बायोटेक्नोलॉजी (जैव प्रौद्योगिकी) शब्द दो शब्दों ‘बायो’ और ‘टेक्नोलॉजी’ का संयोजन है - ‘बायो’ का अर्थ है जैविक प्रणालियाँ या प्रक्रियाएँ, और ‘टेक्नोलॉजी’ उन तरीकों, प्रणालियों और उपकरणों को संदर्भित करती है जिनका उपयोग इन जैविक प्रणालियों से उपयोगी उत्पाद बनाने के लिए किया जाता है। इस प्रकार, बायोटेक्नोलॉजी उन विभिन्न प्रौद्योगिकियों को संदर्भित करती है जो मानव जाति के लाभ के लिए उपयोगी उत्पाद उत्पन्न करने के लिए जीवित कोशिकाओं और/या जैविक अणुओं का उपयोग करती हैं।

मानव जाति लंबे समय से बायोटेक्नोलॉजी का अभ्यास करती आ रही है। पुरापाषाण युग में भेड़ और मवेशियों के पालतू बनाने से लेकर, प्रारंभिक मिस्र के किसानों द्वारा पौधों के स्टॉक का संरक्षण (प्राचीन जर्मप्लाज्म संरक्षण), रोटी, पनीर और शराब बनाने के रूप में किण्वन प्रौद्योगिकी के शास्त्रीय उदाहरणों तक। हालाँकि, आधुनिक बायोटेक्नोलॉजी एक बहु-विषयक विषय है जिसमें विज्ञान के विभिन्न क्षेत्रों जैसे कोशिका और आणविक जीव विज्ञान, सूक्ष्म जीव विज्ञान, आनुवंशिकी, शरीर रचना विज्ञान और शरीर क्रिया विज्ञान, जैव रसायन, कंप्यूटर विज्ञान और पुनः संयोजक डीएनए प्रौद्योगिकी (आरडीएनए प्रौद्योगिकी) के बीच ज्ञान साझा करना शामिल है।

यह अध्याय जैव प्रौद्योगिकीय प्रथाओं के इतिहास और आधुनिक अवधारणाओं के विकास; चिकित्सा, कृषि, खाद्य और पर्यावरण संरक्षण के क्षेत्र में बायोटेक्नोलॉजी के प्रमुख अनुप्रयोगों के साथ-साथ भारतीय बायोटेक्नोलॉजी क्षेत्र की वर्तमान परिदृश्य पर विस्तार से चर्चा करेगा।

1.1 ऐतिहासिक परिप्रेक्ष्य

प्राचीन बायोटेक्नोलॉजी की जड़ें पुरापाषाण युग में, लगभग 10,000 वर्ष पहले, तब पड़ीं जब प्रारंभिक किसानों ने गेहूं और जौ जैसी फसलों की खेती शुरू की। अफ्रीका के सहारा क्षेत्र में प्रचलित सभ्यताएं भेड़, बकरी और मवेशियों को सफलतापूर्वक पालतू बना रही थीं, और शिकार की तकनीकों और आग के संभावित उपयोगों से परिचित थीं। लोगों ने खेती के लिए जंगली पौधों के बीज एकत्र किए और अपने आसपास रहने वाले जंगली जानवरों की कुछ प्रजातियों को पालतू बनाया, जिसे अब ‘चयनात्मक प्रजनन’ के रूप में जाना जाता है। हालाँकि, मध्ययुगीन काल में बायोटेक्नोलॉजी का सबसे शास्त्रीय उदाहरण रोटी, पनीर, शराब और बीयर के उत्पादन के लिए किण्वन प्रौद्योगिकी का उपयोग है।

लाभकारी परिणाम उत्पन्न करने के लिए विज्ञान और पारंपरिक ज्ञान हमेशा हाथों में हाथ डालकर चले हैं। भारतीय चिकित्सा और बायोटेक्नोलॉजी के पारंपरिक ज्ञान को दस्तावेज और उपयोग करने के लिए अधिक प्रयास किए जा रहे हैं। प्राचीन भारत के लोगों को अपने पर्यावरण और पौधों और जानवरों के गुणों का अत्यधिक ज्ञान था। स्थानीय जैविक संसाधनों का उपयोग करके दही, इडली, किनेमा जैसे किण्वित भोजन और पेय बनाने का अभ्यास मध्यकालीन भारत में आम था। दही बनाने में पारंपरिक भारतीय ज्ञान की प्रासंगिकता संयुक्त राज्य अमेरिका के पेटेंट डेटाबेस में पाए गए कुछ पेटेंट में इंगित की गई है। दही बनाने की विधि बॉक्स 1 में दी गई है।

किण्वन को एक सूक्ष्म जैविक प्रक्रिया के रूप में समझाया जा सकता है जिसमें कार्बनिक यौगिकों का एंजाइमी रूप से नियंत्रित रूपांतरण होता है। किण्वन का अभ्यास वर्षों तक शामिल प्रक्रियाओं के वास्तविक ज्ञान के बिना किया गया। किण्वित आटा संयोग से खोजा गया जब आटा तुरंत नहीं पकाया गया और परिणामस्वरूप यह Saccharomyces winlocki जैसे खमीर द्वारा किण्वन से गुजरा। मिस्र और मेसोपोटामिया ने ग्रीस और रोम को रोटी निर्यात की। तकनीक में सुधार के प्रयासों में, बेकर का खमीर रोमनों द्वारा खोजा गया, जिसने तब प्रचलित

बॉक्स 1

दही बनाना: एक पारंपरिक जैव प्रौद्योगिकीय तकनीक

हम सभी ने अपनी माताओं को पूरे परिवार के लिए दही बनाते हुए अवश्य देखा होगा। यह किण्वन प्रौद्योगिकी का एक शास्त्रीय उदाहरण है, जिसे घर पर ही किया जा सकता है।

अवलोकन: कच्चा माल, दूध, पूरी तरह से एक अर्ध-ठोस खट्टे स्वाद वाले उत्पाद में परिवर्तित हो गया है।

वास्तव में क्या हुआ?

दही से लैक्टोबैसिलस बैक्टीरिया दूध के प्रोटीन केसीन के साथ प्रतिक्रिया करते हैं। उप-उत्पाद के रूप में बनने वाला लैक्टिक अम्ल गोलाकार प्रोटीन को विकृत कर देता है और जमकर ठोस दही का उत्पादन करता है और पानी जैसा मट्ठा प्रोटीन परत अलग कर देता है।

रोटी बनाने की प्रौद्योगिकी में क्रांति ला दी। चीनी भी 4000 ईसा पूर्व तक, अपने पारंपरिक खाद्य पदार्थों, जैसे सोया सॉस और किण्वित सब्जियों के उत्पादन के लिए किण्वन प्रौद्योगिकी का उपयोग कर रहे थे। सिरका उत्पादन मिस्रवासियों को 2000 ईसा पूर्व तक, कुचले हुए खजूर को लंबे समय तक संरक्षित करके ज्ञात था। सुखाकर, धूम्रपान करके और नमकीन पानी में अचार बनाकर पशु भोजन को संरक्षित करने की कला पूर्व-ऐतिहासिक पूर्व और यूरोप में लोकप्रिय थी।

बीयर बनाना शायद 6000 और 5000 ईसा पूर्व के बीच ज्वार, मक्का, चावल, बाजरा और गेहूं जैसे अनाज के दानों का उपयोग करके शुरू हुआ होगा। चौदहवीं शताब्दी ईस्वी तक ब्रूइंग को एक कला माना जाता था। हालाँकि, प्रारंभिक ब्रूअर्स को किण्वन के सूक्ष्म जैविक आधार का कोई व्यावहारिक ज्ञान नहीं था। शराब संभवतः संयोग से बनी होगी, जब अंगूर के रस में खमीर और अन्य सूक्ष्मजीवों का संदूषण हो गया होगा। 1850 और 1860 के दशक के बीच, लुई पाश्चर ने स्थापित किया कि किण्वन के लिए खमीर और अन्य सूक्ष्मजीव जिम्मेदार थे।

उन्नीसवीं शताब्दी ने किण्वन आधारित उत्पादों जैसे ग्लिसरॉल, एसीटोन, ब्यूटेनॉल, लैक्टिक अम्ल, साइट्रिक अम्ल आदि के उत्पादन पैमाने में वृद्धि देखी। प्रथम विश्व युद्ध के दौरान जर्मनी के विस्फोटकों के लिए बड़ी मात्रा में ग्लिसरॉल की आवश्यकता के कारण औद्योगिक किण्वन स्थापित किया गया था। 1940 के दशक तक, बंध्यता रखरखाव, वातन विधियों, उत्पाद पृथक्करण और शुद्धि से जुड़ी तकनीकों में महत्वपूर्ण सुधार किया गया। द्वितीय विश्व युद्ध वह उत्प्रेरक था जिसके कारण एंटीबायोटिक पेनिसिलिन के बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए आधुनिक किण्वक (किण्वन के लिए उपयोग किए जाने वाले पात्र) का आविष्कार हुआ, जिसे बायोरिएक्टर भी कहा जाता है। आज, कई रसायन जैसे एंटीबायोटिक्स, अमीनो अम्ल, हार्मोन, वर्णक और यहां तक कि एंजाइम भी औद्योगिक बायोरिएक्टरों के नियंत्रित वातावरण में अत्यधिक सटीकता के साथ उत्पादित किए जाते हैं।

आधुनिक बायोटेक्नोलॉजी की नींव अठारहवीं और उन्नीसवीं शताब्दी के दौरान विज्ञान और प्रौद्योगिकी में प्रगति के साथ रखी गई थी। इस प्रकार 1590 में डच चश्मा निर्माता ज़ाचारियास जानसेन द्वारा बनाए गए पहले यौगिक सूक्ष्मदर्शी के आगमन के साथ, जो लगभग $3 \times-9 \times$ बढ़ा सकता था, ने मनुष्यों को उन चीजों को ‘देखने’ में सक्षम बनाया जो नग्न आंखों से नहीं देखी जा सकती थीं।

1665 में, एक भौतिक विज्ञानी रॉबर्ट हुक ने पतले कटे हुए कॉर्क की जांच की और आयताकार घटक बनाए, जिन्हें उन्होंने सेल्युला (लैटिन में ‘छोटे कक्ष’) कहा। 1676 में, एक डच दुकानदार एंटोनी वैन लीउवेनहोक ने तालाब के पानी में जीवित जीव देखे और उन्हें ‘एनिमलक्यूल्स’ कहा। अठारहवीं शताब्दी के दौरान, कोशिका सिद्धांत जर्मन जीवविज्ञानियों, मैथियास श्लाइडेन और थियोडोर श्वान द्वारा विकसित किया गया था, जिन्होंने निर्धारित किया कि सभी पौधे और जानवरों के ऊतक कोशिकाओं से बने होते हैं। 1858 में, एक जर्मन रोगविज्ञानी रुडोल्फ विरचोव ने निष्कर्ष निकाला कि ‘सभी कोशिकाएं पहले से मौजूद कोशिकाओं से उत्पन्न होती हैं’ और यह कि कोशिका जीवन की मूल इकाई है।

1850 और 1880 के बीच, पाश्चर ने पाश्चरीकरण की प्रक्रिया विकसित की। 1860 तक, उन्होंने यह भी निष्कर्ष निकाला कि जीवों का सहज जनन नहीं होता है, यह साबित करते हुए कि ‘सभी कोशिकाएं पहले से मौजूद कोशिकाओं से उत्पन्न होती हैं’। 1896 में एडवर्ड बुचनर ने खमीर अर्क का उपयोग करके शर्करा को एथिल अल्कोहल में परिवर्तित किया, यह दर्शाते हुए कि बायोकेमिकल परिवर्तन कोशिकाओं के उपयोग के बिना हो सकते हैं। 1920 और 1930 के दशक तक, कई महत्वपूर्ण चयापचय मार्गों की जैव रासायनिक प्रतिक्रियाएं स्थापित की गईं।

आनुवंशिकी और आनुवंशिकता के सिद्धांत एक ऑस्ट्रियाई साधु ग्रेगर मेंडल द्वारा विकसित किए गए, जो 1857 में शुरू हुए, जब उन्होंने पंखुड़ी के रंग, बीज के रंग और बीज की बनावट जैसे लक्षणों की जांच के लिए मटर के पौधों का पर-परागण किया। 1869 में, एक

स्विस जैव रसायनज्ञ जोहान फ्रेडरिक मीशर ने श्वेत रक्त कोशिकाओं के केंद्रक से एक पदार्थ को अलग किया जिसे उन्होंने न्यूक्लिन कहा। इस पदार्थ में न्यूक्लिक अम्ल होते थे। 1882 में, जर्मन कोशिका विज्ञानी वाल्टर फ्लेमिंग ने धागे जैसी संरचनाओं का वर्णन किया जो कोशिका विभाजन के दौरान दिखाई देती थीं, साथ ही इस सामग्री का पुत्री कोशिकाओं में समान वितरण भी। ये धागे जैसी संरचनाएं वास्तव में गुणसूत्र थे जो समसूत्रण के दौरान दो पुत्री कोशिकाओं के बीच विभाजित हो रहे थे।

बीसवीं शताब्दी के दौरान कई मार्ग प्रशस्त करने वाले प्रयोग किए गए जिन्होंने जीन और गुणसूत्र की प्रकृति स्थापित की, जिनमें सबसे महत्वपूर्ण 1952 में शास्त्रीय अल्फ्रेड हर्शे और मार्था चेस प्रयोग द्वारा आनुवंशिक पदार्थ के रूप में डीएनए की पहचान थी। जेम्स वाटसन और फ्रांसिस क्रिक ने 1953 में डीएनए की दोहरी हेलिकल संरचना का प्रस्ताव रखा। इसके बाद कई प्रयोग हुए जिन्होंने निर्धारित किया कि जीन में जानकारी का उपयोग कैसे किया जाता है, जैसे डीएनए प्रतिकृति और डीएनए मरम्मत में शामिल एंजाइमों में हेरफेर।

आधुनिक बायोटेक्नोलॉजी आरडीएनए प्रौद्योगिकी पर आधारित है जिसने वैज्ञानिकों को डीएनए के विभिन्न टुकड़ों को काटने और जोड़ने और नए पुनः संयोजक (काइमेरिक/संकर) डीएनए को एक नए मेजबान में रखने की अनुमति देकर बायोटेक्नोलॉजी में क्रांति ला दी है (चित्र 1.1)। यह एक जीव से दूसरे जीव में जीन का स्थानांतरण करने की अनुमति देता है जो एक नया गुण प्रदान करता है। इसने बायोटेक्नोलॉजी की सदियों पुरानी प्रक्रिया में इसकी पहचान के संबंध में क्रांति ला दी है (प्रोटीन की पहचान)

चित्र 1.1: आधुनिक बायोटेक्नोलॉजी का अवलोकन सटीकता और दक्षता के साथ असीमित संभावनाएं। आरडीएनए प्रौद्योगिकी के आगमन के बाद से, बायोटेक्नोलॉजी अधिक उन्नत हो गई है और चिकित्सा, कृषि, पशु विज्ञान और पर्यावरण विज्ञान में प्रगति हुई है। आधुनिक बायोटेक्नोलॉजी की बहु-विषयक प्रकृति और इसके अनुप्रयोग के क्षेत्र चित्र 1.2 और तालिका 1.1 में दिए गए हैं।

तालिका 1.1: बायोटेक्नोलॉजी के अंतर्गत आने वाले क्षेत्रों के कुछ सामान्य नाम

1.2 आधुनिक बायोटेक्नोलॉजी के अनुप्रयोग

आधुनिक बायोटेक्नोलॉजी, जो आरडीएनए प्रौद्योगिकी पर आधारित है, अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला प्रदर्शित करती है। बायोटेक्नोलॉजी के व्यापक अनुप्रयोग क्षेत्रों में फार्मास्यूटिकल और चिकित्सीय अनुसंधान, रोग निदान, फसल सुधार, वनस्पति तेल, जैव ईंधन और पर्यावरण अनुकूल उत्पादों (उदाहरण के लिए बायोडिग्रेडेबल प्लास्टिक) का विकास शामिल है। बायोटेक्नोलॉजी के सफल अनुप्रयोग के कुछ शास्त्रीय उदाहरण चित्र 1.3 में प्रदान किए गए हैं। इस प्रकार, आधुनिक बायोटेक्नोलॉजी के अनुप्रयोग मुख्य रूप से निम्नलिखित प्रमुख क्षेत्रों पर केंद्रित हैं:

1. चिकित्सा और स्वास्थ्य देखभाल
2. फसल उत्पादन और कृषि
3. खाद्य प्रसंस्करण
4. पर्यावरण संरक्षण

चित्र 1.3: बायोटेक्नोलॉजी के सफल अनुप्रयोगों के कुछ शास्त्रीय उदाहरण

1.2.1 चिकित्सा और स्वास्थ्य देखभाल

बायोटेक्नोलॉजी तकनीकों का उपयोग चिकित्सा के क्षेत्र में नैदानिक उपकरणों और किटों के विकास के माध्यम से निदान के लिए किया जाता है, जो रोगग्रस्त स्थितियों में व्यक्त होने वाले कुछ अणुओं और कोशिकीय घटकों का पता लगाने में सहायक साबित हुए हैं। आरडीएनए प्रौद्योगिकी, बायोइनफॉरमैटिक्स के उपकरण, आधुनिक उपकरण और बायोप्रोसेस प्रौद्योगिकियों का उपयोग करके, सिंथेटिक दवा एनालॉग्स की भविष्यवाणी की जा सकती है और संभवतः संश्लेषित किया जा सकता है, जो बेहतर रोग उपचार दिखा सकते हैं। टीकों का उत्पादन और जीन थेरेपी भी चिकित्सा के क्षेत्र में बायोटेक्नोलॉजी के महत्वपूर्ण अनुप्रयोग हैं। चिकित्सा के क्षेत्र में आधुनिक बायोटेक्नोलॉजी के कुछ प्रमुख अनुप्रयोग नीचे सूचीबद्ध हैं:

• महत्वपूर्ण चिकित्सीय अणुओं का उत्पादन: आरडीएनए प्रौद्योगिकी को चिकित्सीय मूल्य वाले बायोफार्मास्यूटिकल्स के विकास के लिए सफलतापूर्वक लागू किया गया है। विभिन्न प्रोटीन अणु जो दवा अणुओं के रूप में कार्य कर सकते हैं, विषमजात प्रणालियों जैसे सूक्ष्मजीवों, पौधों (ट्रांसजेनिक पौधों की व्याख्या अगले भाग में की गई है) आदि में व्यक्त किए जा रहे हैं।

कई चिकित्सीय उत्पादों सहित एंटीबायोटिक्स और हार्मोन का उत्पादन

आरडीएनए प्रौद्योगिकी का उपयोग करके किया गया है जो बाजार में उपलब्ध हैं। आरडीएनए प्रौद्योगिकी का उपयोग करके उत्पादित चिकित्सीय प्रोटीन का एक सामान्य उदाहरण मानव इंसुलिन है, जिसका उपयोग मधुमेह के उपचार के लिए किया जाता है, एक ऐसी बीमारी जिसमें रक्त शर्करा का स्तर बढ़ जाता है। यह एक विषमजात प्रणाली जैसे Escherichia coli में व्यक्त होने वाले मानव प्रोटीन का एक शास्त्रीय उदाहरण प्रस्तुत करता है। वर्तमान में, इंसुलिन मुख्य रूप से E. coli और Saccharomyces cerevisiae में उत्पादित किया जा रहा है। मानव वृद्धि हार्मोन आरडीएनए प्रौद्योगिकी के माध्यम से विभिन्न सूक्ष्म जैविक मेजबान प्रणालियों में वांछित प्रोटीन के सफल उत्पादन का एक और उदाहरण है। कई मानव प्रोटीन भी ट्रांसजेनिक भेड़ और बकरी के दूध में व्यक्त किए गए हैं। उदाहरण के लिए, यूएसए का खाद्य एवं औषधि प्रशासन (एफडीए) ने मानव उपयोग के लिए ट्रांसजेनिक बकरियों के दूध में रक्त एंटी-कोआगुलेंट के उत्पादन को मंजूरी दी है।

वर्तमान में, वैज्ञानिक हेपेटाइटिस, कैंसर और हृदय रोगों जैसी बीमारियों के खिलाफ ऐसी दवाएं विकसित करने की कोशिश कर रहे हैं, जो मानव मृत्यु दर के प्रमुख कारण हैं।

• जीन थेरेपी: यह प्रौद्योगिकी जीन दोषों के कारण होने वाली बीमारियों जैसे सिस्टिक फाइब्रोसिस, थैलेसीमिया, पार्किंसंस रोग आदि के उपचार में सबसे सहायक है। 1972 में संकल्पित, जीन थेरेपी में रोग के उपचार के लिए दवा के रूप में रोगी की कोशिका में आवश्यक जीन की डिलीवरी शामिल है, ताकि यह दोषपूर्ण जीन के कार्य को प्रतिस्थापित कर सके। पहला प्रयास, हालांकि असफल, 1980 में मार्टिन क्लाइन द्वारा $\beta$-थैलेसीमिया के इलाज के लिए किया गया था। जीन थेरेपी की पहली सफल रिपोर्ट 1990 में हासिल की गई थी जब, अशांति डी सिल्वा का एडेनोसिन डीएमिनेज की कमी [जिसे एडेनोसिन डीएमिनेज गंभीर संयुक्त इम्यूनोडेफिशिएंसी (एडीए-एससीआईडी) भी कहा जाता है] के लिए इलाज किया गया था जो एक ऑटोसोमल रिसेसिव चयापचय विकार है जो इम्यूनोडेफिशिएंसी का कारण बनता है। रूस ने 2011 में नेवास्कुलजेन को परिधीय धमनी रोग के लिए फर्स्ट-इन-क्लास-जीन थेरेपी के रूप में मंजूरी दी।

कैंसर उपचार के लिए चीन द्वारा 2003 में मंजूरी प्राप्त पहली वाणिज्यिक जीन थेरेपी उत्पाद जेन्डिसिन था।

• आनुवंशिक परीक्षण: यह एक प्रकार का चिकित्सा परीक्षण है जो किसी व्यक्ति की आनुवंशिक संरचना में दोषों जैसे जीन और प्रोटीन अभिव्यक्ति विसंगतियों में गुणसूत्रीय दोषों की पहचान करने में मदद करता है। यह किसी व्यक्ति के किसी विशिष्ट विकार को विकसित करने या आगे बढ़ाने की संभावना निर्धारित करने में मदद करता है। सैकड़ों आनुवंशिक परीक्षण वर्तमान में उपयोग में हैं और कई विकसित किए जा रहे हैं। उदाहरण के लिए, फेनिलकेटोन्यूरिया (रोगियों में अमीनो अम्ल फेनिलएलनाइन को संसाधित करने के लिए आवश