशुधन और पोल्ट्री के उपचार और कीटाणुशोधन के लिए प्रयुक्त किए जा सकते हैं।

(d) वस्त्र: नैनो सामग्रियों का उपयोग वस्त्रों में कई सुधारों के लिए किया जा सकता है जैसे दाग और पानी प्रतिरोध, झुर्री-रहित विशेषताएं, आग प्रतिरोध, उच्च तनाव शक्ति, स्थायित्व, बनावट वाली सतह आदि। नैनोटेक्नोलॉजी फाइबरों को उनकी आरामदायकता और लचीलेपन से समझौता किए बिना विद्युत चालकता प्रदान कर सकती है। वस्त्र बाहरी उत्तेजनाओं को विद्युत, रंग या शारीरिक संकेतों के माध्यम से महसूस करके प्रतिक्रिया दे सकते हैं और गर्मियों में ठंडे और सर्दियों में गर्म रह सकते हैं। निकट भविष्य में, नैनोटेक्नोलॉजी सक्षम वस्त्र स्वास्थ्य स्थितियों की भी निगरानी कर सकते हैं।

(e) नैनोबायोसेंसर: नैनोटेक्नोलॉजी ने रोगों के बायोमार्कर हो सकने वाले जैविक अणुओं की पहचान के लिए सेंसर विकास के क्षेत्र में क्रांति ला दी है। पॉइंट ऑफ केयर उपकरण बनाए जा सकते हैं, जो कम लागत वाले और अधिक प्रभावी हैं और परीक्षण बिस्तर पर, गांवों में परीक्षण सामग्री की छोटी मात्रा के साथ किए जा सकते हैं। वैज्ञानिक ‘लैब ऑन ए चिप’ की अवधारणा के साथ काम कर रहे हैं, जहां नैनोटेक्नोलॉजी और माइक्रोफ्लुइडिक्स का उपयोग करके कई परीक्षण एक साथ किए जा सकते हैं।

उपरोक्त उदाहरण नैनोटेक्नोलॉजी अनुप्रयोगों की विशाल गुंजाइश को स्पष्ट रूप से दर्शाते हैं। भविष्य में, यह तकनीक अपार आशा प्रदान करती है और यह अणु-स्तरीय इमेजिंग, औषधि वितरण, जीन चिकित्सा से लेकर जैव-संवेदक और जैव-चिह्न तक विभिन्न जैव-चिकित्सीय अनुप्रयोगों में नवाचारों का कारण बन सकती है। हालांकि, नैनोटेक्नोलॉजी के उपयोग से नियमनों की नई आवश्यकता के बारे में मूलभूत प्रश्न उठते हैं और हमें शरीर और पर्यावरण में नैनोकणों के उपयोग से जुड़ी सुरक्षा समस्याओं को समझना चाहिए।

12.5 सिंथेटिक जीव विज्ञान

पारंपरिक रूप से, वैज्ञानिकों ने जीवों का अध्ययन करने के लिए दो प्रमुख रणनीतियों का उपयोग किया है। पहली है अपचयनवादी दृष्टिकोण जिसमें उच्च स्तर के वर्णन से निम्न स्तर के वर्णन तक जाना शामिल है, अर्थात् सम्पूर्ण पशु या पौधे से ऊतक स्तर तक, फिर कोशिकीय अंगकाय स्तर तक और अंततः अणु स्तर (DNA, प्रोटीन आदि) तक। हम इस सामान्य दृष्टिकोण के लिए कई नामों का उपयोग करते हैं, जैसे कि शारीरिकी, ऊतक विज्ञान, आण्विक जीव विज्ञान, जैव-रसायन आदि। अपचयनवादी दृष्टिकोण अत्यधिक सफल रहा है और इसने विभिन्न स्तरों पर विशाल मात्रा में डेटा उत्पन्न करने में सहायता की है।

अब चुनौती इस डेटा को एकत्रित करना और इसे डेटाबेसों और ऊतकों, उपापचयी पथों आदि के कंप्यूटर मॉडलों के रूप में बुनना है। डेटा संग्रह का यह समेकनवादी दृष्टिकोण और कंप्यूटर के माध्यम से जीव विज्ञान करना, अधिक लोकप्रिय रूप से जैव-सूचना विज्ञान, सिस्टम्स जीव विज्ञान आदि के नाम से जाना जाता है।

जून 2004 में, MIT USA में तीसरा प्रमुख दृष्टिकोण घोषित किया गया जो खरोंच से जीवों को बनाने पर केंद्रित था। लोगों ने पूछा: क्या कोई रासायनिक रूप से एक गुणसूत्र का संश्लेषण कर सकता है, माइटोकॉन्ड्रिया को इकट्ठा कर सकता है, एक केंद्रक, एक कोशिका या ऊतक और अंततः एक जीव का निर्माण कर सकता है, ठीक वैसे ही जैसे एक इंजीनियर ईंट और सीमेंट से इमारतें बनाता है? जीवों को नीचे से ऊपर बनाने की यह नई इंजीनियरिंग दृष्टिकोण, सिंथेटिक जीव विज्ञान कहलाती है। इसलिए, सिंथेटिक जीव विज्ञान को एक तर्कसंगत डिज़ाइन दृष्टिकोण के रूप में परिभाषित किया जा सकता है जो कुछ कार्यों की ओर ले जाने वाले जैविक घटकों के निर्माण से संबंधित है। तर्क यह है कि यदि इंजीनियरिंग सिद्धांतों ने इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों, इमारतों, पुलों आदि के निर्माण में काम किया है, तो इनका उपयोग जीवों के निर्माण में क्यों नहीं किया जाए? हालांकि, ऐसी गतिविधि को सक्षम बनाने के लिए, किसी को (क) मानकों और (ख) संरचना के नियमों का निर्माण करना होगा।

सिंथेटिक जीव विज्ञान जीवविज्ञानियों और इंजीनियरों के बीच की खाई को पाटता है ताकि नवीन जैव-आणविक नेटवर्क, घटकों और पथों को डिज़ाइन और बनाया जा सके, और इन संरचनाओं का उपयोग जीवों को पुनः प्रोग्राम और पुनः तार करने के लिए किया जा सके। सिंथेटिक जीव विज्ञान उपयोगी उद्देश्य के लिए नए जैविक तंत्रों को इंजीनियर करने या मौजूदा लोगों को पुनः डिज़ाइन करने के लिए नवीन दृष्टिकोण प्रदान करता है।

अंतःविषयक विशेषज्ञता को समेकित करने से सिंथेटिक जीव विज्ञान को कोशिकीय प्रणालियों की जटिल जटिलता से जुड़ी अप्रत्याशित चुनौतियों को संबोधित करने में सक्षम बनाया गया है। सिंथेटिक जीव विज्ञान ने शोधकर्ताओं को नवाचार करने और जैविक प्रणालियों को स्पष्ट कार्यों को पूरा करने के लिए जैव-इंजीनियर बनाने के लिए उत्साहित किया है। इसके अनुप्रयोग हैं- उच्च मूल्य के जैवअणुओं का जैव-निर्माण, निदान, चिकित्सा जिससे सस्ती दवाएँ मिलती हैं, हमारी कारों को ईंधन देने के ‘हरित’ साधन और ‘सुपरबग्स’ और कैंसर जैसी बीमारियों पर हमला करने के लिए लक्षित चिकित्सा। ये पुनः-इंजीनियर्ड जीव हमारे जीवन को आने वाले वर्षों में बदल देंगे। जबकि सिंथेटिक जीव विज्ञान ने उच्च प्रभाव वाली समस्याओं को हल करने की अपनी क्षमता का प्रदर्शन किया है, जैविक प्रणालियों के लिए इंजीनियरिंग सीमाओं की खोज करने के लिए बुनियादी अनुसंधान अध्ययनों की एक बहुलता अभी भी जारी है।

जब लोग जीन के डेटाशीट एकत्र कर रहे थे, तो एक और विचार उभरा: क्या एक बार में जीन की एक श्रृंखला को रासायनिक रूप से संश्लेषित करना संभव है, बजाय उन्हें जोड़ने के? इससे लंबे डीएनए संश्लेषन की तकनीक का जन्म हुआ जिससे आनुवंशिक इंजीनियरिंग के अभ्यास में एक प्रमुख परिवर्तन आया (चित्र 12.9)।

चित्र 12.9: सिंथेटिक जीव विज्ञान का सारांश जिसमें संबद्ध विषयों के समामेलन और उनके विविध अनुप्रयोग दिखाए गए हैं।

बजाय प्लाज्मिड बनाने और उनमें जीन लोड करने के, नई रणनीति यह थी कि कंप्यूटर में प्लाज्मिड को एडिट करें, नाइट्रोजन बेस (ATGC) का टेक्स्ट फ़ाइल के रूप में दस्तावेज़ सेव करें, अनुक्रम को कंपनी को ईमेल करें और लगभग एक महीने में रिकॉम्बिनेंट वेक्टर प्राप्त करें। वह प्रक्रिया जो सामान्य रूप से छह महीने से एक वर्ष तक लेती थी, वह एक महीने से भी कम समय में पूरी हो सकती थी। यह रणनीति इतनी सफल रही है कि जॉन हॉपकिन्स यूनिवर्सिटी के वैज्ञानिकों ने एक रासायनिक रूप से संश्लेषित और पूरी तरह कार्यात्मक यीस्ट क्रोमोसोम बनाया।

12.6 भविष्य की संभावनाएँ

जैवप्रौद्योगिकीय नवाचार निस्संदेश भविष्य में समाज को लाभ पहुँचाने वाली खोजों के केंद्र में होंगे, यह मुख्य रूप से इस बात पर निर्भर करेगा कि भविष्य कैसे सामने आता है। उदाहरण के लिए, जैसे-जैसे सूक्ष्मजीव अपना प्रभाव डालेंगे, जटिल पारिस्थितिक तंत्र और जैविक ज्ञान के दोहन से चिकित्सा, स्वास्थ्य देखभाल, खाद्य प्रणालियों, उद्योगों और स्मार्ट सामग्री बनाने सहित विस्तृत स्पेक्ट्रम में नवाचार प्रस्तुत होंगे।

वर्तमान में वैज्ञानिक सूक्ष्मजीवी कारखानों के निर्माण की दिशा में कार्य कर रहे हैं, जहाँ जीवाणु रसायनों का संश्लेषण कर सकते हैं और रासायनिक कारखानों के कारण होने वाले वायु, मृदा और जल प्रदूषण को कम करने में मदद कर सकते हैं। वे हानिकारक रसायनों को खा सकने वाले और उन्हें पर्यावरण के अनुकूल अंतिम उत्पादों में परिवर्तित करने वाले सूक्ष्मजीवों को डिज़ाइन करके पर्यावरणीय प्रदूषण को दूर करने का भी प्रयास कर रहे हैं। लोग जीवाणुओं में प्राकृतिक पादप उत्पादों का संश्लेषण करने में सफल रहे हैं और पौधों को विनाश से बचा रहे हैं। दूषित मिट्टी और भूजल के लिए जैवप्रदूषण उपचार प्रौद्योगिकियाँ शामिल कर सकती हैं: (1) ठोस-प्रावस्था जैवउपचार; (2) पल्प-प्रावस्था उपचार; (3) स्थान पर उपचार; और (4) जैविक, भौतिक और रासायनिक उपचार का संयोजन।

पौधे जैवप्रौद्योगिकी, जिसमें बीज-किस्म सुधार जैसे जीएम प्रौद्योगिकी और अणु-सहायक प्रजनन पर ध्यान केंद्रित है, ने ऐसे उत्पाद उत्पन्न किए हैं जो कृषि को अधिक टिकाऊ तरीके से उत्पादन वृद्धि हासिल करने में मदद करते हैं। जीएम प्रौद्योगिकी ने आय, जीवन की गुणवत्ता और प्रति एकड़ उत्पादकता में उल्लेखनीय सुधार लाए हैं। पौधे-निर्मित फार्मास्यूटिकल्स 2010 से एक प्रमुख केंद्र बिंदु बन गए हैं, जब व्यावसायिक विकास के लिए यथार्थ अवसर उभरे। फार्मास्यूटिकल्स या अणु-फार्मिंग के लिए पौधे-निर्माण मंच निम्न-आय वाले देशों के लिए रोचक संभावनाएं खोलते हैं, जहां नियमित रूप से बड़ी मात्रा में दवाएं प्रदान करनी होती हैं। लागत-प्रभावी स्थानीय ध्यान और सुई-रहित तैनाती उष्णकटिबंधीय रोगों के उपचार में बहुत मददगार हो सकती है। औद्योगिक क्षेत्र में, पौधे जैवप्रौद्योगिकी के पास न केवल अधिक उत्पादक बायोमास फीडस्टॉक उत्पन्न करने और इनपुट को न्यूनतम करने की क्षमता है, बल्कि अधिक कुशल बायोफ्यूल, रसायन और जैव-सामग्री रूपांतरण प्रक्रियाओं को विकसित करने की भी है। टिकाऊ प्रबंधन के साथ सुधारे गए कई गैर-खाद्य फसल नियामक प्रक्रिया से गुजर चुके हैं।

जैवप्रौद्योगिकी के चिकित्सीय अनुप्रयोगों में पुनर्योजी चिकित्सा, ऊतक अभियांत्रिकी, प्रत्यारोपण, स्टेम सेल अनुसंधान, नैनोजैवप्रौद्योगिकी और संश्लेषी जीवविज्ञान शामिल हैं। नैनोजैवप्रौद्योगिकी का अंतरविषयी क्षेत्र अकल्पनीय रूप से छोटे उपकरणों के विज्ञान को वास्तविकता के करीब ला रहा है। यद्यपि चिकित्सा में नैनोजैवप्रौद्योगिकी से उम्मीदें अधिक हैं और संभावित ला�बों की अनगिनत सूची है, नैनोचिकित्सा की सुरक्षा अभी तक पूरी तरह से परिभाषित नहीं हुई है। यदि भविष्य में संश्लेषी जीवविज्ञान व्यापक हो जाता है तो टायरों में प्रयुक्त रबर, गोंद और पेंट में प्रयुक्त बायोएक्रिलिक, शैंपू और साबुन में प्रयुक्त सर्फेक्टेंट, भोजन में प्रयुक्त एडिटिव और फ्लेवर आदि बैक्टीरिया के अंदर बनाए जाएंगे।

फिर भी, संश्लेषी जीवविज्ञान के ऐसे पहलू भी हैं जो मानवता के लिए हानिकारक हो सकते हैं, उदाहरण के लिए, नए वायरस बनाना जो नई बीमारियों को जन्म दे सकते हैं और जैविक हथियारों को डिज़ाइन करना जिनका दुरुपयोग मानवता के विरुद्ध किया जा सकता है। इसलिए संश्लेषी जीवविज्ञान में नैतिक और मानवीय प्रथाओं को बढ़ावा देना और इसके दुरुपयोग को रोकने के लिए सख्त नियमन करना अधिक महत्वपूर्ण है।

भारत जैव प्रौद्योगिकी क्षेत्र में एक प्रमुख योगदानकर्ता बन गया है और डीपीटी, बीसीजी और खसरा तथा अन्य टीकों सहित वैश्विक टीका बाजार में एक प्रमुख भूमिका निभा रहा है। कम लागत वाले निदान किट और चिकित्सा हस्तक्षेपों के साथ-साथ टीकों को भारत के जीवंत जैव प्रौद्योगिकी क्षेत्र द्वारा शीघ्रता से विकसित किया गया। कोरोना वायरस (COVID-19) के कारण उत्पन्न हालिया अभूतपूर्व महामारी ने मानव स्वास्थ्य के लिए एक गंभीर खतरा पैदा किया। जैव प्रौद्योगिकीय नवाचारों ने ऐसे टीकों के विकास में मदद की जिसने मानवता को बचाया। संक्षेप में, जैव प्रौद्योगिकी अनुसंधान का भविष्य मजबूत और आशाजनक है। इसके विकास के लिए उद्यमिता की आवश्यकता है क्योंकि व्यावसायिक कौशल अनुसंधान परियोजनाओं और तकनीकी टीम के प्रबंधन के लिए महत्वपूर्ण हैं। प्रौद्योगिकी विशेषज्ञ अत्याधुनिक अनुसंधान में वास्तविक समय विश्लेषण जोड़ सकते हैं। ड्राफ्ट राष्ट्रीय जैव प्रौद्योगिकी विकास रणनीति 2020-24 एक जीवंत स्टार्ट-अप, उद्यमशील और औद्योगिक आधार बनाने और पोषित करने का लक्ष्य रखती है, जो शिक्षाविदों और उद्योग को जोड़ता है। यह अनुसंधान संस्थानों और प्रयोगशालाओं, सार्वजनिक और निजी क्षेत्रों में एक मजबूत आधारभूत अनुसंधान और नवाचार-चालित पारिस्थितिकी तंत्र को मजबूत और पोषित करने पर केंद्रित है, जिसमें स्टार्ट-अप, छोटे और बड़े उद्योगों की पूर्ण भागीदारी है।

सारांश

• पर्यावरण जैवप्रौद्योगिकी जैव-पुनःमूल्यांकन (bioremediation) पर केंद्रित है जिसमें अपशिष्ट उपचार, विघटन, वर्मि-प्रौद्योगिकी जैसे अनेक अनुप्रयोग शामिल हैं। इसमें दूसरा पहलू, अर्थात् रोकथाम, भी सम्मिलित है जो मुख्यतः जैव-ईंधनों के उत्पादन तथा जैव-विघटन और जैव-विघटनीय उत्पादों के निर्माण के क्षेत्र में अवसरों से संबंधित है।
• जैव-ईंधन वे ईंधन हैं जो जीवित जीवों से प्राप्त जैविक उत्पादों या जैविक उत्पादों से उत्पन्न अपशिष्ट—जैसे लैंडफिल, पुनःचक्रित वनस्पति तेल आदि—से बनाए जाते हैं। फसलों से बने ईंधन को कृषि-ईंधन (agrofuels) कहा जाता है। अपने गुणधर्मों के आधार पर जैव-ईंधनों को मुख्यतः बायोडीज़ल, बायो-अल्कोहल, बायोगैस और विभिन्न रूपों में जैव-द्रव्यमान (biomass) में विभाजित किया जा सकता है।
• जैवप्रौद्योगिकी द्वारा जैव-विघटन पर्यावरण-हितैषी अपशिष्ट पुनर्चक्रण में सहायक होता है।
• मिट्टी या जल में भारी धातुओं—जैसे As, Cr, $\mathrm{Hg}, \mathrm{Cd}, \mathrm{Zn}$ आदि—का जैवप्रौद्योगिकी द्वारा पौधों तथा जीवाणुओं और कवक जैसे सूक्ष्मजीवों द्वारा जैव-पुनःमूल्यांकन किया जा रहा है।
• GM प्रौद्योगिकी ने ऐसे अनेक उत्पादों और फसलों का विकास किया है जिनमें हर्बिसाइड, जैविक और अजैविक तनावों के प्रति प्रतिरोध, पोषण की गुणवत्ता और मात्रा में सुधार जैसे उन्नत गुण हैं।
• पुनर्योजी चिकित्सा (regenerative medicine) चिकित्सा का एक उभरता बहु-विषयक क्षेत्र है जिसका लक्ष्य कोशिकाओं और अंगों की प्रतिस्थापना करके अपकर्ष, आघात और अन्य रोग प्रक्रियाओं के कारण हुई कार्य-हानि को पुनः स्थापित करना है।
• स्टेम कोशिकाएँ जटिल संरचनाओं में स्वतः संगठित होने की आंतरिक क्षमता रखती हैं। जब इन्हें हाइड्रोजेल (अक्सर मैट्रिजेल) के भीतर रखा जाता है और उपयुक्त बाह्य कारकों की उपस्थिति में, इन्हें कोशिकाओं के सुव्यवस्थित समूहों वाली संरचनाएँ बनाने के लिए प्रेरित किया जा सकता है।
• स्टेम-कोशिका-जन्य आर्गेनॉयड प्रणालियों की हालिया उपलब्धता जो 3D स्व-संगठित ऊतक मॉडल प्रदान करती है, ऊतक और अंग प्रतिस्थापन दोनों के रूप में कार्य करने के लिए जैविक मॉडलों की एक आकर्षक नई श्रेणी प्रस्तुत करती है।
• आर्गेनॉयड अत्यंत छोटे, स्व-संगठित त्रि-आयामी ऊतक कल्चर होते हैं जो स्टेम कोशिकाओं से व्युत्पन्न होते हैं। आर्गेनॉयड्स को प्लूरिपोटेंट स्टेम कोशिकाओं (PSCs) और वयस्क स्टेम कोशिकाओं (ASCs) दोनों से ऊतक विकास और होमियोस्टेसिस के जैव-रासायनिक और भौतिक लक्षणों की नकल करके बनाया गया है।
• नैनो-विज्ञान उन पदार्थों का अध्ययन है जिनका आकार नैनोमीटर सीमा में होता है, अर्थात् एक माइक्रॉन से कम, अर्थात् $10^{-9}$ से $10^{-12}$ तक। नैनो-स्केल में पदार्थों के अनुप्रयोग को नैनो-प्रौद्योगिकी कहा जाता है।
• नैनो-जैवप्रौद्योगिकी का तात्पर्य जैवप्रौद्योगिकी के क्षेत्र में नैनो-प्रौद्योगिकी के उपयोग से है। नैनो-चिकित्सा नैनो-जैवप्रौद्योगिकी की सबसे सशक्त शाखा है जिसका उपयोग निदान, औषधि/जीन वितरण और चिकित्सा के लिए किया जाता है।
• नैनो-जैव-संवेदक: नैनो-प्रौद्योगिकी ने रोग के जैव-चिह्नों (biomarkers) के पता लगाने के लिए संवेदक विकास के क्षेत्र में क्रांति ला दी है। पॉइंट-ऑफ-केयर उपकरण विकसित किए जा सकते हैं जो कम लागत, अधिक संवेदनशील हों और जिनकी जाँच बिस्तर पर या गाँवों में थोड़ी मात्रा के नमूने से की जा सके। वैज्ञानिक “लैब ऑन ए चिप” की अवधारणा पर कार्य कर रहे हैं, जहाँ नैनो-प्रौद्योगिकी और सूक्ष्म-प्रवाहिकी (microfluidics) का उपयोग करके एक साथ अनेक परीक्षण किए जा सकते हैं।
• सिंथेटिक जीवविज्ञान को जैविक घटकों की एक तर्कसंगत डिज़ाइन दृष्टिकोण से निर्माण करना कहा जा सकता है जिससे निश्चित कार्य प्राप्त हों।
• ऑटोमेशन और कृत्रिम बुद्धिमत्ता (उदाहरणतः प्लाज़्मिड डिज़ाइन और निर्माण में) के अनुप्रयोग से समय और लागत कम करके निवेश पर लाभ (return on investment) में सुधार करने में मदद मिल सकती है।

अभ्यास

1. बायोडीज़ल के क्या लाभ हैं?

2. जैवअपघटन और जैवप्रतिकार के बीच अंतर सूचीबद्ध करें।

3. समझाएं कि बायोफ्यूल जीवाश्म ईंधन से बेहतर कैसे है।

4. $3 \mathrm{D}$ संवर्धन में आने वाली चुनौतियों की गणना करें।

5. स्टेम कोशिकाओं का ऑर्गेनॉयड और स्फेरॉयड उत्पन्न करने में क्या अनुप्रयोग हैं?

6. नैनो सामग्रियाँ क्या होती हैं?

7. क्या नैनो उत्पादों से विशिष्ट स्वास्थ्य जोखिम होते हैं?

8. ऑर्गेनॉयड बनाए जा सकते हैं:

(a) दोनों टोटीपोटेंट और प्लूरिपोटेंट कोशिकाओं से

(b) दोनों प्लूरिपोटेंट और मल्टीपोटेंट कोशिकाओं से

(c) दोनों वयस्क स्टेम कोशिकाओं और प्लूरिपोटेंट कोशिकाओं से

(d) दोनों वयस्क स्टेम कोशिकाओं और मल्टीपोटेंट कोशिकाओं से

9. इन्सिनरेशन है:

(a) सूक्ष्मजीवों का उपयोग करके अयस्कों से धातुओं को निकालना

(b) अपशिष्ट का उपचार जिसमें कार्बनिक पदार्थों का दहन शामिल है

(c) सूक्ष्मजीवों का उपयोग करके हानिकारक रसायनों और सामग्रियों का अपघटन

(d) सूक्ष्मजीवों का उपयोग करके पर्यावरण से हानिकारक धातुओं का प्रतिकार

10. स्टेम कोशिकाओं से व्युत्पन्न अति सूक्ष्म, आत्म-संयुक्त, त्रि-आयामी ऊतक संवर्धन को कहा जाता है:

(a) स्फेरॉयड

(b) ऑर्गेनॉयड

(c) मोनोलेयर कोशिका संवर्धन

(d) ऊतक एक्सप्लांट

11. नैनो सोने के कणों का रंग क्या होता है?

(a) पीला

(b) नारंगी

(c) लाल

(d) परिवर्तनीय

12. क्वांटम डॉट्स का उपयोग किया जा सकता है:

(a) क्रिस्टलोग्राफी में

(b) ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स में

(c) यांत्रिकी में

(d) क्वांटम भौतिकी में

13. कपड़े व्यापक रूप से नैनो सामग्रियों से बनाए जाते हैं जैसे

(a) कार्बन नैनो ट्यूब

(b) फुलरीन

(c) मेगा ट्यूब

(d) पॉलिमर

14. अभिकथन: बीटी कॉटन एक ट्रांसजेनिक पौधा है।

कारण: बीटी विष पौधों को कीटों से प्रतिरोध प्रदान करता है।

(a) अभिकथन और कारण दोनों सत्य हैं और कारण अभिकथन का सही स्पष्टीकरण है।

(b) अभिकथन और कारण दोनों सत्य हैं लेकिन कारण अभिकथन का सही स्पष्टीकरण नहीं है।

(c) अभिकथन सत्य है लेकिन कारण असत्य है।

(d) अभिकथन और कारण दोनों असत्य हैं।

15. अभिकथन: बायोडीज़ल कच्चे तेल, पशु वसा आदि जैसे कच्चे माल से बनाया जाता है।

कारण: बायोडीज़ल जले नहीं हुए कार्बन से होने वाले कण उत्सर्जन को कम करता है।

(a) अभिकथन और कारण दोनों सत्य हैं और कारण अभिकथन का सही स्पष्टीकरण है।

(b) अभिकथन और कारण दोनों सत्य हैं लेकिन कारण अभिकथन का सही स्पष्टीकरण नहीं है।

(c) अभिकथन सत्य है लेकिन कारण असत्य है।

(d) अभिकथन और कारण दोनों असत्य हैं।