بیوتکنولوژی صنعتی
تاریخچة توسعه بیوتکنولوژی
بیوتکنولوژی صنعتی از دیدگاه کاربردی
1- بیوتکنولوژی دارویی
2- بیوتکنولوژی غذایی
3- بیوتکنولوژی محیط زیست
4- بیوتکنولوژی تولید افزودنیهای خوراک دام، طیور و آبزیان
5- فروشویی زیستی
مقدمه:
بیوتکنولوژی به مفهوم استفاده مستقیم یا غیرمستقیم موجودات زنده یا بخشی از اجزاء بدن موجود زنده و یا فرآوردههای آنها بصورت طبیعی یا تغییر شکل یافته جهت ارائه خدمات به اجتماع بشری میباشد.
دوران معاصر، عصر جویندگان طلا و نفت نمیباشد بلکه عصر شکارچیان ژن و بیوتکنولوژی نوین است و بیوتکنولوژی بعنوان فناوری کلیدی و محور توسعه پایدار، با سابقة هزاران ساله، از مهمترین یافتههای انسان و رهگشای مشکلات بشریت در هزاره سوم است. در عصر حاضر دیگر منصفانه نیست بیوتکنولوژی را به یک شاخه از علوم و فنون منحصر کرد چراکه بیوتکنولوژی در عرصههای مختلف پزشکی، دارویی، کشاورزی، تغذیه، آبزیان، محیطزیست، معدن و … موجب برکات زیادی شده است.
بیوتکنولوژی نوین در اوائل دهة 70 در قرن بیستم شروع شد. در اوائل دهة 80، اولین کاربرد عملی آن با تایید استفادة بالینی انسولین انسانی نوترکیب به نتیجه رسید. دهة 90 توسعة همه جانبه بیوتکنولوژی نوین در زمینههای مختلف صورت گرفت. سال 2000 نقشه ژنوم انسان مشخص شد و قرن 21 بعنوان قرن فراگیر شدن بیوتکنولوژی مطرح شد. بنابراین بیوتکنولوژی در قرن حاضر منشا تحولات عظیمی خواهد شد و در آستانه هزارة سوم از جایگاه خاصی برخوردار است و جایگاه کشورها نسبت به یکدیگر در گرو امکانات بالقوه و توانایی آنها در این حیطه علم و فناوری میباشد. بیوتکنولوژی برای بشریت جذاب و سودآور است و با استفاده از آن، فرآوردههای زیستی باارزش افزوده بالا قابل تولید است.
در قرن حاضر طومار بسیاری از کارخانجات صنعتی عریض و طویل تولیدکنندة فرآوردههای مصنوعی سنتزی با مخارج گزاف و همراه با آلودگی زیستمحیطی در هم پیچیده خواهد شد و بسیاری از فرآوردهای شیمیایی جای خود را به فرآوردهای زیستی حاصل از فرآیندهای بیوتکنولوژی نوین خواهند داد. فرآوردههای زیستی حاصل از بیوتکنولوژی صنعتی، بهشدت معطوف سنخیت محصولات آن با طبیعت میباشد. در این مقاله سعی شده است با ذکر تاریخ و آمار، سیر فزاینده گسترش بیوتکنولوژی و اهمیت آن به زبان ساده بیان شود تا ضمن آشنایی علاقهمندان، مسئولین محترم نیز بطور جدی به این مهم بپردازند.
تاریخچة توسعه بیوتکنولوژی
درک صحیح و استنباط واقعی از سیر تحولات بیوتکنولوژی را میتوان با نگاهی گذرا بر نقاط عطف تاریخچة توسعه آن دریافت. سرآغاز بیوتکنولوژی سنتی به 6 هزار سال قبل از میلاد مسیح برمیگردد؛ زمانیکه سومریان و مصریان بدون اینکه از میکروارگانیسمها اطلاعاتی داشته باشند با فرآیند تخمیر، نان و شراب تهیه میکردند. در 4 هزار سال قبل از میلاد، چینیها به تولید شراب، ماست و پنیر مشغول بودند. 1750 سال قبل از میلاد، سومریان صنعت تولید الکل را بنا کردند. چینیها از سویای کپکزده بعنوان آنتیبیوتیک جهت درمان جوشها و دملها بهره میبردند. و در سال 1797 برای اولین بار واکسن آبله به انسان تزریق شد.
اولین آنزیم در سال 1832 جداسازی شد. در سال 1914 از باکتریها برای تصفیه پساب در شهر منچستر انگلستان استفاده شد. اصطلاح بیوتکنولوژی برای اولین بار در سال 1919 توسط یک مهندس کشاورزی مجاری بکار برده شد. در سال 1920 هورمون رشد توسط دو محقق بنام Long وEvans کشف شد. پنیسیلین در سال 1928 بعنوان اولین آنتیبیوتیک کشف و در سال 1947 به تولید انبوه رسید و این بعنوان شروع تاریخ بیوتکنولوژی صنعتی قلمداد شده است. در سال 1950 اینترفرونها کشف شدند. در سال 1953 ساختار فضایی DNA توسط دو دانشمند مشهور واتسون و کریک معرفی شد. در سال 1969 اولین آنزیم در آزمایشگاه، سنتز شد. سال 1970 سنتز کامل ژن برای اولین بار صورت گرفت. در سال 1973 روش مهندسی ژنتیک با معرفی آنزیمهای برشدهنده و جوشدهنده، بطور موفقیتآمیز توسط دو دانشمند استفنکوهن و هربرت بویر انجام شد. در سال 1975 اولین آنتیبادی منوکلونال برای اولین بار تولید شد. انسولین انسانی بعنوان اولین محصول مهندسی ژنتیک برای معالجه بیماران دیابتی در سال 1982 مورد تایید قرار گرفت. سال 1990 اولین گاو شیرده تراریخته معرفی شد. اولین محصول غذایی مهندسی ژنتیک بنام گوجه FLAVRSAR در سال 1994 وارد بازار شد. در سال 1997 محققین اسکاتلندی اولین گوسفند کلون شده بنام دالی را معرفی کردند. سال 2000 نقشه ژنوم انسان اعلام شد و این امر موجب آغاز تحقیقات و دستآوردهای عظیم و شگرف در زمینه ژندرمانی و علاج بیمارهای صعبالعلاج خواهد شد. جدول 1 تاریخچة توسعه بیوتکنولوژی و سیر تاریخی تولید فرآوردههای زیستی را طی 5 مرحله زیر ارائه میدهد.
با نگرشی بر رشد بازار فرآوردههای فناوری زیستی جهان در سال 2000، به گسترة عملکرد انقلاب سبز بیوتکنولوژی و برتری آن نسبت به اغلب علوم و فنون پی میبرید.
با رشد بیرویه جمعیت و افزایش آن به بیش از 8 میلیارد نفر در سال 2030 و افزایش تقاضا، بیوتکنولوژی پاسخگوی شایستهای جهت تامین امنیت ملی در ابعاد غذایی، دارویی، بهداشتی، محیطزیست، دفاعی و قضایی است. در حال حاضر از طریق بیوتکنولوژی صنعتی و با استفاده از راکتورهای زیستی و میکروارگانیسمهای مناسب، فرآوردهای مهم و استراتژیک تولید میشود که پاسخگوی نیاز بشر در عرصه غذا، بهداشت و محیطزیست میباشد.
همزمان با ظهور بیوتکنولوژی نوین در دهه 70 در قرن بیستم، ابزارهای مورد استفاده سنتی جای خود را به فنون بیوتکنولوژی نوین سپردند. در جدول 2 مقایسهای بین فنون بکار گرفته شده در بیوتکنولوژی کلاسیک و نوین آورده شده است.
به موازات دگرگونی در بیوتکنولوژی، مهندسی زیستفرآیند نیز دستخوش تحولات شگرف شد. دورنمای مهندسی زیست فرآیند و بیوتکنولوژی صنعتی تا قبل از 1980 معطوف به دیدگاههای مهندسی و بزرگنمایی فرآیندها بود، لیکن در جهتگیریهای اخیر، بیوتکنولوژی صنعتی از طراحی تجهیزات، بزرگنمایی و مدلسازی ماکروسکوپیک فاصله زیادی گرفته است]ماخذ5[. بنابراین دوران 1980 به بعد برای بیوتکنولوژی صنعتی عصر شکوفایی دیدگاههای زیستمولکولی، فرآیندهای سلولی، مهندسی آنزیم و تولید فرآوردههای جدید از میکروارگانیسمهای تراریخته[1]، پروتئین داروهای نوترکیب، آنتی بادیهای منوکلونال، اینترفرونهای لکوسیتی، واکسنهای ژنی، زیستکاتالیزورهای صنعتی، نسل جدید آنتیبیوتیکها و … میباشد (جداول 3 و 5)
میزان فروش، یکی از شاخصهای اقتصادی صنعت بیوتکنولوژی است. با نگاهی به میزان فروش فرآوردههای بیوتکنولوژی درسال 1997 که نسبت به سال 1996، بیست درصد رشد داشته و به میزان 13 میلیارد دلار میرسد، اهمیت سرمایهگذاری در این بخش و محوریت این فناوری بعنوان فناوری کلیدی و محوری توسعه پایدار آشکار میشود (جدول 4).
آنزیمهای صنعتی بعنوان یکی از فرآوردههای مهم بیوتکنولوژی دارای بازار جهانی به میزان 1.6 میلیارد دلار بوده و برآورد میشود این رقم به 3 میلیارد دلار با نرخ رشد سالانه 6.5 درصد افزایش یابد. بازار فروش آنزیم باعث موج بیسابقهای از ادغام غولهای سرمایهگذاری و همکاری فزآینده شرکتهای تازهتاسیس برای دستیابی به فناوریهای جدید شده است (جدول 5).
بیوتکنولوژی نوین تنها به تولید فرآوردههای سنتی بسنده نکرده بلکه با ارائه روشهای جدید، امکان تولید فرآوردههای جدید را برای شرکتها و بخشهای مشتاق و ایجاد فرصتهای شغلی سبب میشود. بعنوان مثال تعداد فرصتهای شغلی ناشی از توسعه بیوتکنولوژی در ژاپن در سال 1997 در حدود 30000 بود، در حالیکه پیشبینی میشود در سال 2010 به 150000 افزایش یابد.
بیوتکنولوژی صنعتی از دیدگاه کاربردی
بیوتکنولوژی صنعتی از دیدگاه کاربردی را میتوان در پنج بخش بیوتکنولوژی دارویی، غذایی، محیط زیست و فروشویی زیستی خلاصه نمود:
1- بیوتکنولوژی دارویی
استفاده از میکروارگانیسمها جهت تولید دارو برای نخستین بار با کشف پنیسیلین در سال 1928 شروع و عصر جدیدی برای مبارزه بشر با بیماریهای عفونی انسان و حیوان، بیماریهای قلبی، دیابتی، کوتاهی قد، هموفیلی، پارکینسون و … آغاز شد. در سال 1941 پنیسیلین با کشت سطحی با حجم چند لیتر و با غلظت g l-1 001/0 تولید شد. با گسترش فنون و ابزار آلات مهندسی زیستفرآیند تولید صنعتی پنیسیلین با حجم 100000 لیتر و با غلظت g l-1 50 در سال 1947 صورت گرفت که بعنوان سرآغاز مهندسی زیستفرآیند مطرح میباشد.
در سال 1982 انسولین انسانی بعنوان اولین محصول مهندسی ژنتیک و بیوتکنولوژی نوین به بازار عرضه شد. بیوتکنولوژی نوین با بهرهگیری از فنون پیشرفته مهندسی ژنتیک تحولات شگرف و عصر جدیدی را در مبارزه با بیماریهای عفونی و غیرعفونی انسان، حیوان و از طرف دیگر صنعت دارو ایجاد کرده است. بیوتکنولوژی با کاربرد فنون DNA نوترکیب نقش مهمی برای تولید پروتئینهای نوترکیب و درمان بیماریهایی نظیر دیابت، کوتاه قدی و هموفیلی ایفا میکند. در حال حاضر بیش از 20 پروتئین دارویی نوترکیب و واکسن به بازار ارائه شده است که مهمترین آنها انسولین، هورمون رشد انسانی، واکسن هپاتیت B و اینترفرونها میباشند. بنا به گزارشهای علمی بیش از 350 داروی جدید در دست تحقیق و توسعه است (جدول6).
از مهمترین این داروها، پروتئین داروی اریتروپوئیتین، عامل محرک کولونی گرانولوسیت، پلاسمینوژن بافتی، TPA جهت بیماران هموفیلی، واکسنهای DNA، داروهای ضدسرطان، آنتیترومبین، آنتیهموفیلیکها، آلفا –1- آنتی تریپسین، آنتی بادی منوکلونال جهت تشخیص عفونتهای ویروسی و باکتریایی، ردیابیهای ژنتیکی جهت ژن درمانی و پیشگیری از بیماریهایی چون دیابت، آرتریت و کمخونی و نسلهای آینده آنتیبیوتیکها و … میباشد.
با احاطه دانشمندان و محققان به ابزار بیان ژن و فنون مهندسی ژنتیک، تولید پروتئینهای نوترکیب در حیوانات پستاندار چون گاو، گوسفند، بز، خرگوش وگیاهان عملی شده است.
استفاده از گیاهان، روند تولید پروتئینهای DNA نوترکیب را بسیار اقتصادی و با بازدهی بالا کرده است، قبلاً برای تولید هر گرم از این پروتئینها با استفاده از تکنولوژی نوترکیب 1000 دلار هزینه میشد، اما هم اکنون به ازای هر گرم این مواد حدود 10 دلار هزینه میشود، بطوریکه میتواند جایگزین یک واحد تولید مدرن پروتئین نوترکیب شود. در حال حاضر شرکت PPL با همکاری کمپانی آسترا از گوسفندان تراریخته برای تولید لیپاز تحریک شده توسط نمکهای صفراوی (BBSL) استفاده میکند از آنجا که بیماران فیبروسیستیک و نوزادان نارس قادر به تولید لیپاز نمیباشند و فقدان این آنزیم در بدن، سرعت رشد آنها را کند و زمان نگهداری آنها را در بخش مراقبتهای ویژه زیاد کرده،BBSL محصول بسیار مطلوبی جهت این دسته از بیماران است.
بنابراین، صنعت بیوتکنولوژی در نتیجة پیشرفتهای حاصل مهندسی ژنتیک و سایر فناوریهای کشف و تولید دارو و فرآوردههای تشخیصی جدید مبتنی بر پایه ژن، راهنمای عصر پزشکی و داروسازی ژنومی در آیندهای نه چندان دور است و برای معضلات و بیماریهای لاعلاج پاسخ فنی دارد.
منبع:
http://molecularmicrobiology.persianblog.ir/
آدرس کانال میکروبیولوژی-بیوتکنولوژی :
هدف این وبلاگ در ارتباط با دانشجویان رشته های بیوتکنولوژی، میکروبیولوژی، ژنتیک، بیوشیمی، سلولی مولکولی و سایر رشته های زیست شناسی میباشد.