मानव आनुवंशिक अभियांत्रिकी और क्लोनिंग | विज्ञान और प्रौद्योगिकी (Science & Technology) for UPSC CSE PDF Download

जैव प्रौद्योगिकी का अर्थ है जीवित जीवों या कोशिकाओं के आनुवंशिक सामग्री को संशोधित करने के लिए कृत्रिम विधियों का उपयोग करना, ताकि नए यौगिकों का उत्पादन किया जा सके या नए कार्य किए जा सकें। कृषि की शुरुआत से ही जैव प्रौद्योगिकी का उपयोग मवेशियों और फसलों के सुधार के लिए चुनौतीपूर्ण प्रजनन के माध्यम से किया गया है। 1953 में डीएनए की संरचना की खोज के बाद, और विशेष रूप से 1970 के दशक में डीएनए को संशोधित करने के उपकरणों और विधियों के विकास के बाद, जैव प्रौद्योगिकी का अर्थ जीवों के डीएनए का आणविक स्तर पर संशोधन बन गया है। इस तकनीक के प्रमुख अनुप्रयोग चिकित्सा (टीकों और एंटीबायोटिक्स के उत्पादन के लिए) और कृषि (फसलों के आनुवंशिक संशोधन के लिए) में हैं। जैव प्रौद्योगिकी के कई औद्योगिक अनुप्रयोग भी हैं, जैसे कि किण्वन, तेल के रिसाव का उपचार, और जैव ईंधन का उत्पादन, साथ ही घरेलू अनुप्रयोग जैसे कपड़े धोने के डिटर्जेंट में एंजाइम का उपयोग।

आनुवंशिक सामग्री में हेरफेर

उपरोक्त अनुप्रयोगों को पूरा करने के लिए, जैव प्रौद्योगिकी विशेषज्ञों को न्यूक्लियक एसिड को निकालने, संशोधित करने और विश्लेषण करने में सक्षम होना चाहिए।

न्यूक्लियक एसिड संरचना की समीक्षा

न्यूक्लियक एसिड के साथ काम करने के लिए उपयोग की जाने वाली बुनियादी तकनीकों को समझने के लिए, याद रखें कि न्यूक्लियक एसिड मैक्रोमोलेक्यूल्स होते हैं जो न्यूक्लियोटाइड्स (एक शुगर, एक फास्फेट, और एक नाइट्रोजनयुक्त बेस) से बने होते हैं। इन अणुओं पर फास्फेट समूहों का एक समग्र नकारात्मक चार्ज होता है। यूकेरियोटिक जीवों के नाभिक में डीएनए के अणुओं का एक पूरा सेट जीनोम कहलाता है। डीएनए में दो पूरक स्ट्रैंड होते हैं जो जुड़े होते हैं हाइड्रोजन बांड द्वारा जो युग्मित बेस के बीच होते हैं।

युकैरियोटिक कोशिकाओं में DNA के विपरीत, RNA अणु नाभिक को छोड़ते हैं। मेसेन्जर RNA (mRNA) सबसे अधिक विश्लेषित किया जाता है क्योंकि यह उन प्रोटीन-कोडिंग जीनों का प्रतिनिधित्व करता है जो कोशिका में व्यक्त किए जा रहे हैं।

न्यूक्लिक एसिड का पृथक्करण

न्यूक्लिक एसिड का अध्ययन या हेरफेर करने के लिए, पहले DNA को कोशिकाओं से निकालना आवश्यक है। विभिन्न तकनीकों का उपयोग विभिन्न प्रकार के DNA निकालने के लिए किया जाता है। अधिकांश न्यूक्लिक एसिड निकासी तकनीकों में कोशिका को तोड़ने के लिए कदम शामिल होते हैं, और फिर सभी अवांछित मैक्रोमोलेक्यूल्स को नष्ट करने के लिए एंजाइम प्रतिक्रियाओं का उपयोग किया जाता है। कोशिकाओं को एक डिटर्जेंट समाधान का उपयोग करके तोड़ा जाता है जिसमें बफरिंग यौगिक होते हैं। विघटन और संदूषण को रोकने के लिए, प्रोटीन और RNA जैसे मैक्रोमोलेक्यूल्स को एंजाइमों का उपयोग करके निष्क्रिय किया जाता है। फिर DNA को अल्कोहल का उपयोग करके समाधान से बाहर लाया जाता है। परिणामी DNA, क्योंकि यह लंबे पॉलिमर से बना होता है, एक जेली जैसी मात्रा में बनता है।

DNA निष्कर्षण

यह चित्र DNA निष्कर्षण के लिए उपयोग की जाने वाली मूल विधि को दर्शाता है।

RNA का अध्ययन कोशिकाओं में जीन अभिव्यक्ति के पैटर्न को समझने के लिए किया जाता है। RNA स्वाभाविक रूप से बहुत अस्थिर होता है क्योंकि RNA को तोड़ने वाले एंजाइम प्राकृतिक रूप से आमतौर पर उपस्थित होते हैं। कुछ तो हमारी अपनी त्वचा द्वारा भी स्रावित होते हैं और इन्हें निष्क्रिय करना बहुत कठिन होता है। DNA निष्कर्षण के समान, RNA निष्कर्षण में अन्य मैक्रोमोलेक्यूल्स को निष्क्रिय करने और केवल RNA को संरक्षित करने के लिए विभिन्न बफर और एंजाइमों का उपयोग शामिल होता है।

जेल इलेक्ट्रोफोरेसिस

चूंकि न्यूक्लिक एसिड न्यूट्रल या क्षारीय pH पर एक जलीय वातावरण में नकारात्मक चार्ज वाले आयन होते हैं, इन्हें इलेक्ट्रिक क्षेत्र द्वारा स्थानांतरित किया जा सकता है। जेल इलेक्ट्रोफोरेसिस एक तकनीक है जिसका उपयोग आकार और चार्ज के आधार पर चार्ज किए गए अणुओं को अलग करने के लिए किया जाता है। न्यूक्लिक एसिड को पूरे क्रोमोसोम के रूप में या टुकड़ों के रूप में अलग किया जा सकता है। न्यूक्लिक एसिड को एक जेल मैट्रिक्स के एक सिरे पर एक स्लॉट में लोड किया जाता है, एक इलेक्ट्रिक करंट लागू किया जाता है, और नकारात्मक चार्ज वाले अणु जेल के विपरीत सिरे (सकारात्मक इलेक्ट्रोड वाले सिरे) की ओर खींचे जाते हैं।

छोटे अणु जेली में मौजूद छिद्रों के माध्यम से बड़े अणुओं की तुलना में तेजी से चलते हैं; यह प्रवास की दर में अंतर अणु के आकार के आधार पर टुकड़ों को अलग करता है। जेली मैट्रिक्स में न्यूक्लिक एसिड तब तक अदृश्य होते हैं जब तक उन्हें किसी यौगिक से रंगा नहीं जाता है, जो उन्हें देखने योग्य बनाता है, जैसे कि कोई डाई। न्यूक्लिक एसिड के अलग-अलग टुकड़े जेली के शीर्ष (नकारात्मक इलेक्ट्रोड का अंत) से विशिष्ट दूरी पर बैंड के रूप में प्रकट होते हैं, जो उनके आकार के आधार पर होते हैं। विभिन्न आकारों के कई टुकड़ों का मिश्रण एक लंबे धब्बे के रूप में दिखाई देता है, जबकि अनकटा जीनोमिक DNA आमतौर पर जेली के माध्यम से चलाने के लिए बहुत बड़ा होता है और जेली के शीर्ष पर एक बड़ा बैंड बनाता है।

यहाँ छह नमूनों के DNA टुकड़े जेली पर चलाए गए हैं, जिन्हें फ्लोरोसेंट डाई से रंगा गया है और UV प्रकाश के तहत देखा गया है।

पॉलीमरेज़ चेन रिएक्शन

DNA विश्लेषण अक्सर जीनोम के एक या एक से अधिक विशिष्ट क्षेत्रों पर ध्यान केंद्रित करने की आवश्यकता होती है। यह अक्सर उन परिस्थितियों में भी शामिल होता है जहाँ आगे के विश्लेषण के लिए केवल एक या कुछ प्रतियों का DNA अणु उपलब्ध होता है। ये मात्रा अधिकांश प्रक्रियाओं के लिए अपर्याप्त होती हैं, जैसे कि जेली इलेक्ट्रोफोरेसिस। पॉलीमरेज़ चेन रिएक्शन (PCR) एक तकनीक है जिसका उपयोग DNA के विशिष्ट क्षेत्रों की प्रतियों की संख्या को तेजी से बढ़ाने के लिए किया जाता है।

PCR एक विशेष प्रकार की DNA पॉलीमरेज़ का उपयोग करता है, जो DNA की नकल करने वाला एंजाइम है, और अन्य छोटे न्यूक्लियोटाइड अनुक्रम जिन्हें प्राइमर्स कहा जाता है, जो नकल की जा रही DNA के विशिष्ट भाग से आधार युग्मित होते हैं। PCR का उपयोग प्रयोगशालाओं में कई उद्देश्यों के लिए किया जाता है। इनमें शामिल हैं: 1) किसी अपराध स्थल पर छोड़े गए DNA नमूने के मालिक की पहचान; 2) पिता का विश्लेषण; 3) प्राचीन DNA की छोटी मात्रा की आधुनिक जीवों के साथ तुलना; और 4) किसी विशिष्ट क्षेत्र में न्यूक्लियोटाइड अनुक्रम का निर्धारण।

पॉलीमरेज़ श्रृंखला प्रतिक्रिया, या PCR, का उपयोग विशेष प्रकार की DNA पोलिमरेज़ का उपयोग करके DNA के एक विशिष्ट अनुक्रम की कई प्रतियों का उत्पादन करने के लिए किया जाता है।

क्लोनिंग

सामान्यतः, क्लोनिंग का अर्थ एक परिपूर्ण अनुकरण का निर्माण करना है। आमतौर पर, इस शब्द का उपयोग आनुवंशिक रूप से समान प्रति बनाने के लिए किया जाता है। जैविकी में, एक पूरे जीव के पुनर्निर्माण को "प्रजनन क्लोनिंग" कहा जाता है। एक पूरे जीव के क्लोन बनाने के प्रयासों से बहुत पहले, शोधकर्ताओं ने DNA के छोटे खंडों की नकल करना सीख लिया था—एक प्रक्रिया जिसे अणु क्लोनिंग कहा जाता है।

अणु क्लोनिंग

• क्लोनिंग जीन की कई प्रतियों का निर्माण, जीन की अभिव्यक्ति, और विशिष्ट जीन का अध्ययन करने की अनुमति देती है।
• DNA खंड को बैक्टीरिया की कोशिका में एक ऐसे रूप में डालने के लिए जिसे कॉपी या व्यक्त किया जाएगा, खंड को पहले एक प्लास्मिड में डाला जाता है।
• प्लास्मिड (जिसे इस संदर्भ में वेक्टर भी कहा जाता है) एक छोटा गोलाकार DNA अणु है जो स्वतंत्र रूप से बैक्टीरिया में क्रोमोसोमल DNA से अलग तरीके से पुनरुत्पादित होता है।
• क्लोनिंग में, प्लास्मिड अणुओं का उपयोग एक "वाहन" प्रदान करने के लिए किया जा सकता है जिसमें इच्छित DNA खंड डाला जा सके।
• संशोधित प्लास्मिड आमतौर पर पुनरुत्पादन के लिए बैक्टीरिया के मेज़बान में फिर से पेश किए जाते हैं।
• जैसे-जैसे बैक्टीरिया विभाजित होते हैं, वे अपने स्वयं के DNA (प्लास्मिड सहित) की नकल करते हैं।
• मानव जीनोम (या किसी अन्य जीव का जो अध्ययन किया जा रहा है) से DNA का खंड बैक्टीरियल DNA (मेज़बान DNA) से भिन्न करने के लिए विदेशी DNA कहा जाता है।
• प्लास्मिड स्वाभाविक रूप से बैक्टीरिया की जनसंख्या (जैसे Escherichia coli) में पाए जाते हैं और उनमें ऐसे जीन होते हैं जो जीव को लाभकारी गुण प्रदान कर सकते हैं, जैसे कि एंटीबायोटिक प्रतिरोध।
• प्लास्मिड को अणु क्लोनिंग के लिए और महत्वपूर्ण अणुओं जैसे कि इंसुलिन के बाद के बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए वेक्टर के रूप में अत्यधिक इंजीनियर किया गया है।
• प्लास्मिड वेक्टर का एक मूल्यवान गुण यह है कि विदेशी DNA खंड को आसानी से पेश किया जा सकता है।

• ये प्लास्मिड वेक्टर कई छोटे DNA अनुक्रमों को शामिल करते हैं जिन्हें विभिन्न सामान्य रूप से उपलब्ध रोकने वाले एंजाइमों के साथ काटा जा सकता है।
• रोकने वाले एंजाइम (जिन्हें रोकने वाले एंडोन्यूक्लियास भी कहा जाता है) विशिष्ट DNA अनुक्रमों को पहचानते हैं और उन्हें एक पूर्वानुमानित तरीके से काटते हैं; ये स्वाभाविक रूप से बैक्टीरिया द्वारा विदेशी DNA के खिलाफ एक रक्षा तंत्र के रूप में उत्पादित होते हैं।
• कई रोकने वाले एंजाइम DNA की दो स्ट्रैंड्स में असमान कट करते हैं, ताकि कटे हुए अंत 2- से 4- न्यूक्लियोटाइड एकल-स्ट्रैंडेड ओवरहैंग होते हैं।
• जिस अनुक्रम को रोकने वाला एंजाइम पहचानता है वह चार से आठ न्यूक्लियोटाइड का अनुक्रम होता है जो एक पलिंड्रोम होता है।
• एक पलिंड्रोम का अर्थ है कि अनुक्रम आगे और पीछे पढ़ने पर समान होता है।
• जब इस प्रकार के अनुक्रम में असमान कट होता है, तो ओवरहैंग्स एक-दूसरे के पूरक होते हैं।

इस (a) छह-न्यूक्लियोटाइड रोकने वाले एंजाइम पहचान साइट में, ध्यान दें कि छह न्यूक्लियोटाइड का अनुक्रम 5' से 3' दिशा में एक स्ट्रैंड पर उसी तरह पढ़ा जाता है जैसे यह पूरक स्ट्रैंड पर 5' से 3' दिशा में पढ़ा जाता है। इसे पलिंड्रोम कहा जाता है। (b) रोकने वाला एंजाइम DNA स्ट्रैंड्स में ब्रेक बनाता है, और (c) DNA में कट "चिपचिपे अंत" का परिणाम देता है।

दूसरा DNA का एक टुकड़ा जो एक ही रोकने वाले एंजाइम द्वारा दोनों सिरों पर काटा गया हो, इन चिपचिपे अंतों से जुड़ सकता है और इस कट द्वारा बनाए गए गैप में डाला जा सकता है। चूंकि ये ओवरहैंग्स एक ही रोकने वाले एंजाइम से काटे गए DNA के एक टुकड़े पर पूरक ओवरहैंग्स के साथ हाइड्रोजन बॉन्डिंग करके एक साथ वापस आने में सक्षम होते हैं, इन्हें "चिपचिपे अंत" कहा जाता है। पूरक अनुक्रमों पर एकल स्ट्रैंड्स के बीच हाइड्रोजन बांड बनाने की प्रक्रिया को ऐनीलिंग कहा जाता है। एक एंजाइम जिसे DNA लिगेज कहा जाता है, जो कोशिकाओं में DNA पुनरुत्पादन में भाग लेता है, चिपचिपे अंत एक साथ आने पर DNA के खंडों को स्थायी रूप से जोड़ता है। इस प्रकार, किसी भी DNA खंड को उस प्लास्मिड DNA के दोनों सिरों के बीच जोड़ा जा सकता है जिसे एक ही रोकने वाले एंजाइम के साथ काटा गया हो।

जिन प्लास्मिड में विदेशी DNA डाला गया है, उन्हें रीकॉम्बिनेंट DNA अणु कहा जाता है क्योंकि उनमें आनुवंशिक सामग्री के नए संयोजन होते हैं। जिन प्रोटीनों का उत्पादन रीकॉम्बिनेंट DNA अणुओं से होता है, उन्हें रीकॉम्बिनेंट प्रोटीन कहा जाता है। सभी रीकॉम्बिनेंट प्लास्मिड जीन की अभिव्यक्ति में सक्षम नहीं होते हैं। प्लास्मिड को इस प्रकार से इंजीनियर भी किया जा सकता है कि वे केवल कुछ पर्यावरणीय कारकों द्वारा उत्तेजित होने पर प्रोटीन व्यक्त करें, ताकि वैज्ञानिक रीकॉम्बिनेंट प्रोटीन की अभिव्यक्ति को नियंत्रित कर सकें।

प्रजनन क्लोनिंग

• प्रजनन क्लोनिंग एक विधि है जिसका उपयोग एक क्लोन या एक समान प्रति बनाने के लिए किया जाता है जो पूरे बहुकोशीय जीव का होता है। अधिकांश बहुकोशीय जीव यौन माध्यम से प्रजनन करते हैं, जिसमें दो व्यक्तियों (माता-पिता) से DNA का योगदान होता है, जिससे किसी भी माता-पिता की समान प्रति या क्लोन बनाना असंभव हो जाता है। हाल की जैव प्रौद्योगिकी में प्रगति ने प्रयोगशाला में स्तनधारियों की प्रजनन क्लोनिंग को संभव बना दिया है।
• प्राकृतिक यौन प्रजनन में निषेचन के दौरान एक शुक्राणु और एक अंडाणु का मिलन होता है। इनमें से प्रत्येक जननाणु हैप्लॉइड होता है, जिसका मतलब है कि इनमें अपने नाभिक में एक सेट क्रोमोसोम होते हैं। परिणामी कोशिका, या जाइगोट, फिर डिप्लॉइड होती है और इसमें दो सेट क्रोमोसोम होते हैं। यह कोशिका विभाजित होकर एक बहुकोशीय जीव का निर्माण करती है। हालांकि, केवल किसी भी दो कोशिकाओं का मिलन एक जीवित जाइगोट उत्पन्न नहीं कर सकता; अंडाणु कोशिका के साइटोप्लाज्म में ऐसे घटक होते हैं जो भ्रूण के प्रारंभिक विकास के लिए आवश्यक होते हैं।
• क्लोन किए गए मानव भ्रूणों को भ्रूणीय स्टेम सेल के स्रोतों के रूप में उत्पन्न करने के प्रयास किए गए हैं। इस प्रक्रिया में, एक वयस्क मानव का DNA एक मानव अंडाणु कोशिका में पेश किया जाता है, जिसे फिर विभाजित करने के लिए उत्तेजित किया जाता है। यह तकनीक डॉली को उत्पन्न करने के लिए उपयोग की गई तकनीक के समान है, लेकिन भ्रूण को कभी भी एक सहायक माँ में प्रत्यारोपित नहीं किया जाता। उत्पन्न कोशिकाओं को भ्रूणीय स्टेम सेल कहा जाता है क्योंकि इनमें विभिन्न प्रकार की कोशिकाओं, जैसे मांसपेशी या तंत्रिका कोशिकाओं में विकसित होने की क्षमता होती है।

जेनेटिक इंजीनियरिंग

• रीकॉम्बिनेंट DNA प्रौद्योगिकी का उपयोग करके किसी जीव के DNA में सुधार करना ताकि इच्छित गुण प्राप्त किए जा सकें, इसे आनुवंशिकी इंजीनियरिंग कहा जाता है। अणु क्लोनिंग द्वारा उत्पन्न रीकॉम्बिनेंट DNA वेक्टर के रूप में विदेशी DNA को जोड़ना आनुवंशिकी इंजीनियरिंग की सबसे आम विधि है। जिस जीव को रिकॉम्बिनेंट DNA प्राप्त होता है, उसे आनुवंशिक रूप से संशोधित जीव (GMO) कहा जाता है। यदि जो विदेशी DNA पेश किया जाता है वह किसी अन्य प्रजाति से आता है, तो मेज़बान जीव को ट्रांसजेनिक कहा जाता है।
• हालांकि जीन के कार्य का अध्ययन करने की पारंपरिक विधियाँ एक दिए गए फेनोटाइप से शुरू हुईं और उस फेनोटाइप का आनुवंशिक आधार निर्धारित किया, आधुनिक तकनीकें शोधकर्ताओं को DNA अनुक्रम स्तर से शुरू करने और पूछने की अनुमति देती हैं: "यह जीन या DNA तत्व क्या करता है?" इस तकनीक को रिवर्स जीनटिक्स कहा जाता है, जिससे पारंपरिक आनुवंशिकी पद्धति को उलट दिया गया है। इस विधि का एक उदाहरण एक शरीर के अंग को नुकसान पहुँचाने के समान है ताकि उसके कार्य को समझा जा सके।
• एक कीट जो एक पंख खो देता है, वह उड़ नहीं सकता, जिसका अर्थ है कि पंख का कार्य उड़ान है। पारंपरिक आनुवंशिकी विधि उड़ नहीं सकने वाले कीटों की तुलना उड़ सकने वाले कीटों से करती है और देखती है कि उड़ नहीं सकने वाले कीटों के पंख खो गए हैं। इसी तरह, रिवर्स जीनटिक्स दृष्टिकोण में, जीन में उत्परिवर्तन या विलोपन शोधकर्ताओं को जीन के कार्य के बारे में संकेत प्रदान करता है। वैकल्पिक रूप से, रिवर्स जीनटिक्स का उपयोग यह जानने के लिए किया जा सकता है कि किसी जीन का अधिक अभिव्यक्ति करने पर कौन से फेनोटाइपिक प्रभाव हो सकते हैं।

सारांश

न्यूक्लियक एसिड्स को कोशिकाओं से अलग किया जा सकता है ताकि आगे की विश्लेषण के लिए कोशिकाओं को तोड़कर और अन्य प्रमुख मैक्रोमोलेक्यूल्स को एंजाइमेटिक रूप से नष्ट किया जा सके। खंडित या सम्पूर्ण क्रोमोसोम्स को आकार के आधार पर जेल इलेक्ट्रोफोरेसिस द्वारा अलग किया जा सकता है। छोटे डीएनए खंडों को PCR द्वारा बढ़ाया जा सकता है। डीएनए को प्रतिबंध एंजाइमों का उपयोग करके काटा जा सकता है (और बाद में फिर से जोड़ दिया जा सकता है)। मॉलिक्यूलर और सेलुलर तकनीकें बायोटेक्नोलॉजी के क्षेत्र में शोधकर्ताओं को जीवों को आनुवंशिक रूप से इंजीनियर करने की अनुमति देती हैं, जिससे उन्हें वांछनीय गुण प्राप्त करने के लिए संशोधित किया जा सकता है।

• क्लोनिंग छोटे डीएनए खंडों (मॉलिक्यूलर क्लोनिंग) या संपूर्ण जीवों (प्रजनन क्लोनिंग) की क्लोनिंग में शामिल हो सकती है।
• मॉलिक्यूलर क्लोनिंग में, एक इच्छित डीएनए खंड को एक बैक्टीरियल प्लास्मिड में प्रतिबंध एंजाइमों का उपयोग करके डाला जाता है और प्लास्मिड को एक बैक्टीरिया द्वारा ग्रहण किया जाता है, जो फिर विदेशी डीएनए व्यक्त करेगा।
• अन्य तकनीकों का उपयोग करके, विदेशी जीनों को यूकेरियोटिक जीवों में डाला जा सकता है। इन सभी मामलों में, जीवों को ट्रांसजेनिक जीव कहा जाता है।
• प्रजनन क्लोनिंग में, एक डोनर नाभिक को एक एन्यूक्लियेटेड अंडाणु में डाला जाता है, जिसे फिर विभाजित और एक जीव में विकसित होने के लिए उत्तेजित किया जाता है।
• रिवर्स जेनेटिक्स विधियों में, एक जीन को किसी न किसी तरीके से उत्परिवर्तित या हटा दिया जाता है ताकि उसके समग्र जीव के फेनोटाइप पर प्रभाव की पहचान की जा सके, ताकि उसके कार्य को निर्धारित किया जा सके।