كاهش تدريجي در منابع سوخت هاي فسيلي و افزايش آلودگي در سطح جهان،تمدن را براي يافتن شيوه هايي جديد به منظور استفاده از منابع مشابه و سوخت هاي جايگزين هدايت مي كند.منابعي كه نه تنها ترسي از تمام شدنشان وجود نداشته باشد، بلكه آلودگي هاي قبلي را هم نداشته باشد. شكل گيري اين اقدامات به دهه 1950 باز مي گردد.يعني زماني كه زيست شناسان با شناسايي و دستكاري ژن ها،اولين گام ها را براي ورود به قرن بيو تكنولوژي برداشتند.
پس از هزاران سال گداختن،ذوب كردن، پيوند دادن،ساختن و سوزانيدن مواد بي جان به منظور توليد اشياء مفيد،اكنون بشر در پي مجزا نمودن و تركيب كردن،گنجانيدن و پيوند زدن مواد زنده به منظور توليد وسايل رفاهي مقرون به صرفه مي باشد.و در واقع همانطور كه اقدام به توليد پلاستيك نموده ايم ،حال ديگر مواد زنده را توليد مي كنيم.

از نو ساختن دنيا
امروزه صد ها شركت زيست مهندسي جديد به پيشگامان انقلاب بيوتكنولوژي مبدل شده اند. نام هايي همچون "آمگان" ،"ارگانوجنسيس"،"جنزيم"،"كالجين"،"مايكوجن" و" ميرياد" پيشگاماني بودند كه به نظر كارشناسان صنعتي راه را براي دومين انقلاب بزرگ تكنولوژيكي در تاريخ جهان هموار كردند.علاوه بر شركت هاي فوق، هم اينك ده ها شركت چند مليتي مهم بودجه هايي را صرف تحقيقات در زمينه بيوتكنولوژي مي نمايند.از آن جمله ميتوان به شركت هاي "دو پونت"،"آپ جان"،"الي ليلي"و.... اشاره كرد.
تقريبا در هر زمينه اي در علوم زيستي، دستورالعمل هاي توسعه در حال برنامه ريزي و طراحي مي باشند،روند درازمدت تجهيز به ابزار و امكانات لازم شتاب گرفته است،پرسنل جديد به خدمت گرفته شده اند و همه و همه دست به دست هم داده اند تا با سرعتي ديوانه وار تجارت جديد ژنتيك را به نظام اقتصادي حاكم معرفي نمايند و تمدن را براي چشيدن اولين ميوه هاي عصر بيوتكنولوژيك آماده كنند. در حال حاضر 1300 شركت در حوزه بيوتكنولوژي تنها در ايالات متحده وجود دارد كه مجموع درامد آنها در حدود 13 ميليارد دلار براورد مي شود و در مجموع بيش از صد هزار نفر نيز در اين شركت ها به فعاليت مشغولند. چنين توسعه اي تنها در اولين دهه اين انقلاب جديد تكنولوژيكي و اقتصادي رخ داده است و چه بسا احتمال دارد كه
ادامه مطلب

شامل روشهایی مانند جداسازی ، خالص سازی ، وارد کردن و تظاهر یک ژن خاص در یک میزبان است که منجر به ایجاد یک صفت جدید یا تولید محصول مورد نظر می‌شود. مهندسی ژنتیک کابردهای وسیعی دارد.

دید کلی

با استفاده از فن‌آوری DNA نوترکیب ، مطالعه ساختمان و عملکرد ژن بسیار آسان شده است و جداسازی یک ژن از یک کروموزوم بزرگ نیاز دارد به:

• روشهایی برای برش و دوختن قطعات DNA
  
  
• وجود ناقلین کوچک DNA که قادر به تکثیر خود بوده و ژنهایی در داخل آنها قرار داده شود.
  
  
• روشهایی برای ارائه ناقل حاوی DNA خارجی به سلولی که در آن بتواند تکثیر یافته و کلنی‌هایی را ایجاد کند.
  
  
• روشهایی برای شناسایی سلولهای حاوی DNA مورد نظر.
  
  پیشرفتهای حاصل در این فن‌آوری ، در حال متحول نمودن بسیاری از دیدگاه‌های پزشکی ، کشاورزی و سایر صنایع می‌باشد.
  
  پیشرفتهای حاصل از دهها سال کار هزاران دانشمند در زمینه‌های ژنتیک ، بیوشیمی ، بیولوژی سلول و شیمی فیزیک در آزمایشگاههای متعدد گرد هم آمدند تا فن‌آوریهایی برای تعیین موقعیت ، جداسازی ، آماده سازی و مطالعه قطعات DNA مشتق از کروموزومهای بسیار بزرگتر را ایجاد نمایند. تاکنون فن‌آوریهای کلون سازی DNA ، فرصتهای غیر قابل تصوری را برای تعیین هویت و مطالعه ژنهایی فراهم نموده‌اند که تقریبا در هر فرآیند بیولوژیک شناخته شده ، نقش دارند. این روشهای جدید ، تحقیقات پایه ، کشاورزی ، پزشکی ، اکولوژی ، پزشکی قانونی و بسیاری از زمینه‌های دیگر را دگرگون کرده‌اند.

تخمیرهای میکروبی

تعدادی از محصولات مهم صنعتی بوسیله میکروارگانیزمها ساخته می‌شوند که از بین آنها ، آنتی بیوتیکها مهمترین گروه می‌باشند. بوسیله مهندسی ژنتیک می‌توان میکروارگانیزمهایی ایجاد کرد که آنتی بیوتیک بیشتری تولید کنند و یا مشتقی از آنتی بیوتیک اولیه را بسازند.

واکسنهای ویروسی

واکسن ماده‌ای است که می‌تواند سیستم ایمنی را بر علیه یک عامل عفونی تحریک کند. معمولا از ویروسهای کشته شده به عنوان واکسن استفاده می‌شود، ولی همواره یک خطر احتمالی وجود دارد که ویروس بطور کامل غیر فعال نشده باشد. از آنجایی که معمولا قسمت فعال و ایمنی‌زایی ویروس ، پروتئینهای پوشش آن هستند، می‌توان پروتئینهای پوششی را به تنهایی و بدون قسمتهای دیگر تهیه کرد. برای این کار ژن مربوط به پروتئین پوششی را در یک باکتری و یا در یک ویروس غیر بیماری‌زا کلون می‌کنند و از آنها به عنوان واکسنهای بی‌خطر استفاده می‌نمایند.

تولید پروتئینهای خاص

تولید پروتئینهای خاص از نظر پزشکی و تجاری ارزش دارد. تولید تجاری پروتئینهای انسان از طریق استخراج از بافتها یا مایعات بدن غیر ممکن یا بسیار گران است. با کلون کردن ژنهای مربوط به این پروتئینها در باکتریها تولید تجاری این پروتئینها ، امکان‌پذیر می‌گردد.

حیوانات و گیاهان تغییر یافته

علاوه بر تولید محصولات ارزشمند بوسیله میکروبها ، از مهندسی ژنتیک می‌توان به منظور ایجاد گیاهان و جانوران تغییر یافته استفاده کرد. به این گیاهان و جانوران بطور کلی تغییر یافته ژنتیکی (Trasgenetic) ، گفته می‌شود. تغییرات ژنی این موجودات ، مواردی چون تولید محصولات بیشتر ، تغییر کیفیت گوشت و سبزیجات و تولید پروتئینهای خاص که بوسیله باکتریها ، نمی‌توان تولید کرد، را دربر می‌گیرد. این کار بطور کلی از طریق وارد کردن ژنهای نوترکیب در دوران جنینی به جانوران و در کشت بافت به گیاهان انجام می‌شود.

بیوتکنولوژی محیط زیست

باکتریها به دلیل تنوع متابولیزمی گسترده ، دارای یک خزانه ژنتیکی بسیار غنی می‌باشند. در بعضی موارد در این خزانه ژنهایی یافت می‌شوند که مواد آلوده کننده محیط زیست را تجزیه می‌کنند. ژنهای تجزیه بیولوژیکی بسیاری از مواد زاید فاضلابهای شهری و پسابهای صنعتی ، از باکتریهای موجود در طبیعت جدا شده‌اند. از این ژنها می‌توان برای کاهش آلودگیهای محیط زیست استفاده کرد.

مثالی از این کار ، ژنهای تجزیه کننده حشره کشهای کلردار ، مانند 5,4,2- تری کلروفنوکسی استیک اسید ، کلروبنزن ، نفتالین ، تولوئن ، آنیلین و هیدروکربنهای مختلف دیگر می‌باشد. ژنهای مورد نظر از باکتریهای پسدوموناس ، آلکالیژنس و تعدادی از باکتریهای دیگر جدا شده و در پلاسمیدهای مختلف وارد شده است. همچنین پلاسمیدهایی ایجاد شده است که ژنهای تجزیه کننده چند ماده مختلف را بطور همزمان بر روی خود دارند.

تنظیم ژنها و ژن درمانی

استفاده اولیه مهندسی ژنتیک در تولید محصولات مفید صنعتی و یا بهبود تولید بود، ولی مطالعات اخیر بر روی کنترل ژنهای خاص بنا شده است. امروزه قسمت اعظم تحقیقات پایه در مهندسی ژنتیک بر روی Antisense RNA که نقش مهمی در تنظیم ژنتیکی بیان ژنها به عهده دارد، پایه گذاری شده است. همچنین مطالعات گسترده‌ای بر روی امکان درمان بیماریهای ژنتیکی از طریق وارد کردن ژن سالم یعنی ژن درمانی در حال انجام است.

تولید پروتئینها و هورمونهای کاربردی

یکی از کاربردهای عملی اولیه مهندسی ژنتیک تولید پروتئینهای مورد نظر بوسیله میکروارگانیزمهای سریع‌الرشد و تولید ارزان قیمت این پروتئینها بود. بسیاری از پروتئینها و پپتیدهای پستانداران ارزش دارویی زیاد دارند، ولی معمولا در مقادیر بسیار ناچیزی در بافتهای طبیعی وجود دارند و استخراج آنها مقرون به صرفه نمی‌باشد. این پروتئینها را می‌توان به راحتی در میکروارگانیزمها تولید کرد.

تولید هورمونها

بسیاری از هورمونها ، پپتیدها و یا پروتئینهای کوچک هستند. این هورمونها در کنترل متابولیزم بدن پستاندارن و مخصوصا انسان استفاده‌های خاص و مهمی دارند. یکی از مثالهای این تولیدات ، تولید هورمون انسولین می‌باشد. هورمون انسولین انسانی اولین داروی تولید شده بوسیله مهندسی ژنتیک بود که مصرف عمومی پیدا کرد. انسولین هورمونی است که بوسیله غده لوزوالمعده ترشح می‌شود و کمبود آن باعث بیماری دیابت می‌گردد.

بیماری دیابت گریبانگیر میلیونها نفر در سراسر جهان است که روش استاندارد درمان آن ، تزریق منظم انسولین است. چون انسولین پستانداران مختلف تقریبا مشابه می‌باشد، در ابتدا از انسولین جدا شده از لوزوالمعده گاو و یا خوک استفاده می‌شد، ولی انسولین غیرانسانی به اندازه انسولین انسانی موثر نیست و هزینه خالص سازی نیز گران می‌باشد، لکن امروزه این هورمونها توسط مهندسی ژنتیک تولید می‌شوند.

لازم به ذکر است که تولید هورمونهایی مانند انسولین یک کار ساده مهندسی ژنتیک نیست که فقط شامل وارد کردن ژن مربوطه به داخل حامل و کلون کردن آن باشد، زیرا بسیاری از هورمونها فقط قطعات کوچکی از پلی پپتیدهای بزرگ تولید شده بوسیله ژنها می‌باشند.

چشم انداز

محصولات فن‌آوری DNA نوترکیب ، از پروتئینها تا موجودات مهندسی شده متفاوت می‌باشد. با این فن‌آوریها می‌توان مقادیر زیاد پروتئینها را برای مقاصد تجارتی تولید نمود. از میکروارگانیزمها می‌توان برای انجام کارهای اختصاصی استفاده نمود. با استفاده از مهندسی ژنتیک ، می‌توان صفاتی را در گیاهان و جانوران ایجاد کرد که برای کشاورزی و پزشکی مفید باشند. بعضی از محصولات این فن‌آوری برای استفاده مورد تائید قرار گرفته و تعداد زیادی در حال تکامل هستند. در طی چند سال اخیر ، مهندسی ژنتیک از یک فن‌آوری وعده دهنده به یک صنعت چند بیلیون دلاری تبدیل شده و بیشتر رشد آن در صنعت دارویی بوده است.

 

ژنتیک و زیست شناسی مولکولی دو موضوع کاملا مرتبط بهم هستند و اگر چه تفاوتهایی بین آنها موجود است، ولی بهتر است که آنها را در یک قالب مطرح کرد. به این دلیل اصطلاح ژنتیک مولکولی امروزه اغلب برای تشریح شاخه‌ای از زیست شناسی بکار می‌رود که مربوط به مطالعه همه جنبه‌های یک ژن است.

دید کلی

ماهیت مولکولی ماده ژنتیکی چیست؟ چطور اطلاعات ژنتیکی از یک نسل به نسل بعد با صحت بالا انتقال می‌یابد؟ تغییرات نادر در ماده ژنتیکی که ماده خام تکامل می‌باشد، چگونه ایجاد می‌شوند؟ چطور اطلاعات ژنتیکی نهایتا به شکل توالیهای اسید آمینه‌ای مولکولهای پروتئینی متنوع موجود در یک سلول زنده ، بیان می‌شود؟ و ... . واحد پایه اطلاعات در سیستمهای زنده ، ژن می‌باشد.

از نظر بیوشیمیایی یک ژن به صورت قطعه‌ای از DNA تعریف می‌شود که اطلاعات مورد نیاز برای ایجاد یک محصول دارای فعالیت بیولوژیک راکد می‌کند. محصول نهایی معمولا یک پروتئین است. ممکن است محصول ژنی وظیفه‌ای یکی از انواع RNA باشد. ذخیره ، حفظ و متابولیزم این واحدهای اطلاعاتی موضوعات بحث را در ژنتیک مولکولی تشکیل می‌دهند. پیشرفتهای اخیر در ژنتیک مولکولی ، منجر به مطرح شدن سه فرآیند اصلی در استفاده از اطلاعات ژنتیکی شده است.

• اولین فرآیند ، همانند سازی DNA یا نسخه برداری از DNA مادری و تولید مولکولهای DNA با توالیهای نوکلئوتیدی یکسان می‌باشد.
  
  
• دومین فرآیند سنتز RNA از روی DNA است، که طی قسمتهایی از پیام ژنتیکی کد شده در DNA دقیقا به صورت RNA ، نسخه برداری می‌شود.
  
  
• سومین فرآیند ، ترجمه می‌باشد که به موجب آن پیام ژنتیکی کد شده در RNA پیک بر روی ریبوزومها به پلی‌پپتیدی با توالی مشخص از اسیدهای آمینه ترجمه می‌شود.

وقایع مهم در ژنتیک مولکولی تا سال 1944

• شروع ژنتیک توسط گرگور مندل و با مقاله‌ای بود که وی در سال 1866 در مجموعه مقالات انجمن علوم طبیعی در مورد نخود فرنگی ، به چاپ رساند.
• تا سال 1900 طول کشید تا سایر زیست شناسان مانند هوگو ، کورنس و شرماک اهمیت کار مندل را درک کنند و این علم پس از رکورد طولانی توالی دوباره یافت.
• در سال 1903 ، ساتن پیشنهاد کرد که ژنها روی کروموزومها قرار دارند.
• در سال 1909 ، یوهانس پیشنهاد کرد که عوامل مندلی ژن نامیده شدند.
• در سال 1910 ، مورگان آزمایشهای زیادی بر روی مگس سرکه انجام داد.
• در سال 1927 ، مولر کشف کرد که اشعه ایکس ایجاد موتاسیون (جهش) در مگس سرکه می‌نماید.
• در سال 1941 ، بیدل و تاتوم پیشنهاد کردند که هر ژن فعالیت یک آنزیم را کنترل می‌کند.
• در سال 1944 ، کتاب زندگی چیست توسط یک فیزیکدان به نام شرودینگر انتشار یافت.

کشف ساختمان DNA

شناخت امروزی ما در مورد مسیرهای اطلاعاتی از همگرایی یافته‌های ژنتیکی ، فیزیکی و شیمیایی در بیوشیمی امروزی حاصل شده است. لین شناخت در کشف ساختمان دو رشته مارپیچی DNA ، توسط جیمز واتسون و فرانسیس کریک در سال 1953 خلاصه گردید. فرضیه ژنتیکی ، مفهوم کد نمودن توسط ژنها را مشخص نمود. با استفاده از روشهای فیزیکی ، تعیین ساختمان مولکولی DNA بوسیله آزمایش انکسار اشعه ایکس ممکن گردید. شیمی نیز ترکیب DNA را آشکار نمود. ساختمان مارپیچی دو رشته‌ای DNA ، چگونگی نسخه برداری آن را نشان داد، نحوه تولید RNA و سنتز پروتئین از روی آن را شفاف کرد.

ژنها و کروموزومها

ژنها قطعاتی از یک کروموزوم هستند که اطلاعات مورد نیاز برای یک مولکول DNA یا یک پلی پپتید را دارند. علاوه بر ژنها ، انواع مختلفی از توالیهای مختلف تنظیمی در روی کروموزومها وجود دارد که در همانند سازی ، رونویسی و ... شرکت دارند. کروموزومهای یوکاریوتی دارای دو توالی مهم تکراری DNA می‌باشند که عمل اختصاصی را انجام می‌دهند؛ سانترومرها که نقاط اتصالی برای دوک تقسیم هستند و تلومرها که در دو انتهای کروموزوم وجود دارند. کروماتین در یوکاریوتها به صورت واحدهای نوکلئوزومی قرار دارد.

متابولیزم DNA

سلامت DNA بیشترین اهمیت را برای سلول دارد که آن را می‌توان از پیچیدگی و کثرت سیستمهای آنزیمی شرکت کننده در همانند سازی ، ترمیم و نوترکیبی DNA ، دریافت. همانند سازی DNA با صحت بسیار بالا و در یک دوره زمانی مشخص در طی چرخه سلولی به انجام می رسد. همانند سازی نیمه حفاظتی است، بطوری که هر رشته آن به عنوان قالبی برای تولید رشته جدید DNA مورد استفاده قرار می‌گیرد. سلولها دارای سیستمهای متعددی برای ترمیم DNA هستند. توالیهای DNA در طی واکنشهای نوترکیبی ، در فرآیندهایی که شدیدا هماهنگ با همانند سازی یا ترمیم DNA هستند، نو آرایی می‌شوند.

متابولیزم RNA

رونویسی توسط آنزیم RNA پلیمراز وابسته به DNA کاتالیز می‌شود. رونویسی در چندین فاز ، شامل اتصال RNA پلیمراز به یک جایگاه DNA به نام پروموتور ، شروع سنتز رونویسی ، طویل سازی و خاتمه ، روی می‌دهد. سه نوع RNA ساخته می‌شود؛ RNA پیک که برای ساختن پلی پپتیدها مورد استفاده قرار می‌گیرد. RNA ناقل که در انتقال اسیدهای آمینه بر روی ریبوزومها برای پروتئین سازی ، شرکت دارند و RNA ریبوزومی که در ساختار ریبوزوم شرکت دارند. این RNA ها به صورت پیش ساز ساخته می‌شوند که طی فرآیندهای آنزیمی بالغ می‌شوند.

متابولیزم پروتئین

پروتئینها در یک کمپلکس RNA پروتئینی به نام ریبوزوم ، با یک توالی اسید آمینه‌های خاص در طی ترجمه اطلاعات کد شده در RNA پیک ، سنتز می‌گردند. اسیدهای آمینه‌ای که توسط کدونهای RNA پیک مشخص می‌گردند، از کلمات سه حرفی نوکلئوتیدی تشکیل شده‌اند. برای ترجمه نیاز به مولکولهای RNA ناقل می‌باشد که با شناسایی کدونها ، اسیدهای آمینه را در موقعیتهای متوالی مناسب خود در داخل زنجیر پلی پپتیدی قرار می‌دهند. بعد از سنتز بسیاری از پروتئینها به موقعیتهای خاص خود در داخل سلول هدایت می‌شوند.

تنظیم بیان ژن

بیان ژنها توسط فرآیندهایی تنظیم می‌شود که بر روی سرعت تولید و تخریب محصولات ژنی اثر می‌گذارند. بیشتر این تنظیم در سطح شروع رونویسی و بواسطه پروتئینهای تنظیمی رخ می‌دهد که رونویسی را از پروموتورهای اختصاصی مهار یا تحریک می‌کنند. اثر مهارکننده ها را تنظیم منفی و فعال شدن را تنظیم مثبت گویند. پروتئینهای تنظیمی ، پروتئینهای اتصالی DNA هستند که توالیهای اختصاصی از DNA را شناسایی می‌کنند. هورمونها بر روی تنظیم بیان ژن تأثیر دارند. موجودات یوکاریوت و پروکاریوت دارای مکانیزمهای متفاوتی برای تنظیم بیان ژنهای خود دارند.

فناوری DNA نوترکیبی

با استفاده از فناوری DNA نو ترکیبی مطالعه ساختمان و عملکرد ژن بسیار آسان شده است. جداسازی یک ژن از یک کروموزوم بزرگ نیاز دارد به، روشهایی برای برش و دوختن قطعات DNA ، وجود ناقلین کوچک که قادر به تکثیر خود بوده و ژنها در داخل آنها قرار داده می‌شوند، روشهایی برای ارائه ناقل حاوی DNA خارجی به سلولی که در آن بتواند تکثیر یافته و کلنیهایی را ایجاد کند و روشهایی برای شناسایی سلولهای حاوی DNA مورد نظر. پیشرفتهای حاصل در این فناوری ، در حال متحول نمودن بسیاری از دیدگاههای پزشکی ، کشاورزی و سایر صنایع می‌باشد.

مهندسی ژنتیک ، شامل تکنیکهایی مانند جداسازی ، خالص سازی ، وارد کردن و تظاهر یک ژن خاص در یک میزبان می‌باشد که نهایتا منجر به بروز یک صفت خاص و یا یک محصول مورد نظر می‌شود.

دید کلی

کاربردهای مهندسی ژنتیک تقریبا نامحدود به نظر می‌رسد. این علم کاربردهای زیادی در علوم پایه و همچنین تولیدات صنعتی ، کشاورزی و علوم پزشکی دارد. در زمینه علوم پایه ، بررسیهایی مانند مکانیزمهای همانند سازی DNA و بیان ژنها در پروکاریوتها ، یوکاریوتها و ویروسها و همچنین چگونگی ساخته شدن و تغییرات پروتئینهای داخلی سلول و همچنین مکانیزم ایجاد سرطان از جمله کاربردهای مهندسی ژنتیک است. در زمینه کشاورزی که زمینه بسیاری از کاربردهای مهندسی ژنتیک بوده است، تولید گیاهان مقاوم به آفات گیاهی و خشکی ، تولید گیاهان پرمحصول و تولید گاوهای دارای شیر و گوشت بیشتر ، را می‌توان نام برد. در زمینه کاربردهای انسانی ، تشخیص بیماریهای ارثی ، تولید انسولین انسانی ، تولید هورمون رشد انسان و ... را می‌توان نام برد.

تاریخچه

اهمیت بعضی از اصول علمی ، در زمان کشف آنها مشخص نمی‌شود، بلکه پس از مدت زمانی که می‌گذرد ارزش آنها معلوم می‌شود. یکی از مثالهای روشن این مساله کشف ساختمان سه بعدی DNA بوسیله واتسون و کریک در سال 1953 بود. این ساختمان نسبتا ساده باعث شد تا دانشمندان سیستمهای مختلف ژنتیکی را بررسی کنند. اما مطلب به همین جا ، ختم نشد و دانشمندان مختلف سعی کردند که از این اطلاعات استفاده نمایند. هدف آنها نیز بیان ساده‌ای داشت. آنها خواستند تا یک DNA را از یک موجود بگیرند و در موجود دیگر وارد نمایند تا اثرات آن ژن در موجود ثانویه بروز کند.

این علم نوین که به تدریج جای خود را در بین علوم دیگر پیدا کرد، با عناوین چون زیست مولکولی ، مهندسی ژنتیک و نهایتا DNA نوترکیب (Recombinant DNA) نامیده می‌شود. مثالی معروف از کارهای مهندسی ژنتیک تولید یک نوع باکتری اشرشیاکلی (E.Coli) است که قادر است انسولین انسانی بسازد. یا تولید گیاهان مقاوم به شوری و خشکی.

مراحل مهندسی ژنتیک

• انتخاب ژن مورد نظر
• جداسازی ژن مورد نظر
• وارد کردن ژن مورد نظر در حامل
• تکثیر ژن در میزبان مناسب
• انتقال حامل ژن به سلول هدف
• تکثیر سلول هدف
• تولید انبوه محصول یا ایجاد صفت مورد نظر

تولید DNA نوترکیب با استفاده از آنزیمهای محدود‌الاثر(Restriction)

• گروهی از آنزیم های محدود‌الاثر هنگام برش ، توالیهای مورد شناسایی‌شان را بطور نامتقارن می‌شکنند، در نتیجه در انتهای قطعات DNA حاصله رشته‌های تکی با حدود 4 نوکلئوتید بوجود می‌آید که به این انتهای تک رشته‌ای ، انتهای چسبنده (Sticky end) می‌گویند. یکی از آنزیمها ECORI نام دارد که باعث ایجاد قطعاتی می‌شود که در انتهای خود ، چسبنده می‌باشند.
  
  
• حال فرض کنید که دو قطعه متفاوت DNA بوسیله یک آنزیم محدودالاثر یکسانی برش داده شده‌اند، اگر قطعات حاصل از این برش با هم مخلوط شوند و شرایط مناسب فراهم شود انتهاهای چسبناک که مکمل هم می‌باشند بهم متصل می‌شوند. سپس بوسیله آنزیم DNA لیگاز این رشته‌ها به صورت کووالانسی بهم متصل می‌شوند.
  
  
• هدف اصلی برش DNA در مهندسی ژنتیک ، اتصال دو قطعه DNA به یکدیگر می‌باشد. ولی هنگام اتصال قطعات DNA ممکن است بجای اینکه قطعات DNA بهم متصل شوند، دو سر یک مولکول DNA بار دیگر بهم بچسبند و در نتیجه نوترکیب صورت نگیرد. برای جلوگیری از این کار از آنزیم فسفاتاز قلیایی استفاده می‌کنند. به این صورت که پس از برش دادن حامل بوسیله آنزیم محدودالاثر فسفاتاز را به محیط واکنش می‌افزایند و در نتیجه فسفات انتهای 5 مولکول DNA در هر دو طرف جدا می‌شود و امکان اتصال دو سر مولکول حامل ، بدون DNA تازه ، به یکدیگر از بین می‌رود.

سیستمهای کلون کردن ژن

کلون کردن یک ژن خاص مهمترین مرحله مهندسی ژنتیک است. هدف از کلون کردن ژن به دست آوردن مقادیر زیادی از ژنهای خاص به صورت خالص می‌باشد. هدف اصلی کلون کردن ژن ، انتقال ژن مورد نظر از داخل یک ژنوم بزرگ و پیچیده به داخل یک حامل ساده و کوچک تکثیر آن است.

مراحل کلون کردن ژن

• جداسازی و قطعه قطعه کردن منبع DNA: منبع DNA می‌تواند، ژنوم کامل یک موجود باشد که در این صورت، باید آن را بوسیله آنزیم محدودالاثر برش داد و قطعات حاصله را برای کلون کردن بکار برد.
  
  
• اتصال به یک حامل کلون (Cloning Vector): حاملهای کلون ، قطعات ژنتیکی کوچکی هستند که بطور مستقل توانایی تکثیر دارند و دارای محل برش بوسیله آنزیمهای محدودالاثر می‌باشند، ولی این برش نباید در محل همانند سازی این حاملها باشد.
  
  
• ورود به داخل میزبان:DNA نوترکیب حاصل به روشهای مختلف وارد باکتری یا میزبان مورد نظر می‌شود.
  
  
• شناسایی و جداسازی کلون حاوی ژن مورد نظر: این مرحله شامل جداسازی میزبانهایی است که ژن مورد نظر بوسیله حامل وارد آنها شده و به نحو موثر بیان می‌شود.
  
  
• تولید تعداد زیاد سلولها و یا باکتریهای حاوی ژن: این کار به منظور جداسازی و بررسی ژن مورد نظر ، انجام می‌گیرد.

حاملهای کلون (Cloning Vector)

پلاسمیدها

قطعات DNA حلقوی هستند. که در داخل سیتوپلاسم باکتریها و جدا از کروموزوم آنها قرار دارند و بطور مستقل تکثیر می‌شوند. پلاسمیدها ، خصوصیات مفیدی برای استفاده به عنوان حامل دارند مانند: اندازه کوچک ، DNA حلقوی ، همانند سازی مستقل ، تکثیر زیاد و شاخصهای مفید دیگر مانند دارا بودن ژنهای مقاومت به آنتی بیوتیک که جداسازی کلنی‌های حاوی پلاسمید را راحتتر می‌کند.

باکتریوفاژها (ویروس باکتری)

• ویروسها به خاطر داشتن پروتئینهای خاص ، نفوذ بسیار موثر و اختصاصی را به داخل سلولهای میزبان انجام می‌دهند.
  
• بعضی ویروسها در قسمتی از چرخه تکثیر خود ، نفوذ پایداری به داخل ژنوم میزبان دارند که این باعث پایداری بیان ژن در داخل سلول میزبان می‌شود.
  
• ویروسها دارای پروموتورهای خاصی هستند که بوسیله سلولهای میزبانی شناخته می‌شوند و این باعث بیان مناسب ژنهای کلون شده می‌شود.

کازمیدها (Cosmids)

کازمیدها در حقیقت قطعات حاصل از دو انتهای ژنوم از دو انتهای ژنوم باکتریوفاژها لامبدا قرار بگیرند و در نتیجه وارد سلول Ecoli (باکتری اشرشیاکلی)شوند. در داخل سلول E.Coli این DNA به صورت حلقوی در آمده و مانند یک پلاسمید عمل می کند.

فاسمیدها

یکی دیگر از حامل‌های DNA نوترکیب هستند که ترکیبی از ژنوم باکتریوفاژ و پلاسمیدها هستند.

انتخاب میزبان مناسب

میزبان مورد نظر باید خصوصیاتی از قبیل پایداری ژنتیکی ، ژنوم کاملا شناخته شده مشخصات فیزیولوژیک معلوم ، توانایی پذیرش DNA خارجی ، داشتن یک شاخص خاص برای شناسایی در مواقع لزوم و ... را داشته باشد. یکی از شناخته شده ترین میزبانهای مورد استفاده باکتری E.Coli است. هنگام انجام کارهای ژنتیکی باید با مطالعاتی کافی یک سیستم حامل میزبان مناسب را انتخاب کرد و بکار برد. باسیلوس سوبتلیس (B.Subtilis) در مواردی که هدف از کلون کردن تولید یک پروتئین خالص می‌باشد، بر E.Coli ترجیح دارد. زیرا خصوصیات تخمیری این باکتری برای تولیدات صنعتی مناسب تر است.

روشهای وارد کردن حاملها به داخل میزبان

ویروسها و باکتریوفاژها

برای ویروسها و باکتریوفاژها و همچنین DNA نوترکیب که در داخل کپسید ویروس ها قرار گرفته‌اند (کاسمیدها) روش ورود واضح است و همانند ورود معمولی ویروس ها در سلول های میزبان است.

• ترانسفورماسیون: برای این کار DNA نوترکیب را با باکتری مجاور می‌کنند. این روش یکی از متداولترین روشهای انتقال است.
  
  
• الکتروپوریشن: در این روش قطعات DNA را در یک محیط دارای بار الکتریکی در مجاورت سلولها قرار می‌دهند. بار الکتریکی باعث ایجاد منافذ ریز در غشای سیتوپلاسمی می‌شود که این خود باعث تسهیل ورود قطعات DNA به داخل سلول می‌گردد.
  
  
• تفنگ ذره‌ای یا تفنگ اسید نوکلئیک: در این روش دقیقا تنگی در مقیاس میکروسکوپی وجود دارد که گلوله آن قطعات DNA می‌باشد و DNA را به داخل سلول ، شلیک می‌کند.

انتخاب کلونهای تغییر یافته

پس از اینکه DNA نوترکیب ساخته شد و در داخل باکتری میزبان ، انتقال داده شد. حال نوبت به انتخاب کلونهای باکتریایی می‌رسد که DNA نوترکیب مورد نظر به داخل آن انتقال یافته و به نحو موثری در داخل آن بیان شود. 3 خصوصیت در بین حاملین مشترک است. قدرت تکثیر در میزبان ، محل ورود ژن خارجی و یک شاخص انتخابی.

شاخصهای انتخابی موجود بر روی حاملها

مقاومت به آنتی بیوتیکها

مقاومت به آنتی بیوتیکها معمولا یا بوسیله آنزیم هایی ایجاد می‌شود که باعث غیر فعال شدن آنتی بیوتیکها می‌شوند و یا با سنتز پروتئینهایی است که به روشهای مختلف باعث ممانعت از اثر آنتی بیوتیکها می‌شوند. هر دو نوع مکانیزم مقاومت فوق بوسیله قطعات ژنتیکی ، کنترل می‌شوند. این قطعات ژنتیکی را می‌توان در حاملها وارد کرد و از آنها به عنوان شاخصهای انتقال موثر استفاده کرد.

نیازهای متابولیزمی

نیازهای متابولیزمی طیف وسیعی از مواد مختلف را شامل می‌شود. برای این کار از گونه‌های خاص از میزبان استفاده می‌شود که تونایی ساختن یک ماده متابولیزمی ضروری از دست داده‌اند، در نتیجه این باکتریها بر روی محیطهای بدون این ماده متابولیزمی رشد ، نخواهد کرد. برای مثال اگر یک باکتری توانایی تولید اسید امینه لوسین را نداشته باشد. بر روی محیط فاقد لوسین رشد نخواهد کرد.

حال اگر ما از حاملی استفاده کنیم که حاوی ژن سنتز لوسین باشد، باکتریهای میزبان حاوی این حاملها بر روی محیط فاقد لوسین رشد خواهند کرد. پس از اینکه کلنی‌های حاوی ژن نوترکیب انتخاب و جدا شدند، این کلنی‌ها را به میزان دلخواه تکثیر می‌دهند و سپس ژن تکثیر شده را برای بررسیهای بعدی استخراج کرده قرار می‌دهند.

حاملهای بیان ژن (Expression Vector)

یک حامل بیان ژن حاصل است که نه تنها می‌توان از آن به عنوان حامل کلون استفاده کرد. بلکه این حامل دارای کی توالی تنظیمی می‌باشد که باعث می‌شود که بیان ژن مورد نظر تحت کنترل مهندسی ژنتیک قرار گیرد. یک حامل بیان ژن خوب باید دارای مشخصات زیرا باشد. هر چه قدر تعداد نسخه‌های یک ژن بیشتر باشد، میزان بیان آنها بیشتر خواهد بود. پلاسمیدها از این نظر مناسب هستند. قدرت آغازگری آن خوب باشد. الگوی خواندن آن مناسب باشد. بطور کلی وظیفه مهندسی ژنتیک ایجاد یک حامل مناسب است که بتوانند بطور موثری به داخل میزبان وارد شود به تعداد همانند سازی کند بطور موثر نسخه برداری شود - بطور موثر ترجمه شود.

رمز ژنتیکی تعداد نوکلئوتیدهایی است که برای ساختن یک اسید آمینه لازم است. برای تعیین تعداد این نوکلئوتیدها آزمایشهای زیادی صورت گرفت و مشخص شد که تعداد نوکلئوتیدها برای ساختن یک اسید آمینه 3 عدد می‌باشد.

دید کلی

از سال 1953 که ساختار مولکولی DNA به صورت مارپیچ مضاعف مطرح شد و DNA به عنوان مرکز اطلاعات یاخته و نیز واسطه انتقال اطلاعات از نسلی به نسل دیگر یاخته‌ای مورد تاکید قرار گرفت. مساله اصلی چگونگی دخالت این مولکول در عملکردهای یاخته‌ای بود. از همان زمان این نظر قوت گرفت که سنتز پروتئینها مثل دیگر فرآیندهای زیستی یاخته‌ها تحت کنترل ماده ژنتیکی باشد.

پیشرفتهای حاصل نشان داد که عمل پروتئین سازی در واقع نوعی ترجمه است که طی آن زبان اطلاعاتی DNA و RNA به زبان اسیدهای آمینه تبدیل می‌شود. توالی اسیدهای آمینه بوسیله RNA پیک (mRNA) تعیین می‌شود و به عبارت دیگر رمز مربوط به اسیدهای آمینه بر روی mRNA قرار دارد. اما مشخص کردن این امر دشوار و حتی غیر ممکن بنظر می‌رسید زیرا هیچ روشی برای ایجاد ارتباط مستقیم بین رمز اسیدهای آمینه و mRNA وجود نداشت.

سیر تحولی

• در اوایل دهه 1950 پائول زامک نیک آزمایشاتی را برای تعیین محل سنتز پروتئین در داخل سلول انجام داد و تعیین کرد که سنتز پروتئین در اندامکهایی به نام ریبوزوم صورت می‌گیرد.
  
  
• دومین پیشرفت کلیدی توسط مالون هاگلند بدست آمد که نشان داد اسیدهای آمینه برای شرکت در پروتئین سازی در ریبوزومها ، باید به RNA محلول که بعدها RNA ناقل نامیده شد، متصل شوند.
  
  
• سومین پیشرفت کلیدی زمانی حاصل شد که کریک نحوه کد شدن اطلاعات ژنتیکی در زبان 4 حرفی نوکلئوتیدها به زبان 20 حرفی پروتئینها را مورد بررسی قرار داد. لازم به یادآوری است که فقط 20 اسید آمینه در ساختار پروتئینها شرکت دارند.این سه پیشرفت بزودی منجر به شناسایی مراحل اصلی سنتز پروتئین و نهایتا رمز گشایی ماده ژنتیکی گردید که هر اسید آمینه را مشخص می‌کند.

رمز ژنتیکی (Genetic Code)

در بین RNA های مختلف فقط RNA پیک حاوی رمز ژنتیکی برای سنتز پروتئینها می‌باشد. بازهای سازنده RNA پیک فقط 4 نوع هستند در حالی که پروتئینها از 20 نوع اسید آمینه ساخته شده‌اند. بنابراین باید بین بازهای موجود در مولکول RNA پیک و اسیدهای آمینه رابطه‌ای وجود داشته باشد تا بتوان رمز 4 حرفی RNA پیک را به رمز 20 حرفی پروتئینها ترجمه کرد. اگر یک نوکلئوتید نماینده یک اسید آمینه فرض شود در این صورت فقط رمز ترجمه چهار اسید آمینه بدست می‌آید (4¹).

اگر دو نوکلئوتید برای یک اسید آمینه در نظر گرفته شود در این صورت رمز ترجمه 16 (4²) اسید آمینه بدست می آید که البته با مقایسه 20 اسید آمینه کافی نیست. اگر 3 نوکلئوتید را رمز ترجمه یک اسید آمینه فرض کنیم در این صورت 64 (4³) رمز برای 20 اسیدآمینه بدست می آید. رمز سه نوکلئوتیدی ، رمز بازهای سه گانه (Triplet) نامیده می شود. RNA حامل ، واسط بین اسیدهای آمینه و بازهای سه گانه RNA پیک در پروتئین سازی است.

آزمایش نیرنبرگ برای تعیین رمز اسید آمینه

برای این که بتوان مکانیسم بیوسنتز پروتئینها را مطالعه کرد. نخست باید مخلوط مناسبی از مواد مختلف داخل سلولی تهیه نمود و با افزایش اسیدهای آمینه رادیواکتیو در این محیط واکنشهای سنتز پروتئینها را روشن ساخت. نیرنبرگ 20 نمونه از این مخلوط تهیه کرد و به هر یک از این نمونه‌ها مقداری پلیمر اسید اوریدیلیک و تنها یکی از 20 اسید آمینه را به صورت رادیواکتیو افزوده و نمونه‌ها را در دمای 37 درجه سانتیگراد قرار داد، رسوب حاصل فقط حاوی اسید آمینه فنیل آلانین است. بنابراین رمز فنیل آلانین در پلی u وجود دارد و باز سه گانه مربوطه uuu است. نیرنبرگ با تکرار آزمایش و انتخاب پلیمرهای مصنوعی دیگر ، بازهای سه گانه ccc را برای رمز پرولین و AAA را برای لیزین تعیین کرد.

روش شیمیایی شناسایی رمزهای سه گانه

نیرنبرگ و یکی از همکاران او به نام لدر با استفاده از روشهای شیمیایی تری‌نوکلئوتیدهای مختلفی را که ردیف بازهای آنها کاملا معلوم بود تهیه نموده و آنها را به جای پلی‌نوکلئوتیدهای مصنوعی در تجربه فوق مورد استفاده قرار دادند. به کمک این تجربیات دانشمندان فوق به این نتیجه رسیدند که هر باز سه گانه بر روی ریبوزوم قرار گرفته و با یک RNA ناقل که حامل اسیدهای آمینه مربوط به این باز سه گانه است پیوند می‌یابد. این ترکیب را می‌توان با روش صاف کردن روی نیترات سلولز ، به صورت خالص جدا ساخته و اسید آمینه و باز سه گانه موجود در آن را تعیین کرد و رمز مربوطه را شناخت.

رابطه رمز ژنتیکی با سنتز پروتئینها

از 64 باز سه گانه یا کدون سه کدون به کدونهای بی‌معنی (Nonsense) معروف هستند، فاقد هر گونه رمز برای اسیدهای آمینه هستند اما دست کم دو تا از آنها حاوی علایم پایانی سنتز پروتئینی می‌باشند به این معنی که نقطه پایان پلیمر شدن اسیدهای آمینه به صورت پروتئین را تعیین می‌کنند. 61 کدون باقیمانده حاوی رمزهایی برای انتخاب 20 اسید آمینه هستند و این خود به این معنی است که در رمزهای ژنتیکی بعضی از رمزها تکراری هستند یعنی چند کدون حاوی رمز یک اسید آمینه واحد می‌باشند.

ویژگیهای عمومی رمزهای ژنتیکی

• رمزهای ژنتیکی گسسته نیستند. یعنی بین آخرین نوکلئوتید یک رمز و اولین نوکلئوتید رمز بعدی فاصله‌ای وجود ندارد به عبارت دیگر بین دو رمز ژنتیکی ، نوکلئوتیدی بدون رمز وجود ندارند.
  
  
• رمزهای ژنتیکی منحصر به فرد و در عین حال مترادف هستند. به این معنی که از یک سو یک رمز ژنتیکی برای اسید آمینه‌ای هم در پروکاریوتها و هم در یوکاریوتها رمزی برای همین اسید آمینه است و به جز متیونین و تریپتوفان هر اسید آمینه بیش از یک رمز دارد (رمزهای مختلف).
  
  
• در بین ترادفهای هر رمز ژنتیکی ، تفاوت بطور معمول مربوط به نوکلئوتید سوم است. کمتر اختصاصی بودن باز سوم ، عاملی برای سهولت باز شدن پیوند بین رمز و ضد رمز هنگام سنتز پروتئین است. پدیده تغییر پذیری باز سوم ، انعطاف پذیری نام دارد. پدیده انعطاف پذیری یا لرزش موجب می‌شود برخی جهشهای ژنی که منجر به تغییر در سومین باز رمز می‌شوند، اثر نامناسبی در سنتز پروتئین بر جای نگذارند.

 

 

منبع: دانشنامه رشد

 

بسته به تعريفي كه از بيوتكنولوژي داريم، بيوتكنولوژي مي­تواند به­عنوان يكي از قديمي­ترين تكنولوژي­هاي صنعتي يا يكي از  جديدترين تكنولوژي­ها مورد توجه قرار گيرد. با وجود اين براي مهندسي شيمي مسالة اصلي مقياس عملياتي مي­باشد. در بيوتكنولوژي جديد، اغلب محصولات داراي ارزش بالا بوده و به حجم كمي از آنها نياز است؛ البته صنايع بيولوژيك با حجم توليد زياد نيز همچنان داراي اهميت مي­باشد. اما تفاوت­هاي كليدي بين فريندهاي بيولوژيك و فرآيندهاي شيميايي وجود دارد كه بايستي نقش مهندسي شيمي را با توجه به اين تفاوت­ها مورد بازبيني قرار داد. در اين مقاله كه از مجله  The Chemical Engineering Journal, 50 B9-B16 انتخاب و ترجمه شده است، فرآيندهاي بيوتكنولوژي متداول با فرآيندهاي شيميايي مشابه مقايسه شده و نقش مهندسي شيمي در طراحي و توسعه فرآيند مورد نظر مورد بررسي قرار گرفته است: 

همان­طور كه صنايع شيميايي تا مدت زيادي فقط توسط شيميست‌ها (و نه مهندسان شيمي) مورد بررسي قرار مي­گرفت، فرآيندهاي زيستي نيز هنوز توسط ميكروبيولوژيست‌هاي صنعتي مورد بررسي قرار مي­گيرد. بنابراين بسياري از حوزه­هاي بيولوژيكي وجود دارد كه در آنها مي­توان به­وسيلة كاربرد مفاهيم سادة مهندسي، فرايندهاي بيولوژيكي را توسعه داد.

روند تحول مفهوم بيوتكنولوژي از نظر مهندسان شيمي

اگر چه بيوتكنولوژي يك تكنولوژي نوين محسوب مي­شود، اما مي­توان به­عنوان يكي از قديميترين تكنولوژي‌هاي صنعتي نيز از آن ياد كرد. براي مهندسان بيوشيمي، استفادة صحيح از ميكروارگانيزم­ها براي توليد آبجو، مشروب و پنير، از قديم مطرح بوده است. همچنين تصفية بيولوژيكي پسمانده­ها و پساب­ها نيز مطرح بوده است كه جزو بيوتكنولوژي محسوب مي­شود.

حتي خود كلمه "بيوتكنولوژي" نيز آنطور كه تصور مي­شود جديد نيست. اين كلمه در ابتدا در يك كتاب و در سال 1919 توسط يك مجاري بنام Erkey مطرح شد. در اين كتاب همة خطوط كاري توليد محصولات توسط ميكروارگانيزمها توضيح داده شده است. اين موضوع بطور مشخص براي كشاورزي مطرح شد، اما در حدود همان زمان بود كه chaim wiezman (از دانشگاه منچستر) يك فرايند صنعتي را براي توليد انبوه استون توسعه داده بود كه اين عمل توسط فرمانتاسيون صورت مي­گرفت. اين فرآيند با تعريفي كه به­وسيلة Erkey ارائه شده بود منطبق بود.

با پيشرفت بيوتكنولوژي مفهوم آن نيز تغيير پيدا كرد تا اينكه مترادف با "تكنولوژي تخمير" شد. اين تعريف از بيوتكنولوژي در يك مقالة چاپ شده در مجلة جديد "بيوتكنولوژي و مهندسي زيستي" توسط Elmer Gaden Jr. در سال 1962 مطرح شد. تعريف اساساً مشابهي نيز هنگامي‌كه اتحادية بيوتكنولوژي اروپا تاسيس شد مورد استفاده قرار گرفت. اما درست 1 سال بعد، اين كلمه (بيوتكنولوژي) مجدداً داخل يك نشرية مهندسي ژنتيك تعريف شد تا "توسعة علمي و اقتصادي در زمينة ژنتيك" را تشريح نمايد. تعريف اخير تعريفي است كه مورد توجه كميسيون علائم تجاري آمريكا قرار گرفت و به‌دليل تفاوت زياد با تعريف قبلي به­صورت يك علامت تجاري (Trade Mark) مورد استفادة آن مجله مهندسي ژنتيك قرار گرفت.

رفته­رفته با ارائه نتايج و محصولات مهندسي ژنتيك، تمايز بين اين دو تعريف از بين رفت و بنابراين زماني كه كلمة بيوتكنولوژي مورد استفاده قرار مي­گيرد روشن نيست كه آيا علم "دست­كاري ژنتيكي" مورد نظر است يا "استثمار صنعتي سيستم­هاي زنده" مد نظر است. بنابراين از نظر اقتصادي براي مهندسي شيمي صورت كليدي در فرآيندهاي بيوتكنولوژي صنعتي، "استفاده از ارگانيزم‌هاي زنده براي توليد محصولات مناسب" مي­باشد. با اين وجود تفاوت عمده­اي بين بسياري از محصولات بيوتكنولوژي جديد و محصولات بيوتكنولوژي قديمي وجود دارد. 

تفاوت بيوتكنولوژي جديد و قديم براي مهندسي شيمي: در بيوتكنولوژي جديد اغلب محصولات، داراي ارزش بالا مي­باشند كه به مقادير كمي از آنها نياز است (معمولاً براي اهداف تشخيصي يا پزشكي)؛ در حالي كه در بيوتكنولوژي قديمي عموماً محصولات داراي ارزش كم تا متوسط توليد مي­شوند و مقادير آنها طوري است كه به تجهيزات فرآيندي با مقياس بزرگ نياز است.

محصولات بيوتكنولوژي قديمي، با فرآيندهاي با مقياس نسبتاً بزرگ، نقش نسبتاً قديمي را براي مهندسي شيمي بوجود مي‌آورند. آنها با مسائل مشابهي نظير مكانيك سيالات، انتقال جرم و حرارت و فرآيندهاي واكنش و جداسازي روبرو هستند كه اين مسائل در متن مهندسي شيمي قرار دارد. البته تفاوت اساسي، در سيستم­هاي زنده­اي است كه به­كار مي­رود. بنابراين يك مهندس شيمي كه در اين زمينه مشغول فعاليت است، تنها بايد دانشي از فرآيندهاي زيستي را توأم با دانش خود كند. اين موضوع مختص مهندس بيوشيمي است.

در مقابل، مسائلي كه با فرآيندهاي بسيار كوچك بيوتكنولوژي همراه است، در حوزه­هاي قديمي مهندسي شيمي قرار نمي­گيرند و بسياري از آنها داراي فرآيندهاي منحصر به­فرد هستند. در غالب اين موارد، بدليل كوچك بودن مقياس مورد استفاده، "بازدهي" يك مسأله مهم نيست و لذا نقش مهندسي شيمي در اين موارد خيلي مشخص نيست. تقريباً اغلب اين فرآيندها به بيوتكنولوژيست مربوط مي‌شود تا مهندس بيوشيمي. 

دلايل توسعة آيندة فرآيندهاي بيوتكنولوژي:

هيچ شكي نيست كه صنعت بيوتكنولوژي رو به رشد خواهد بود (اگر چه راهي طولاني براي آن وجود دارد) تا تسلط پيش­بيني شدة آن بر صنايع شيميايي رايج تحقق يابد.

يكي از دلائل اصلي براي اطمينان از اين توسعة مداوم، آن است كه فرآيندهاي بيوتكنولوژي برمبناي منابع تجديد­پذير استوار هستند. در نتيجه اين مورد زماني اهميت پيدا خواهد كرد كه مواد خام تجديدنا­پذير معمولي رو به اضمحلال هستند. بنابراين همة محصولات از مواد هيدروكربني تجديد­پذير توليد خواهند شد؛ به­خصوص آنهايي كه پساب‌هاي صنايع غذايي و كشاورزي را تشكيل مي­دهند (به­عنوان مثال انبوهي از زايدات غذايي). اين پسمانده­ها، سوبستراهاي (منبع غذايي) ايده­آلي براي فرآيندهاي بيولوژيكي مهيا مي­كنند. اقتصادي بودن تبديل اين پسمانده­ها به­وسيلة روش­هاي بيوتكنولوژي بيشتر از فرآيندهاي شيميايي بوده است.

علاوه بر ­اين اخيراً ملاحظات سياست جهاني بر آن بوده است كه تا جائي كه ممكن است محصولات از طبيعت (natural-production) توليد شوند و اين بطور ضمني دلالت بر اين دارد كه توليد از روش بيولوژيكي تقريباً در هر جايي كه شدني و مناسب باشد ترجيح داده شود.

دليل ديگر براي گسترش مداوم بيوتكنولوژي، حوزة روبه­رشد محصولات باارزشي است كه از روش‌هاي بيولوژيكي قديمي و يا دست­ورزي ژنتيكي توليد مي­شود. محدودة كاملي از محصولات ممكن كه از روش بيوتكنولوژي قابل توليد هستند شناخته شده است. به­عنوان مثال، هم­اكنون رشد سلول‌هاي بافت انساني در كشت انبوه و در تجهيزات فرمانتاسيون ساده به­طور روتين انجام مي­شود. محصولات ممكن اين بافت‌ها هم­اكنون تحت بررسي است.  

مقايسة حوزه­هاي مختلف فرايندهاي بيوتكنولوژيكي

جدول 1، حوزه­هاي تقريبي فرآيندهاي بيوتكنولوژيكي را نشان مي­دهد. علاوه بر محصولات حاصل از صنايع بيولوژيكي سنتي نظير مشروبات الكلي، غذاهاي تخميري، آنزيم‌ها، آنتي بيوتيك‌ها و تصفيه پساب‌ها محصولات ديگري نيز وجود دارند. بسياري از محصولات با ارزش بالا كه در جدول 1 آمده است به‌ويژه آنهايي كه مواد شيميايي مورد نياز در آنها مقادير بسيار كمي هستند، اغلب در حد چند كيلوگرم در سال مي­باشند و تقريباً براي توسعة آنها جنبه اقتصادي توليد، يك عامل محدودكننده نمي­باشد.

جايگزين­هاي محصولات طبيعي از جمله پروتئين تك­ياخته (SCP)، در صورت موفقيت، متقابلاً بايد با محصولات پروتئيني كشاورزي معمولي رقابت كنند. در عوض زماني كه دسترسي به نفت آسان است، جايگزين‌هاي توليد سنتزي محصولات شيميايي نظير اسيدهاي آلي و حلال‌ها درصورتي امكان­پذير است كه از نظر اقتصادي پيشرفتي صورت گرفته باشد. در اين مورد بايد احتمالاً منتظر از بين­ رفتن اين مادة خام بود.

همچنين جايگزين‌هاي محصولات پتروشيمي نظير الكل‌هاي سوختي كه در مقياس وسيع توليد مي­شوند بايد در مقياس خيلي بيشتري نسبت به آنچه كه فعلاً براي فرايندهاي بيولوژيكي قابل اجرا است توليد شوند تا اينكه اقتصادي و مقرون به صرفه باشند (به غير از تصفية پسمانده­ها).

آخرين گروه در جدول 1 بيشترين چالش را براي مهندس بيوشيمي ايجاد نموده است و در دهه­هاي قرن اخير هنوز صنعت بيوتكنولوژي در اين مورد قابل مقايسه با صنعت شيميايي بوده است. در اين حوزه عموماً بيوتكنولوژيست‌ها به جاي مهندسان وارد عمل مي­شوند و به شدت برتكنيك‌هاي Black-art (كه تخصص بيوتكنولوژيست­هاست) تكيه مي­شود. اين تكنيك­ها شايد براي محصولات با ارزش بالا و مقياس پايين كه راه ديگري براي توليد به روش بيوتكنولوژيكي ندارند كافي باشد اما براي مواردي كه در آنها فرايندهايي با مقياس بزرگ بكار مي­رود، ناكافي مي­باشد؛ چرا كه مسائل اقتصادي تعيين­كننده بوده و از لحاظ مهندسي تأثير هزينه مي­تواند به معناي تفاوت بين شكست و پيروزي باشد. 

متاسفانه بسياري از مهندسان بيوشيمي با توسعة بيوتكنولوژي به سمت بيوتكنولوژيست­شدن حركت كرده­اند كه در آن تحقيقات تكنولوژيكي بر محور توليد متمركز شده و زمينه­هاي وسيع مهندسي فرايند را رها كرده­اند. البته درحالي كه جايگاه مهمي براي بيوتكنولوژيست‌ها در توسعه صنعت وجود دارد، روشن است كه نقش مهندسي شيمي در بيوتكنولوژي بايد همان نقش مهندسي بيوشيمي باشد، نه بيوتكنولوژيست. 

تفاوت اصلي فرايندهاي زيستي با فرايندهاي شيميايي:

اگر چه برخي فرايندهاي بيوتكنولوژيكي اساساً مشابه با فرايندهاي شيميايي هستند و داراي سه مرحله اصلي يعني آماده­سازي مواد خام، واكنش و بازيافت محصول مي­باشند، اما تفاوت‌هاي بسيار مهمي نيز دارند. مهمترين اين تفاوت‌ها اغلب در تعداد نامحدود محصولاتي مي­باشد كه ممكن است از يك مادة خام به‌دست آيد؛ به‌دليل آنكه اين ماده خام صرفاً يك منبع غذايي (سوبسترا) براي رشد ميكروارگانيزم‌ها است.

معمولاً محصولات مورد نظر، فقط زائدات فرايند رشد ميكروبي هستند. در نتيجه واكنش از پيش تعيين‌شده­اي بر مبناي يك گروه به‌خصوص از واكنش­دهنده­ها وجود ندارد. قانون حاكم اين است كه محصول، تابع ميكروارگانيزم‌هايي است كه براي انجام واكنش انتخاب مي‌شوند. حتي اين نيز ويژگي مورد نظر را تضمين نمي­كند؛ زيرا همان ميكروارگانيزم‌ها كه در يك سوبسترا رشد مي­كنند، ممكن است به­عنوان مثال اتانول، اسيد لاكتيك، آنزيم به‌خصوص يا يك آنتي­بيوتيك توليد كنند. فقط كنترل دقيق شرايط فيزيكي يا انتخاب و زمان‌بندي برخي شرايط اطمينان خواهد داد كه محصول مطلوب همان محصولي است كه توليد مي­شود. جزء كليدي مخلوط واكنش (ميكروارگانيزم)، هم كاتاليزور واكنش است و هم محصول واكنش؛ كه در شروع واكنش به سادگي و به ميزان زيادي فراهم مي­شود.

براي اطمينان از صحيح بودن ميكروارگانيزم انتخاب شده و يا محصولي كه توليد مي­شود، بايد سوبسترا حاوي مقدار كمي از ميكروارگانيزم انتخاب شده در محيط كشت باشد و بنابراين از رقابت ساير ميكروارگانيزم‌ها ممانعت مي­گردد. مهمتر از اين، اشكال ديگر زندگي ميكروبي نيز مي­باشد كه بايد از سوبسترا حذف شوند. زيرا رقابت مستقيمي را با ميكروارگانيزم‌هاي مورد نظر خواهند داشت و گاهي با احتمال و موفقيت بيشتري تكثير مي­يابند. با استفاده از استريليزاسيون سوبسترا، جداسازي آنها از رقابت­كننده‌ها امكان­پذير است كه اين مورد بايد در سرتاسر واكنش دنبال شود.

از آنجا كه عمدة محصولات بيوتكنولوژي جديد، داراي ارزش فوق­العاده زياد و حجم كم مواد بيوشيميايي است، بنابراين فرآيندهاي بازيافت (جداسازي) براي اين محصولات ممكن است به­دليل مقادير كم مورد استفاده، نسبتاً هزينه‌بر و با صرف انرژي زياد صورت گيرد. همچنين براي به حداقل رساندن اتلاف محصول با ارزش فراوان، بايد بازدهي بالايي را در نظر گرفت. اين مورد با فرايندهاي بيولوژيكي قديمي‌تر صنايع غذايي و نوشيدني، آنتي­بيوتيك­ها و محصولات دارويي با ارزش متوسط و تصفية فاضلاب در تضاد مي­باشد. 

تفاوت فرايندي واكنش­هاي شيميايي و بيولوژيكي از نظر شرايط واكنش:

اغلب واكنش­هاي بيولوژيكي به­طور قابل توجهي آهسته­تر از واكنش‌هاي شيميايي انجام مي­شوند. برخلاف صنايع شيميايي كه در آنها فرايندهاي مداوم ترجيح دارد، عموماً اين واكنش‌هاي بيولوژيكي به صورت عمليات ناپيوسته (batch) صورت مي­گيرند. اغلب واكنش‌هاي بيولوژيكي توسط غلظت‌هاي پايين محصول ممانعت مي­شوند و اين خود دليل ديگري براي ارجح­بودن عمليات ناپيوسته (batch) مي­باشد. همچنين برخلاف اغلب واكنش‌هاي شيميايي، سرعت واكنش‌هاي بيولوژيكي نمي­تواند با افزايش دما و فشار افزايش يابد و اغلب بايد در تحت شرايط نسبتاً ملايم و نزديك به دماي محيط انجام شوند. محصولات مورد نظر نيز با گرما ناپايدار هستند و براي جلوگيري از تخريب آنها بايد انجام واكنش در تحت شرايط نسبتاً ملايم صورت گيرد. با وجود اين تفاوت‌ها در فرايندهاي بيولوژيكي و فرايندهاي شيميايي معمولي، بسياري از حوزه­ها وجود دارند كه يك مهندس بيوشيمي براي طراحي و اجراي عمليات فرايندهاي بيولوژيكي مي­تواند نقش داشته باشد. 

نتيجه:

مطالب بالا به برخي از شيوه­هايي متعددي كه در آنها مهندس فرايند يا شيمي در توسعه صنعتي بيوتكنولوژي مي­تواند نقش داشته باشد اشاره نمود. چالش‌هاي فراواني براي مهندس شيمي در بيوتكنولوژي وجود دارد كه بسياري از آنها هنوز بوجود نيامده‌اند. حوزه­هايي وجود دارند كه در آن مهندس و بيوتكنولوژيست بايد با يكديگر همكاري كنند تا اولاً مشكلات را مشخص كنند و ثانياً راه حل­ها را پيدا نمايند.

عموماً در مقايسه با فرايندهاي شيميايي، فرايندهاي بيولوژيكي، در سرعت‌هاي حجمي و غلظت‌هاي توليدي پايين صورت مي‌گيرند. ممكن است بابكار بردن برخي از روش­ها (به‌عنوان مثال، استفاده از تثبيت سلولي) فرآيند را بهبود داد. اما اين مورد نيز داراي محدوديت است زيرا برخي ميكروارگانيزم‌ها ممكن است شامل ويژگي­هاي فيزيولوژيكي و فيزيكي ايده­آل براي تثبيت نباشند؛ به­خصوص در آنجا كه رشد و حيات براي توليد نقش اساسي دارد. ممكن است برخي روش‌ها نيز جهت بهبود سرعت بكار روند؛ مثلاً سلول‌ها بتوانند براي چسبيدن به سطح، يا براي ارائه محصولات داخل سلولي يا خارج سلولي يا براي رهاسازي محصولات بعد از برانگيختن، مطابق با نيازهاي كلي فرايند، مهندسي شوند.

اكثر فرايندهاي تخميري كه از لحاظ تجاري بزرگ­مقياس موفق بوده­اند مقادير نسبتاً كمي را توليد كرده­اند. اين فرايندها، فرايندهايي بوده­اند كه به صورت غيراستريل كار كرده­اند. در بخش استريليزاسيون و نگهداري، هزينه­ها (اعم از عملياتي يا سرمايه­اي) قابل توجه هستند و هر فرايندي كه بتواند اين مراحل را نداشته باشد براي آن يك مزيت بحساب مي­آيد. اين مورد مي­تواند توسط دست­ورزي ژنتيكي صورت گيرد تا مزيت‌هاي مشابهي را به اين گونه­هاي ضعيف­تر ببخشد.

همچنين فرايندهاي با مقياس بزرگ و با موفقيت بيشتر فرايندهايي هستند كه شرايط فرايندي پايين­دستي نسبتاً ساده دارند. اگرچه اخيراً توجهات بسياري بر روي Scale up فرايندهاي جداسازي خاص شده است (بر مبناي تكنيك‌هاي قابل دسترس در آزمايشگاه تجزيه) اما تقريباً گران بوده و بنابراين به محصولات با ارزش بسيار بالا محدود مي­شوند. توسعه فرايندهاي جداسازي كم­هزينه يا از نظر ديگر تخميرهايي كه نياز به فرايندهاي پايين‌دستي كمتري دارند، هنوز براي مهندسي شيمي و بيوتكنولوژيست به طور يكسان به‌صورت يك چالش باقي مانده است.

نهايتاً شايد بيشترين مساله براي مهندسي شيمي در بيوتكنولوژي مواجهه با پسمانده­اي است كه از فرايندهاي تخميري حاصل مي­شود. برخلاف فرايندهاي شيميايي معمولاً محصولات جانبي خيلي كمي از يك محصول تخميري صنعتي به‌وجود مي‌آيد. اغلب بهترين حالت آن است كه بيومس بي­رمق را به صورت يك منبع غذايي حيواني به‌فروش برسانند.

اگر بيوتكنولوژي بخواهد با صنايع شيميايي (بجز در مواردي كه محصولات با ارزش بالا توليد مي‌شود) رقابت كند مشكلاتي خواهد داشت كه بايد تحليل و بررسي شود. 

منبع : شبکه تحليل گران تکنولوژي ايران