బయోటెక్నాలజీ & ఉపయోగాలు (Biotechnology Basics)

జీవులను లేదా వాటిలోని భాగాలను (కణాలు, ఎంజైములు, సూక్ష్మజీవులు) ఉపయోగించి మనకు కావలసిన ఉత్పత్తులు, సేవలు తయారు చేసే సాంకేతికతను బయోటెక్నాలజీ (Biotechnology) అంటారు. పెరుగు తోడు వేయడం కూడా బయోటెక్నాలజీయే.

ఇప్పుడు జన్యువులను మార్చే ఆధునిక పద్ధతులు కూడా ఇందులో ఉన్నాయి.

• పదం పుట్టుక: 'బయోటెక్నాలజీ' అనే పదాన్ని 1919లో హంగేరీ ఇంజనీర్ కార్ల్ ఎరెకీ (Karl Ereky) మొదట వాడారు.
• రెండు రకాలు:
  1. సంప్రదాయ (Traditional): పెరుగు, ఇడ్లీ-దోశ పిండి పులియడం, రొట్టె, వైన్, కల్లు తయారీ
  2. ఆధునిక (Modern): జన్యు ఇంజనీరింగ్ (Genetic Engineering), టిష్యూ కల్చర్, క్లోనింగ్, DNA టెక్నాలజీ
• రంగుల వర్గీకరణ:
  1. ఎరుపు (Red) బయోటెక్నాలజీ – వైద్యం, టీకాలు, మందులు
  2. ఆకుపచ్చ (Green) – వ్యవసాయం, పంటలు
  3. తెలుపు (White) – పరిశ్రమలు, ఎంజైములు, జీవ ఇంధనాలు
  4. నీలం (Blue) – సముద్ర, జల వనరులు
• భారతదేశంలో నోడల్ సంస్థ:
  1. బయోటెక్నాలజీ విభాగం (Department of Biotechnology – DBT). దీన్ని 1986లో ఏర్పాటు చేశారు
  2. ఇది సైన్స్ & టెక్నాలజీ మంత్రిత్వ శాఖ కింద ఉంది.
• ఉపయోగించే సూక్ష్మజీవులు: బ్యాక్టీరియా, ఈస్ట్, శిలీంధ్రాలు, ఆల్గే.

ఒక మొక్కలోని చిన్న భాగాన్ని (కణం, కణజాలం, మొగ్గ) ప్రయోగశాలలో, శుభ్రమైన పరిస్థితుల్లో పోషక మాధ్యమంపై పెంచి కొత్త మొక్కలను తయారు చేసే పద్ధతే కణజాల వర్ధనం (Tissue Culture). దీనికి ఆధారం టోటిపొటెన్సీ (Totipotency) – ఒక్క కణం నుండి పూర్తి మొక్కగా ఎదిగే సామర్థ్యం.

• పితామహుడు: గాట్లీబ్ హేబర్లాండ్ట్ (Gottlieb Haberlandt) – మొక్కల కణజాల వర్ధనానికి పునాది వేశారు.
• ఎక్స్‌ప్లాంట్ (Explant): పెంచడానికి తీసుకున్న మొక్క భాగం.
• కాల్లస్ (Callus): ఎక్స్‌ప్లాంట్ నుండి వచ్చే విభజన చెందే కణాల ముద్ద.
• మాధ్యమం:
  1. మురాషిగే-స్కూగ్ (MS) మాధ్యమం బాగా వాడుతారు
  2. ఇందులో పోషకాలు, చక్కెర, ఆక్సిన్లు, సైటోకైనిన్లు ఉంటాయి.
• హార్మోన్ల పాత్ర:
  1. ఆక్సిన్ ఎక్కువ – వేర్లు ఏర్పడతాయి
  2. సైటోకైనిన్ ఎక్కువ – కొమ్మలు/మొగ్గలు ఏర్పడతాయి
• సూక్ష్మప్రవర్ధనం (Micropropagation): తక్కువ సమయంలో వేలాది ఒకేలాంటి మొక్కలు తయారు చేయడం.
• ఉపయోగాలు:
  1. వ్యాధిరహిత మొక్కలు (మెరిస్టెమ్ కల్చర్ ద్వారా వైరస్ లేని మొక్కలు)
  2. అరటి, ఆర్కిడ్, చెరకు, బంగాళాదుంప వంటి వాటి భారీ ఉత్పత్తి
  3. అరుదైన, అంతరించే మొక్కల సంరక్షణ
  4. సోమాక్లోనల్ వైవిధ్యం ద్వారా కొత్త రకాలు

సూక్ష్మజీవులు ఆక్సిజన్ లేకుండా లేదా తక్కువ ఆక్సిజన్‌తో పదార్థాలను విడగొట్టి ఆమ్లాలు, ఆల్కహాల్, వాయువులు తయారు చేసే ప్రక్రియను పులియబెట్టడం (Fermentation) అంటారు. పారిశ్రామిక స్థాయిలో దీన్ని పెద్ద ఫెర్మెంటర్లలో (Fermentors/Bioreactors) చేస్తారు.

• లూయీ పాశ్చర్ (Louis Pasteur): పులియడం సూక్ష్మజీవుల వల్లే జరుగుతుందని నిరూపించారు.
• సూక్ష్మజీవి – ఉత్పత్తి:
  1. ఈస్ట్ (సాక్రోమైసిస్ సెరివిసియే) – ఆల్కహాల్, బ్రెడ్, బీర్, వైన్
  2. లాక్టోబాసిల్లస్ – పెరుగు, లాక్టిక్ ఆమ్లం
  3. ఎసిటోబాక్టర్ – ఎసిటిక్ ఆమ్లం (వెనిగర్)
  4. ఆస్పర్‌జిల్లస్ నైగర్ – సిట్రిక్ ఆమ్లం
  5. క్లోస్ట్రిడియం బ్యూటిలికం – బ్యూటానాల్
  6. మిథనోజెన్లు – బయోగ్యాస్ (మీథేన్)
• యాంటీబయాటిక్స్:
  1. పెన్సిలిన్ – అలెగ్జాండర్ ఫ్లెమింగ్ 1928లో పెన్సిలియం నొటేటం బూజు నుండి కనుగొన్నారు; తర్వాత ఫ్లోరీ, చెయిన్ దీన్ని మందుగా అభివృద్ధి చేశారు
  2. స్ట్రెప్టోమైసిన్ – సెల్‌మన్ వాక్స్‌మన్ (టీబీకి మందు)
• స్విస్ చీజ్‌లో రంధ్రాలు: ప్రొపియోని బాక్టీరియం ఉత్పత్తి చేసే CO₂ వల్ల.
• ఇడ్లీ, దోశ, ఢోక్లా పిండి పొంగడం: బ్యాక్టీరియా, ఈస్ట్ ఉత్పత్తి చేసే CO₂ వల్ల.
• విటమిన్ B12, రైబోఫ్లావిన్: కూడా సూక్ష్మజీవుల ద్వారా తయారవుతాయి.

జన్యు ఇంజనీరింగ్ ద్వారా బ్యాక్టీరియా లేదా ఈస్ట్ చేత మనుషులకు అవసరమైన ప్రోటీన్లను తయారు చేయిస్తున్నారు. ఈ పద్ధతి వల్ల మందులు చౌకగా, ఎక్కువ మొత్తంలో, సురక్షితంగా లభిస్తున్నాయి.

• మానవ ఇన్సులిన్: మధుమేహానికి వాడతారు. 1982లో ఎలీ లిల్లీ (Eli Lilly) సంస్థ 'హ్యూములిన్' పేరుతో మొదటి రీకాంబినెంట్ DNA మందుగా విడుదల చేసింది. దీన్ని E. coli బ్యాక్టీరియాలో తయారు చేస్తారు. ముందు పశువుల (పంది, ఆవు) ఇన్సులిన్ వాడేవారు, దాని వల్ల అలర్జీలు వచ్చేవి.
• ఇతర రీకాంబినెంట్ ఉత్పత్తులు: మానవ వృద్ధి హార్మోన్ (హ్యూమన్ గ్రోత్ హార్మోన్), ఇంటర్‌ఫెరాన్, క్లాటింగ్ ఫ్యాక్టర్ VIII (హీమోఫిలియా).
• టీకా (Vaccine) అంటే రోగం కలిగించకుండా శరీరంలో ప్రతిరక్షకాలు (Antibodies) తయారయ్యేలా చేసే పదార్థం.
• ఎడ్వర్డ్ జెన్నర్ – 1796లో మశూచి (Smallpox) టీకా
• టీకాల పితామహుడు
• లూయీ పాశ్చర్ – రేబీస్ టీకా
• హెపటైటిస్-B టీకా – ఈస్ట్‌లో తయారయ్యే రీకాంబినెంట్ టీకా
• మోనోక్లోనల్ యాంటీబాడీలు:
  1. 1975లో కోహ్లర్, మిల్‌స్టీన్ హైబ్రిడోమా పద్ధతిలో తయారు చేశారు
  2. క్యాన్సర్ చికిత్స, గర్భ పరీక్ష కిట్లలో వాడతారు.
• ప్రతి-సీరం (Antiserum): పాముకాటుకు ఇచ్చే విషహర మందు (Anti-venom) రెడీమేడ్ ప్రతిరక్షకాలు.
• భారతదేశం:
  1. హైదరాబాద్‌లోని భారత్ బయోటెక్ సంస్థ ICMR భాగస్వామ్యంతో కోవాక్సిన్ తయారు చేసింది
  2. బయోలాజికల్ E సంస్థ (హైదరాబాద్) కార్బెవాక్స్ తయారు చేసింది.

రసాయన ఎరువులు, పురుగుమందులు నేల, నీటిని కలుషితం చేస్తాయి. అందుకే సూక్ష్మజీవులను ఉపయోగించే జీవ ఎరువులు (Biofertilizers), జీవ పురుగుమందులు (Biopesticides) వాడుకలోకి వచ్చాయి.

• జీవ ఎరువులు:
  1. రైజోబియం (Rhizobium) – పప్పుధాన్యాల వేరు బుడిపెల్లో నత్రజని స్థిరీకరణ
  2. అజటోబాక్టర్, అజోస్పిరిల్లం – నేలలో స్వతంత్రంగా నత్రజని స్థిరీకరణ
  3. నీలి-ఆకుపచ్చ శైవలాలు (BGA), అనబీనా – వరి పొలాల్లో
  4. అజోల్లా (Azolla) – నీటి ఫెర్న్; వరి పొలాల్లో నత్రజని ఇస్తుంది
  5. మైకోరైజా (Mycorrhiza) – శిలీంధ్రం; భాస్వరం (ఫాస్ఫరస్) శోషణకు తోడ్పడుతుంది
• జీవ పురుగుమందులు:
  1. బాసిలస్ థురింజియెన్సిస్ (Bt) – గొంగళి పురుగులను చంపుతుంది
  2. ట్రైకోడెర్మా – శిలీంధ్ర తెగుళ్ల నివారణ
  3. వేప ఆధారిత మందులు.
• బయోరెమిడియేషన్ (Bioremediation): కాలుష్యాన్ని సూక్ష్మజీవులతో శుభ్రం చేయడం.
• ఉదాహరణ: సముద్రంలో చమురు తెట్టు (Oil Spill)ను సూడోమోనాస్ బ్యాక్టీరియాతో విడగొట్టడం
• బయోగ్యాస్ (గోబర్ గ్యాస్): పేడ, వ్యర్థాల నుండి వాయురహిత పద్ధతిలో మీథేన్ ఉత్పత్తి.
• జీవ ఇంధనాలు: ఇథనాల్ (చెరకు మొలాసిస్ నుండి), బయోడీజిల్ (జట్రోఫా, పామాయిల్ నుండి). పెట్రోల్‌లో ఇథనాల్ కలపడాన్ని ఇథనాల్ బ్లెండింగ్ అంటారు.
• సేంద్రియ వ్యవసాయం: రసాయనాలు లేకుండా జీవ ఎరువులు, కంపోస్టు, వర్మికంపోస్టు వాడతారు.

భారతదేశంలో బయోటెక్నాలజీ పరిశోధనకు ప్రభుత్వం అనేక సంస్థలను ఏర్పాటు చేసింది. పరీక్షల్లో సంస్థ – ప్రదేశం జతలు తరచుగా అడుగుతారు. హైదరాబాద్ ఇందులో ముఖ్య కేంద్రం కాబట్టి తెలంగాణ అభ్యర్థులకు ఇవి మరింత ముఖ్యం.

• బయోటెక్నాలజీ విభాగం (DBT):
  1. 1986లో ఏర్పాటు
  2. దీని కింద అనేక సంస్థలు పనిచేస్తాయి.
• BIRAC:
  1. Biotechnology Industry Research Assistance Council – 2012లో ఏర్పాటు
  2. స్టార్టప్‌లు, పరిశ్రమలకు సహాయం చేసే DBT సంస్థ.
• ప్రముఖ సంస్థలు – ప్రదేశం:
  1. CCMB (సెంటర్ ఫర్ సెల్యులార్ & మాలిక్యులర్ బయాలజీ) – హైదరాబాద్
  2. CDFD (సెంటర్ ఫర్ DNA ఫింగర్‌ప్రింటింగ్ & డయాగ్నోస్టిక్స్) – హైదరాబాద్
  3. NCCS (నేషనల్ సెంటర్ ఫర్ సెల్ సైన్స్) – పుణె
  4. NIPGR (నేషనల్ ఇన్‌స్టిట్యూట్ ఆఫ్ ప్లాంట్ జీనోమ్ రీసెర్చ్) – ఢిల్లీ
  5. NII (నేషనల్ ఇమ్యూనాలజీ ఇన్‌స్టిట్యూట్) – ఢిల్లీ
  6. ICGEB – ఢిల్లీ, ట్రియెస్టే (ఇటలీ)
• జీనోమ్ వ్యాలీ (Genome Valley):
  1. హైదరాబాద్ సమీపంలోని శామీర్‌పేట వద్ద ఉన్న లైఫ్ సైన్సెస్ క్లస్టర్
  2. టీకా, ఔషధ సంస్థలకు కేంద్రం. హైదరాబాద్‌ను 'భారత వ్యాక్సిన్ రాజధాని' అని పిలుస్తారు.
• ICRISAT (పటాన్‌చెరు, హైదరాబాద్): పాక్షిక-శుష్క ప్రాంత పంటల అంతర్జాతీయ పరిశోధన సంస్థ
• 1972లో ప్రారంభం.
• నియంత్రణ:
  1. GEAC (జన్యు ఇంజనీరింగ్ అనుమతుల కమిటీ) పర్యావరణ మంత్రిత్వ శాఖ కింద
  2. RCGM (Review Committee on Genetic Manipulation) DBT కింద.