آشکار ساختن ساختار ژنتیک و کشف منشاء استیکى که جلوى ما گذاشته اند تا نوش جان کنیم...اتحاد الکترونیک و بیولوژى مى تواند حیطه هاى متنوعى چون پزشکى، علوم تغذیه، یا علوم دفاعى را دستخوش انقلاب سازد. سرعت پیشرفت ما آنچنان زیاد است که خطر زیر پا گذاشتن اخلاقیات واقعاً وجود دارد
گیوم گراله
تاریخچه بیوتکنولوزی
بیوتکنولوژی ریشه در تاریخ دارد و تکوین آن از سالهای بسیار دور آغاز شده تابحال ادامه یافته است.
در تقسیم‌بندی زمانی می‌توان سه‌دوره برای تکامل بیوتکنولوژی قائل شد.
1) دورة تاریخی که بشر با استفاده ناخودآگاه از فرآیندهای زیستی به تولید محصولات تخمیری مانند نان، مشروبات الکلی، لبنیات ترشیجات و سرکه و غیره می‌پرداخت. در شش هزار سال قبل از میلاد مسیح، سومریان و بابلیها از مخمرها در مشروب‌سازی استفاده کردند. مصریها در چهار هزار سال قبل با کمک مخمر و خمیر مایه نان می‌پختند. در این دوران فرآیندهای ساده و اولیه بیوتکنولوژی و بویژه تخمیر توسط انسان بکار گرفته می‌شد.
2) دوره اولیه قرن حاضر که با استفاده آگاهانه از تکنیکهای تخمیر و کشت میکروارگانیسم‌ها در محیط‌های مناسب و متعاقباً استفاده از فرمانتورها در تولید آنتی‌بیوتیکها، آنزیمها، اجراء مواد غذائی، مواد شیمیائی آلی و سایر ترکیبات، بشر به گسترش این علم مبادرت ورزید. در آن دوره این بخش از علم نام میکروبیولوژی صنعتی بخود گرفت و هم‌اکنون نیز روند استفاده از این فرآیندها در زندگی انسان ادامه دارد. لیکن پیش‌بینی می‌شود به تدریج با استفاده از تکنیکهای بیوتکنولوژی نوین بسیاری از فرآیندهای فوق نیز تحت تأثیر قرار گرفته و به‌سمت بهبودی و کارآمدی بیشتر تغییر پیدا کنند.
3) دوره نوین بیوتکنولوژی که با کمک علم ژنتیک درحال ایجاد تحول در زندگی بشر است. بیوتکنولوژی نوین مدتی است که روبه توسعه گذاشته و روز بروز دامنه وسعت بیشتری به خود می‌گیرد.
این دوره زمانی از سال 1976 با انتقال ژنهائی از یک میکروارگانیسم به میکروارگانیسم دیگر آغاز شد. تا قبل از آن دانشمندان در فرآیندهای بیوتکنولوژی از خصوصیات طبیعی و ذاتی (میکرو) ارگانیسم‌ها استفاده می‌گردند لیکن در اثر پیشرفت در زیست‌شناسی مولکولی و ژنتیک و شناخت عمیق‌تراجزاء ومکانیسم‌های سلولی ومولکولی متخصصین علوم‌زیستی‌توانستند تا به اصلاح و تغییر خصوصیات (میکرو) ارگانیسم‌ها بپردازند و(میکرو) ارگانیسم‌هائی باخصوصیات کاملاً جدید بوجود آوردند تا با استفاده از آنها بتوان ترکیبات جدید را بامقادیر بسیار بیشتر و کارائی بالاتر تولید نمود.
آبجو سازی در مصر و کشورهای حاشیه رود نیل
کشف پروتئینها
جداسازی اولین آنزیمها
کشف باکتری ای‌کلای
کشف DNA
استفاده از باکتریها در تصفیه فاضلاب
استفاده از واژه بیوتکنولوژی توسط یک مهندس کشاورزی
استفاده از اصلاح بیولوژی مولکولی
کشف فعالیت ضدباکتریائی قارچ پنی‌سیلیوم توسط فلمینگ (کشف پنی‌سیلین)
کشت ساختمان رشته‌ای مارپیچ DNA توسط واتسون و گریک
توضیح و تشریح ساختمان آنتی‌بادی توسط پورتر، ارلن وینسونوف
کشت سلول
جداسازی یک آنزیم سنتز کننده DNA
کشف کدهای ژنتیکی
اولین سنتز کامل یک ژن
کشف آنزیمهای برش دهنده اسیدهای نوکلئیک
اولین آنتی‌بادی مونوکلونال
اولین بیان ژن مخمر در باکتری ای‌کلای
اولین بیان ژن انسان در باکتری
تولید انسولین نوترکیب انسانی
ابداع روش PCR برای تکثیر قطعات DNA
ابداع روش انگشت‌نگاری DNA ـ اولین واکسن مهندسی ژنتیک
EPA اولین تنباکوی مهندسی ژنتیک را تأیید کرد
شروع پروژه ژنوم انسانی ـ تولید اولین گاو ترانس‌ژنیک
کشف اولین ژنوم کامل یک موجود زنده
ابداع تکنیک جدید DNA با استفاده از PCR و چیپ‌های DNA و یک برنامه کامپیوتری برای کشف ژنهای بیماریزا
استفاده از سلولهای ریشه‌ای برای معالجه بیماریها
شناسائی کامل ژنوم مگس سرکه و بسیاری از موجودات دیگر
شناسائی کامل ژنوم انسان و بسیاری دیگر از ارگانیسم‌ها 600 سال قبل از میلاد
1830
1833
1855
1869
1914
1919
1938
1939
1953
1959
1954
1955
1966
1970
1971
1975
1976
1977
1978
1983
1984
1986
1990
1995
1997
1998
2000
2001
جدول 1 ـ تاریخچه مختصر بیوتکنولوژی 3 و (4)
بیوتکنولوژی چیست؟
گستردگی و تنوع کاربردهای بیوتکنولوژی، تعریف و توصیف آنرا کمی مشکل و نیز متنوع ساخته است.
برخی آنرا مترادف میکروبیولوژی صنعتی و استفاده از میکروارگانیسم‌ها می‌دانند و برخی آنرا معادل مهندسی ژنتیک تعریف می‌کنند به‌همین دلیل در اینجا مختصراً اشاره‌ای به تعاریف متفاوت از بیوتکنولوژی می‌کنیم که البته دارای وجوه اشتراک زیادی نیز هستند: (1) و (2)
ـ بیوتکنولوژی مجموعه‌ای از متون و روشها است که برای تولید، تغییر و اصلاح فراورده‌ها، به‌نژادی گیاهان و جانوران و تولید میکروارگانیسم‌ها برای کاربردهای ویژه، از ارگانیسمهای زنده استفاده می‌کند.
ـ کاربرد روشهای علمی و فنی در تبدیل بعضی مواد به کمک عوامل بیولوژیک (میکروارگانیسم‌ها، یاخته‌های گیاهی و جانوری و آنزیمها) برای تولید کالاها و خدمات در کشاورزی، صنایع غذائی و دارویی و پزشکی
ـ مجموعه‌ای از فنون و روشها که در آن از ارگانیسمهای زنده یا قسمتی از آنها در فرایندهای تولید، تغییر و بهینه‌سازی گیاهان و جانوران استفاده می‌شود.
ـ کاربرد تکنیکهای مهندسی ژنتیک در تولید محصولات کشاورزی، صنعتی، درمانی و تشخیص باکیفیت بالاتر و قیمت ارزانتر و محصول بیشتر و کم خطرتر
ـ استفاده از سلول زنده یا توانائیهای سلولهای زنده یا اجزای آنها و فرآوری و انتقال آنها به‌صورت تولید در مقیاس انبوه
ـ بهره‌برداری تجاری از ارگانیسم‌ها یا اجزای آنها
ـ کاربرد روشهای مهندسی ژنتیک در تولید یا دستکاری میکروارگانیسم‌ها و ارگانیسم‌ها
ـ علم رام‌کردن و استفاده از میکروارگانیسم‌ها در راستای منافع انسان
ـ تعاریف بالا از بیوتکنولوژی هرکدام به‌تنهائی توصیف کاملی از بیوتکنولوژی نیست ولی با قدر مشترک گرفتن از آنها می‌توان به تعریف جامعی از بیوتکنولوژی دست یافت.
براستی چرا چنین است؟ هرچند که با مرور زمان دانشمندان به مفاهیم مشترکی در مورد تعریف بیوتکنولوژی نزدیک شده‌اند اما چرا هر متخصص و دانشمندی تعریف جداگانه‌ای از بیوتکنولوژی ارائه می‌دهد که درجای خود نیز می‌تواند صحیح باشد (نه الزاماً جامع).
علت این حقیقت را باید درماهیت بیوتکنولوژی جُست.
بیوتکنولوژی همانند زیست شناسی، ژنتیک یا مهندسی بیوشیمی یک علم پایه یا کاربردی نیست که بتوان محدوده و قلمرو آنرا بسادگی تعریف کرد. بیوتکنولوژی شامل حوزه‌ای مشترک از علوم مختلف است که در اثر همپوشانی و تلاقی این علوم بایکدیگر بوجود آمده است. بیوتکنولوژی معادل زیست شناسی مولکولی، مهندسی ژنتیک، مهندسی شیمی یا هیچ یک از علوم سنتی و مدرن موجود نیست؛ بلکه پیوند میان این علوم در جهت تحقق بخشیدن به تولید بهینه یک محصول حیاتی (زیستی) یا انجام یک فرآیند زیستی بروشهای نوین و دقیق با کارآئی بسیار بالا می‌باشد.
بیو
تکنولوژی را می‌توان به درختی شبیه کرد که ریشه‌های تناور آنرا علومی بعضاً با قدمت زیاد مانند زیست شناسی بویژه زیست شناسی مولکولی، ژنتیک، میکروبیولوژی، بیوشیمی، ایمونولوژی، شیمی، مهندسی شیمی، مهندسی بیوشیمی، گیاه‌شناسی، جانورشناسی، داروسازی، کامپیوتر و… تشکیل می‌دهند لیکن شاخه‌های این درخت که کم و بیش به تازگی روئیدن گرفته‌اند و هرلحظه با رشد خود شاخه‌های فرعی بیشتری را به‌وجود می‌آورند بسیار متعدد و متنوع بوده که فهرست کردن کامل آنها در این نوشته را ناممکن می‌سازد.
تقسیم‌بندی بیوتکنولوژی به شاخه‌های مختلف نیز برحسب دیدگاه متخصصین و دانشمندان مختلف فرق می‌کند و در رایجترین تقسیم‌بندی از تلاقی و پیوند علوم مختلف با بیوتکنولوژی استفاده می‌کنند و نام شاخه‌ای از بیوتکنولوژی را بدین‌ترتیب وضع می‌کنند. مانند بیوتکنولوژی پزشکی که از تلاقی بیوتکنولوژی با علم پزشکی بوجود آمده است یا بیوتکنولوژی کشاورزی که کاربرد بیوتکنولوژی در کشاورزی را نشان می‌دهد. بدین ترتیب می‌توان از بیوتکنولوژی داروئی Pharmaceutical Biotechnology بیوتکنولوژی میکروبی، Microbial Biotechnology ، بیوتکنولوژی دریا Marine Biotech ، بیوتکنولوژی قضائی یا پزشکی قانونی Forensic Biotech ، بیوتکنولوژی محیطی Environmental Biotech ، بیوتکنولوژی غذائی food and food stuff Biotech بیوانفورماتیک Bioinformatic ، بیوتکنولوژی صنعتی Industrial ، بیوتکنولوژی نفت …… بیوتکنولوژی تشخیصی و … نام برد.
این شاخه‌های متعدد در عمل همپوشانی‌ها و پیوندهای متقاطع زیادی دارند و باز بدلیل ماهیت همه‌جانبه بودن بیوتکنولوژی نمی‌توان در این مورد نیز به ضرس قاطع محدوده‌هائی را برای آنها تعیین نمود.
گستردگی کاربرد بیوتکنولوژی در قرن بیست و یکم بحدی است که، اقتصاد، بهداشت، درمان، محیط‌زیست، آموزش، کشاورزی، صنعت، تغذیه و سایر جنبه‌های زندگی بشر را تحت تأثیر شگرفت خود قرار خواهد داد. بهمین دلیل اندیشمندان جهان قرن بیست و یکم را قرن بیوتکنولوژی نامگذاری کرده‌اند.
کاربردهای بیوتکنولوژی
کاربردهای بیوتکنولوژی بقدری وسیع است که تقریباً تمام جنبه‌های زندگی بشر را تحت تأثیر قرارداد و خواهد داد. به‌نحوی که حدس زده می‌شود در آینده نزدیک کنار اکثر نامهای رایج علوم و فنون یک کلمة «بیو» یا «بیوتک» هم اضافه شود که نشانه تأثیر این علم بر آن رشته می‌باشد.
بیوتکنولوژی پزشکی
کاربرد بیوتکنولوژی در پزشکی به وسعت علم پزشکی بوده و حتی این علم با سرعت روزافزون بر وسعت و دامنه علم پزشکی می‌افزاید.
از مهمترین کاربردهای بیوتک در پزشکی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
ـ تأثیر دگرگون بخش در امر پیشگیری از بیماریهای میکروبی، بیماریهای ژنتیکی، بیماریهای تغذیه‌ای و متابولیسمی و بیماریهای روحی‌روانی و…
ـ تأثیر دگرگون بخش در امر درمان بیماریهای عفونی، ژنتیکی، سوءتغذیه و متابولیسم و نازائی
ـ تأثیر دگرگون بخش در پزشکی قانونی
ـ تأثیر دگرگون بخش در پزشکی زیبائی
عناوین مط
عناوین مطرح در بیوتکنولوژی پزشکی که هرکدام نیاز به توصیف کامل دارند عمدتاً عبارتند از: ژن‌درمانی، واکسنهای نوترکیب، DNA واکسنها، بیوانفورماتیک، ژنومیکس، پروتئومیکس، بیومدسین و بیوفارماسئوتیکال
امروزه پیشرفتهای پزشکی به مدد بیوتکنولوژی درحال سرعت گرفتن می‌باشد. پزشکی سنتی بتدریج جای خود را به پزشکی مولکولی خواهد داد. درآینده نه‌چندان دور مکانیسم هیچ بیماری ناشناخته نخواهد ماند و تقریباً هیچ بیماری غیرقابل کنترل نخواهد بود. پزشکی سنتی عمدتاً بدنبال علائم و نشانه‌ها Sign & Symptoms بیماریها بوده و از روی آن به استنتاج وجود بیماری و عامل بیماریزا می‌پرداخت و در مواردی بدلیل ناشناخته بودن عوامل بیماریها، مکانیسم‌ها و سیستم‌های کنترلی آنها مبارزه تنها برعلیه علائم و نشانه‌ها صورت می‌گرفت.
امروزه بکمک بیوتکنولوژی، علم پزشکی درحال شناخت ریشه‌ای‌ترین بخش از حیات و مظاهر آن می‌باشد. با کشف کامل توالی ژنوم انسان در سال 2001 هم‌اکنون دانشمندان بیوتکنولوژیست بدنبال شناسائی ژنهای مسئول صفتهای مختلف و نیز ژنهای مسئول نقائص گوناگون انسانی می‌باشند. تا به‌حال ژنهای مسئول ایجاد بیماریهای بسیاری شامل سرطانها، بیماریهای قلبی عروقی، تنفسی، روانی و… شناسائی شده‌اند.
با شناسائی تک‌تک این ژنها و سپس شناسائی پروتئینهای حاصله از این ژنها داروهای کاملاً انتخابی و مؤثر برای مقابله با یک بیماری ساخته می‌شوند (tailor made) این مبارزه در سطح پروتئین و فنوتیپ است راه دیگر مبارزه استفاده از ژن‌درمانی و Antisence است.
بیماریهای ژنتیکی بسیاری درحال حاضر بعنوان کاندید برای ژن‌درمانی درنظر گرفته شده‌اند.
تقریباً هرکدام از ما تعدادی ژن ناقص در بدن خود داریم که برخی از آنها خصوصیات خود را در فنوتیب ما آشکار نکرده‌اند و برخی دیگر کم یا زیاد خصوصیات خود را در فنوتیپ ما آشکار نموده‌اند تقریباً از هر 10 نفر یکنفر دارای اختلالات ژنتیکی تظاهر یافته می‌باشد. تقریباً 5% مراجعه کودکان به بیمارستانها بخاطر نقص در یک تک‌ژن می‌باشد.
بیماریهائی مانند سیستیک فیبروزیس، دسیتروفی عضلانی دوشن، بیماری سیستم عصبی هانتینگتون، تالاسمی، هموفیلی، کم‌خونی داسی شکل، سندروم لش ـ نایهان lesch-Nyhan ، فنیل کتونوری و… جزو کاندیداهای ژن درمانی هستند.
بیشتر توجه در ژن درمانی متوجه بیماریهای ژنتیکی - متابولیکی است که نقص یک ژن باعث عدم سنتز یا سنتز ناقص یک پروتئین و عدم انجام یک فرآیند شیمیائی می‌شود.
فرآیند ژن درمانی می‌تواند بر روی سلولهای سوماتیک بدن صورت گیرد و یا بر روی سلولهای زایا صورت گیرد که در اینصورت صفت اصلاح شده به نسل بعد نیز منتقل می‌شود.
در فرآیند ژن درمانی معمولاً از قطعات ژن سالم ساختگی بهره گرفته می‌شود.
تکنولوژی دیگری که استفاده می‌شود آنتی سنس است که در آن از قطعات اسیدهای نوکلئیک DNA و RNA یا ترکیبات آنالوگ آنها استفاده می‌شود و بدین‌ترتیب اتصال احتمالی این قطعات به محل موردنظر مانع بیان یک ژن ناقص و یا تولید یک پروتئین مضر می‌گردد. (10) و (11)
واکسنهای نوترکیب
می‌توان گفت که در تولید همه‌گونه از واکسنها از تکنیکهای بیوتکنولوژی بهره‌گرفته شده و می‌شود. لیکن اوج توانمندیهای بیوتکنولوژی نوین را می‌توان در واکسنهای نوترکیب نسل چهارم (و نیز DNA
واکسنها) مشاهده کرد. تابحال برای تولید واکسنها از میکروارگانیسم‌های ضعیف شده یا کشته شده یا اجزاء آنها که بصورت طبیعی از آنها استخراج می‌شدند استفاده می‌شد و این امر در موارد قابل توجهی باعث ایجاد عوارض جانبی در افراد می‌گردید. لیکن باتوسعه تکنیکهای DNA نوترکیب، واکسنهای نسل چهارم تولید شدند که در آنها تنها از جزء مؤثر در ایجاد ایمنی (جزء ایمونوژن) میکروارگانیسم‌ها استفاده می‌شود. نمونه آن واکسن ساب‌یونیتی مؤثر در برابر هپاتیت B می‌باشد.
فرآیند تولید یک واکسن نوترکیب بسیار طولانی و پیچیده می‌باشد. در ابتدا بیوتکنولوژیستها باید ایمونوژن‌ترین جزء میکروارگانیسم‌ها را که معمولاً پروتئینها یا گلیکوپرتئینهای غشائی هستند طبق فرآیندهای بسیار طولانی و پیچیده شناسائی کنند و پس از آن با شناسائی محل و توالی ژن آن در ژنوم میکروارگانیسم اقدام به تکثیر آن بخش کرده و قطعات تکثیر شده را درون پلاسمیدهای ویژه کلونینگ قرار دهند و سپس اقدام به انتقال پلاسمیدهای نوترکیب به سلول میزبان مناسب برای تولید آن پروتئین بنمایند.
درصورت موفقیت در تولید اقتصادی یک پروتئین کاندید برای واکسن یک بانک سلولی و یک بانک پلاسمید از سلولهای نوترکیب ایجاد شده و ساختارهای پلاسمیدی آنها ایجاد می‌شود که برای مراحل بعد مورد استفاده قرار گیرد.
برای تأیید این واکسن از نظر مؤثر بودن، کارآئی و بی‌ضرر بودن برای انسان (یا دام) (ClinicalTrials) مراحل زیادی باید طی شود که چندین سال بطول می‌کشد.
برای تولید صنعتی و تجاری یک واکسن نیاز به سرمایه‌گذاری فراوانی می‌باشد. بخشی از این سرمایه‌گذاری باید برای ایجاد یک محیط کاملاً استاندارد مطابق با شرایط (Good Manufacturing Practices) GMP و تسهیلات و تأسیسات استاندارد مطابق با GMP و افراد کاملاً متخصص و آموزش دیده و ایجاد یک سیستم با ثبات حفظ کیفیت گردد.
واکسنهای DNA
با پیشرفت تکنیکهای بیوتکنولوژی نسل بعدی واکسنها پیشنهاد شدند که در آنها بجای تولید بخش ایمونوژن عامل بیماریزا در کارخانه‌ها با ارسال اطلاعات ژنتیکی (DNA) لازم برای تولید این اجزاء درون سلولهای بدن به تولید این ایمونوژنها در بدن پرداخته می‌شود. از مهمترین مزایای این واکسنها درعین مشکل بودن طراحی و تولید آنها پایدار بودن ایمنی حاصله و کنترل بیشتر بر نحوه ایمنی‌زائی در بدن می‌باشد.
بیومدسین یا بیوفارماسئوتیکال
بسیاری از بیماریهای رایج انسانی بدلیل نقص ژنتیکی در تولید یک پروتئین فانکشنال در سلولهای بدن می‌باشد. این بیماریها که شیوع زیادی در جوامع انسانی دارند اغلب دارای آثار اقتصادی - اجتماعی بیشتری نسبت به سایر بیماریها هستند. بعنوان مثال بیماریهائی مانند هموفیلی، تالاسمی، کم‌خونی‌ها، انواع نقص‌های سیستم ایمنی، اختلالات رشد و دیابت و…
با پیشرفتهای اخیر در زمینه علوم زیستی بیوتکنولوژیستها قادر شده‌اند تا با شناسائی این اختلالات و ژنهای مربوطه به تولید پروتئینهایی بپردازند که بدن این بیماران قادر به تولید آنها نیست یا میزان تولید آنها کافی نیست. از جمله این پروتئینها می‌توان به انواع فاکتورهای خونی، اریتروپوئیتین، انواع اینترلوکین‌ها، انواع هورمونها مانند انسولین، هورمون رشد اشاره کرد که درحال حاضر در کارخانه‌های بیوتک در مقیاس صنعتی درحال تولید هستند. تولید این پروتئینها هرچند که هزینه‌بری زیادی را بهمراه دارد اما باعث کاهش چشمگیر مرگ‌ومیر ناشی از اختلالات ژنتیکی شده است.
بازار تولید این مواد درحال حاضر بالغ بر میلیاردها دلار است و دارای رشد روزافزونی نیز می‌باشد. درحالیکه رشد سالانه صنعت دارو 3% می‌باشد، رشد سالانه صنعت داروهای بیوتکنولوژی 25% می‌باشد.
ژنومیکس Genomics
پروژه ژنوم انسانی بزرگترین و باارزش‌ترین پروژه در علوم‌زیستی بوده است که تابحال اجرا شده و در حقیقات منشاء پدید آمدن علم ژنومیکس نیز محسوب می‌شود. HGP باهدف تعیین توالی ژنوم (محتوای ژنتیکی) انسان در سال 1996 شروع شده و درسال 2001 با اتمام نسخه اولیه به اوج خود رسید . با کامل شدن پروژه ژنوم انسان دانشمندان به محل دقیق ژنهای انسان پی‌خواهند برد و با شناسائی ژنوتیب مربوط به تمام جنبه‌های فنوتیپ انسان به کلید اصلی صفات انسانی دست پیدا خواهند کرد. شناسائی این ژنها دانشمندان را قادر خواهد ساخت که به رفع تمام نقائص ژنتیکی انسانها بپردازند و نیز منشاء تمام حالات جسمی و روحی و رفتاری انسان را شناسائی کرده و در دست خود بگیرند.
هم‌اکنون ژنهای جدیدی برای اختلالات جسمی و حتی روحی مانند بیماریهای قلبی و عروقی، اسیکزوفرنی و… شناسائی شده است و پیمودن این راه باسرعت هرچه تمام ادامه دارد. اینک قدمهای زیادی به انتهای این مرحله سرنوشت‌ساز از تاریخ بشر باقی نمانده است و همگی دانشمندان منتظر به‌ثمر رسیدن دستاوردهای این پروژه در آینده بسیار نزدیک می‌باشند.
یکی از ابزارها و شاخه‌های بیوتکنولوژی که اخیراً به شکوفائی رسیده است بیوانفورماتیک می‌باشد که کار تجزیه و تحلیل داده‌های بدست آمده از HGP و… را انجام داده و آنها را تبدیل به اطلاعات باارزش و قابل استفاده برای دانشمندان مختلف می‌نماید.
موضوع مرتبط با این امر موضوع کشف SNP ها می‌باشد. SNP ها تفاوت‌های تک‌نوکلئوتیدی هستند که بین دو فرد، از نظر یک ژن بین آنها وجود دارد. شناسائی این تفاوتها ارزش فراوانی دارد. چراکه بطور مثال فردی که دارای هوش بیشتر یا دندان مستحکمتر نسبت به فرد دیگری است ممکن است تنها در یک نوکلئوتید از یک ژن با یکدیگر تفاوت داشته باشند و شناسائی مکان و نوع این تفاوت ارزش اقتصادی زیادی برای کاشف و انحصارگر آن دارد. بهمین دلیل هم‌اکنون شکارچیان ژن درحال شناسایی قوم‌ها و نژادهائی هستند که در یک یا چند زمینه خاص دارای خصوصیات برتر می‌باشند.
پروتئومیکس Proteomics
دنیای پروتئومیکس دنیای بی‌انتهائی است که ما هم‌اکنون در روزنه ورودی آن قرار گرفته‌ایم. دانشمندان بعد از استخراج اطلاعات ژنوم انسانی به کاربرد آن در حوزه پروتئومیکس می‌اندیشند. در پروتئومیکس دانشمندان براساس اصل یک پروتئین یک ژن بدنبال یافتن کلیه پروتئینهای تولید شده در بدن انسان و ربط آن به یک ژن هستند.
پس از اتمام پروژه پروتئومیکس که حتی بسیار بزرگتر و طولانی‌تر و پرابعادتر از پروژه ژنومیکس خواهد بود می‌توان گفت که انسان به عمده اطلاعات حیاتی لازم در مورد خود دست یافته است و پس از کاربرد این اطلاعات در طراحی داروها و فرآیندهای مناسب تقریباً قادر به مبارزه با هر بیماری و هر اختلال در بدن خود خواهد بود و حتی قادر به پیشگیری از اکثر آنها خواهد شد.
مرحله بعد از (و حتی همگام با) پروتئؤمیکس طراحی داروهای بیولوژیک می‌باشد که دانشمندان را قادر می‌سازد پروتئینهای مزاحم یا ناقص را خنثی کنند یا تولید پروتئینهای ضروری در بدن را باعث شوند.
بازار پروتئومیکس برعکس ژنومیکس بسیار گسترده‌تر و غیر متمرکز بوده و هم‌اکنون بسیاری از کشورها حتی کشورهای جهان سوم مثل برزیل نیز قدم به این عرصه گذاشته‌اند.
کلونینگ انسان
از زمانی که دانشمندان با ابداع روش جدید همانندسازی گوسفندی بنام دالی را خلق کردند امیدها و نگرانیهای زیادی در جوامع انسانی بوجود آمد. بیوتکنولوژیستها توانستند با انتقال محتوای ژنتیکی یک سلول سوماتیک به یک سلول تخم که محتوای ژنتیکی آن تخلیه شده بود به تولید موجوداتی کاملاً مشابه موجود دالی دست یابند. بازار این فناوری در تکثیر دام‌هایی با خصوصیات ویژه مانند شیر زیاد یا گوشت مناسب بسیار گسترده است. با اینحال کشیده شدن این بحث به همانندسازی انسان نگرانیهائی را در کشورهای مختلف بوجود آمده است. موضوع مرتبط با این امر تولید موجودات یا ارگانهای انسانی از سلولهای ریشه‌ای جنین می‌باشد که همانند کلونینگ دارای مخالفان و موافقان خاص خود می‌باشد.
تراشه‌های زیستی
تراشه‌های زیستی مانند DNA Chips از کاربردهای نوین و بسیار اغواگر بیوتکنولوژی می‌باشد.
در یکی از این کاربردها دانشمندان توانسته‌اند با استفاده از رشته‌های DNA به تولید تراشه‌هائی دست بزنن
که سرعت پردازش اطلاعات در آنها در مقایسه با حجم کوچک آنها بسیار بیش از تراشه‌های معمولی می‌باشد. از کاربردهای دیگر و اصلی تراشه‌های زیستی دو مورد DNA Chips و DNA Microarray می‌باشد.
DNA Chips : در این تکنولوژی بیوتکنولوژیستها با ساختن قطعات الیگو نوکلئوتیدی 20 تا 80 نوکلئوتیدی با توالی‌های متفاوت و تثبیت آن بصورت آرایشی از نقاط بسیار ریز (کمتر از 300 میکرون) بر روی بستر مناسب (مانند نیتروسلولز یا برخی فلزات و مواد پلاستیکی) و سپس مجاور کردن نمونه‌های DNA مجهول با این نقاط تثبیت شده شرایط یک واکنش هیبریدیزاسیون را بوجود می‌آورند. در صورتیکه بین سکانس مجهول و سکانس معلوم هر یک از الیکونوکلئوتیدها واکنش هیبریداسیون صورت گیرد می‌توان پی‌به سکانس DNA مجهول برد.
از این روش همچنین برای تعیین میزان بیان پروتئین یا فراوانی نیز استفاده می‌شود. این روش توسط شرکت Affymetryx ابداع شده است.
DNA Microarray : در این تکنولوژی پروب cDNA (با طول بین 500 تا 5000 باز) بر روی بستر جامد مناسب تثبیت بود و سپس این نقاط تثبیت شده در معرض نمونه‌های DNA مجهول قرار می‌گیرد.
این روش در دانشگاه استانفورد ابداع شده است.
کاربرد هر دو روش که تاحد زیادی مشابه هم هستند در کشف ژنها، در تشخیص بیماریها، در علم فارماکوژنومیک و در علم توکیکوژونومیک و…. می‌باشد.
تاریخچه تراشه های زیستی
پیشرفت تراشه های زیستی تاریخچه ای طولانی دارد وباشروع دراوایل کاربرروی تکنولوزی سنسورها
بود که درسال 1922 PH اغازمی شود. یکی ازنخستین سنسورهای شیمیایی سبک الکترود شیمیایی
بوسیله کشف اختلاف پتانسیل ایجاد شده درمیان یک غشاء PH بوسیله هوگز ساخته شد. اندازه گیری
H شیشه ای نازک برای تراوش یون های هیدروزن انجام می شد . این کار بوسیله تبادل الکترون بین
انجام می گرفت. مفهوم اساسی استفاده ازمکان های تبادل برای دست یافتن به پوسته یا Sio مثبت و
غشاء برای کشف سنسورهای یونی دیگردرسال های آینده مورد استفاده قرارگرفت. به عنوان مثال
مثب
ت بوسیله بهم پیوستن والینومیسین دریک غشاء نازک تولید می شود.(اسچولتز1996 K یک س
نسور
پس ازگذشت سی سال اولین بیوسنسور (سنسوری که از مولکولهای بیولوزیکی استفاده می کرد )ساخته
شد. درسال 1956 للاند کلارک نوشته ای را برروی الکترود دریافت اکسیزن منتشرکرد.این وسیله
اساس یک سنسورگلوکزشدکه درسال 1962 بوسیله کلارک وهمکارش لیونزساخته شد که درساخت
آن ازمولکولهای اکسید گلوکوزجاسازی شده دریک غشاءتراکافت استفاده شده بود.
آنزیم وظیفه داشت که درحضورگلوکزمیزان اکسیزن قابل دسترسی برای الکترود اکسیزن را کاهش
بدهد بدین وسیله سطح اکسیزن گلوکزمتمرکزشده گزارش می شد. این مورد وبیوسنسورهای مشابه به
عنوان الکترود آنزیم شناخته شدو امروزه هنوزهم مورد استفاده قرار می گیرند.
DNA درسال 1953 واتسون وکریک همگان را ازکشفشان که همان ساختارآشنای مارپیچ دوتایی
است وهمچنین مجموعه تحقیقات زنتیکی (که تا کنون این تحقیقات همچنان ادامه دارد )آشنا کردند.
پیشرفت شیوه تسلسل درسال 1977 بوسیله گیلبرت وسانجر(که به صورت جداگانه کارمی کردند)
محققان را قادرساخت تابه صورت مستقیم بتوانند کدهای زنتیک راکه دستورالعملهایی را برای پیوند
پروتئینی فراهم می کند بخوانند.این تحقیق نشان دادکه چگونه هیبریداسیون مکمل رشته های"الگونوکلئو
استفاده شود. DNA تید" می تواند به عنوان پایه ای برای دریافت
توانا کرد DNA ا ین دو پیشرفت تکنولوزی رابرای استفاده ازبیوسنسورهای مدرن برپایه
راابداع کرد که این روش-PCR اولادرسال 1983 کری مولیس فن ((واکنش زنجیره پلیمری )) -
می باشد. DNA روشی برای تقویت تمرکز
رادرمواردنمونه فراهم کرد. DNA این کشف امکان ردیابی مقادیر کوچک از
بابرچسبهای فلورسنتDNA ثانیا درسال 1986 هودوهمکارانش روشی رابرای برچسب مولکولهای
به جای برچسب های رادیویی ابداع کردندکه بدین وسیله تواناسازی آزمایش هیبریداسیون به صورت نوری انجام می شد.
سرعت پیشرفت تکنولوزی درزمینه بیوشیمی ونیمه رساناها درسال 1980 منجربه پیشرفت عظیم
تراشه های زیستی درسال 1990 شد.
دراین زمان مشخص شد که تراشه های زیستی تکنولوزی عظیمی هستند که چندین بخش جداازهم را شامل می شوند وهنوزهم کامل نشده اند
تراشه زیستی چیست ؟
کسانی که مبحث تکنولوزی های رادنبال می کنند خصوصادرزمینه بیوتکنولوزی تراشه های زیستی را می شناسند ومی دانند که آنها حاصل ترکیب نیمه رساناها با زیست شناسی مولکولی هستند.
تراشه های زیستی مشابه نیمه رساناها هستندبا این تفاوت که به جای داشتن مدارهای الکتریکی پایه
یا پروتئین دارندکه به سطح یک تراشه که می تواند از جنس DNA -RNA زیستی
شیشه –پلاستیک یا سلیکون باشد الصاق شده اند.
بسته به سطح جنس الصاقی دونوع اصلی ازتراشه های زیستی وجود دارد:
دارند.DNA-RNA تراشه های نوکلئوساید که
تراشه های پروتئین
البته یک نوع دیگرازتراشه های زیستی هم وجود دارد که تراشه آزمایشگاهی نامیده می شود که از میکروسیلان ها برای انجام بسیاری ازتستهای آزمایشگاهی استاندارد که امروزه دربیمارستان ها انجام می شود استفاده می کند.
اما ما به آن نوع تراشه دست پیدا نمی کنیم چون به طور معمول آن یک نسخه مینیاتوری شده ازتستهای شیمیایی – کلینیکی استاندارد است ولزوما یک جزءبیولوزی ندارد.
دانش زمینه برای تراشه های زیستی
تمام دستورالعملهای مورد نیازبرای تمام DNA دی اکسی ریبو نوکلوئیک اسید یا
RNA ارگانیسمهای زندگی راشامل می شود باپذیرش تعدادی ویروس که اساس
هستند.
یک رشته دوتایی است ویک اساس نوکلئوسید که شامل آدنین – سیتوسین – گوآنین DNA
وتمین است و یک شکرریبوس ویک گروه فسفات راشامل می شود.
به صورت یک DNA جیمزواتسون وفرانسیس کریک درسال1953 کشف کردند که
پیچک دوتایی یا منحنی دوتایی به صورت محکم پیچیده شده بود.
ها با همدیگربه عنوان زن ها گروه بندی می شوند اگرچه این گروه بندی ممکن استDNA
مستقیما به صورت نزدیک نباشد.
(زن ها) به عنوان تشخیص دهنده شناخته می شوند به این معنی که اغلب اوقاتDNA
ها بیصدا یعنی آرام یا خاموش هستند (چیزی رابیان نمی کنند) به این علت که به DNA
موردDNA صورت محکم به هم پیچیده شده اند . اما وقتی که یک بخش بخصوص از
بهDNA خوانده شودوپروتئین مناسب ساخته شود.این کاربوسیله کپی کردن
مخصوصا مسنجریا پیام آور RNA
نامیده می شود انجام می شود .به این فرآیند رونویسی گفته می شود MRNA که
به پروتئین ترجمه می شود DNA پس درفرآیند رونویسی متن
تراشه های زیستی برای شناسایی دی ان ای یا آر ان ای ناشناس (لایه نوکلوئیک اسید) از
طریق فرآیند پیوند زنی – پیوستگی – بین یک لایه نوکلوئیک اسیدهای ناشناس ویک لایه
نوکلوئیک اسیدهای شناخته شده استفاده می شود.این کاردرابتدا بوسیله عوض کردن ماهیت
ناشناس باحرارت انجام می شود . وقتی که زنجیرهای بین دولایه دی ان ای ذوب DNA
تولید می شود .سپس دی ان ای یا آران ای ناشناس به یک تراشه DNA شوند یک تک لایه
زیستی تبدیل می شود که تک لایه دی ان ای یا آران ای روی سطح آن ثابت شده است .
اگریک قطعه از دی ان ای یا آران ای روی تراشه زیستی با دی ان ای یا آران ای
ناشناس مطابقت داده شود پیوستگی رخ می دهد وتشعشع حاصل از آن به محقق اجازه
می دهد که دی ان ای یا آران ای مطابقت داده شده با دی ان ای ناشناس را بشناسد .
مواردکاربرد تراشه های زیستی
تحقیقات داروئی
تشخیص های داروئی
قوانین
پیوند
تشخیص هویت
آزمایشهای محیطی وآب
نمونه های مختلفی ازاستفاده ازتراشه های زیستی
گرى هوپر عضو انجمن بیوتکنولوژى که کارهاى میلیون دلارى برعهده دارد، با صداى خشن، عینک کوچک هیئت کالین پاول خطاب به همکارانش که همگى مثل او قدشان حدود دو متر است، مى گوید: «بچه ها، بجنبید! اگر این کار را نکنیم، چینى ها جاى ما خواهند کرد!» این خطر را وجود یک مشت از صاحبان صنایع داروسازى که سخنرانى هاى رمزى و در لفافه شان مدت ها به درازا مى کشد، به خوبى نشان مى دهد. بر روى صندلى هاى این سالن که در سال هاى پایانى سده پیش در میدان اتحاد واقع در قلب سانفرانسیسکو ساخته شد، در پشت پرده هاى سنگین و به رنگ قرمز آتشین آن، این مردان پنجاه، شصت ساله به ناگهان از اندیشه آهسته تر کردن سرعت پیشرفت تراشه هاى زیستى به خشم مى آیند. اینجا صحبت از سیلیسیم _ همان ماده اى که سیم هاى تلفن نیز از آن ساخته مى شوند _ است که یک رشته DNA (یا رمز حیات) بر روى آن قرار داده مى شود. تراشه اى که بزرگ تر از نصف یک دانه شکر نیست قادر به کارهایى است _ از پزشکى تا کشاورزى و علوم زیبایى _ که دیوانه کننده اند.
این مجموعه سحرآمیز، آمیزه اى از بیولوژى و الکترونیک، درصدد زیر و رو کردن آن چیزى است که بیوتکنولوژى خوانده مى شود. علمى که قرار است انقلابى در زندگى ما پدید آورد ... ولى چگونه؟ چیز زیادى نمى دانیم. با این حال، ماتما کالیکورا تحلیلگر موسسه «فراست و سالیوان» مطمئن است که تا ده سال دیگر این ابتکار بازارى بزرگ تر از 10 میلیارد دلار را به روى ما خواهد گشود. گام هاى اولیه صنایعى چون هیولت _ پاکارد، موتورولا و آى بى ام تنها آغاز این راه است.
در واقع این اندیشه چندان جدید نیست. تراشه هاى زیستى در واقع حاصل ازدواج (که مسلماً قدرى دیرهنگام بود) دو کشف قدیمى است که بیش از 50 سال عمر دارند. کارهاى جیمز واتسون و فرانسیس کریک _ برندگان جایزه نوبل در رشته فیزیک در سال 1962 _ در حقیقت به سال 1953 بازمى گردد. در این سال دو پژوهشگر مولکول DNA (که تعیین کننده وراثت ژنتیک هستند) را کشف کردند. مولکول DNA تشکیل شده از دو رشته که ساختمانى مى سازند که بر روى خویش مى پیچد و هر یک از این دو رشته قرینه آن دیگرى است. در همین زمان تراشه الکترونیک که توسط رادیوسازان در ساختمان ترانزیستورها به کار مى رفت، براى نخستین بار ساخته شد. تنها کارى که باقى مانده بود، ازدواج فرخنده این دو پدیده نوین بود و استفن فودور، زیست شناس از دانشگاه پرینستون، این کار را انجام داد. اندیشه وى بسیار ساده بود: از آنجا که هر رشته DNA از یک ردیف رمز تشکیل شده که با دوقلوى خویش به صورتى کاملاً قرینه یکى مى شود لذا کافى است که یک رشته تنها را بر روى تراشه اى قرار دهیم، در این صورت به محض مواجه شدن آن با دوقلویش صدور یک پیام فلورسانت را تحریم خواهد کرد که سپس کامپیوتر مى تواند آن را دریافت کند. این تمام
جا
فى البداهه بسیار جالب بود و بار دیگر در سال هاى دهه ،1990 زمانى که «پروژه ژنوم انسان» براى یافتن ژنوم کامل انسان به اوج رسید، مطرح شد. از آن زمان هیچ رازى در اینکه تراشه معجزه خواهد کرد، نبود...
تولید بیمارستان صحرایی بر روی تراشه زیستی
محققان دانشگاههای کالیفرنیا و کلارکسون در حال تکمیل طرحی هستند که تشخیص و درمان طبی را با تراشه ای الکتریکی تلفیق کرده و قادر خواهند بود با تشخیص سریع جراحت از مرگ بسیاری از مجروحان در میدانهای جنگ جلوگیری کند.
به گزارش مهر، دانشمندان دانشگاه کلارکسون و کالیفرنیا در حال تولید بیمارستان صحرایی بر روی تراشه رایانه ای هستند که در صورت اتصال به لباس و یا بدن سربازان می تواند بروز جراحت را ردیابی کرده و به صورت خودکار درمان مناسب را تجویز کند.
به گفته یکی از محققان این پروژه تاکنون طراحی الکترودهای زیستی و سلولهای سوختی زیستی که توانایی مضاعف کردن سیگنالهای بیوشیمیایی مغز را دارند به اتمام رسیده است و در آینده با استفاده از این تجهیزات می توان ساختاری را تولید کرد که با استفاده از سیگنالهای فیزیولوژیکی قابل کنترل بوده و در مقابل نیازهای بدن پاسخگو باشد.
محققان در حال حاضر مشغول تحقیق بر روی خلق آنزیمهایی هستند که توانایی محاسبه نشانگرهای زیستی را داشته و با ارائه دلایل کافی بر اساس تغییرات بیولوژیکی ناشی از جراحات در بدن به تجویز درمانهای مناسب بپردازد.
این سیستم می تواند عرق، اشک و خون سرباز را به منظور اندازه گیری نشانگرهای زیستی که در حال حاضر نشان دهنده جراحتهای رایج میدان های جنگ از قبیل شوک روحی، آسیب مغزی، فرسودگی و دیگر آسیبهای جدی هستند را کنترل کرده و داروی مناسب را تجویز کند.
به دلیل ای
دانلود مقاله تراشه های زیستی