बायोसिंथेसिस | पर्यावरण और जैव प्रौद्योगिकी के लिए आशा की एक किरण

बायोसिंथेसिस | पर्यावरण और जैव प्रौद्योगिकी के लिए आशा की एक किरण
प्रोटीन संश्लेषण
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बायोसिंथेसिस | पर्यावरण और जैव प्रौद्योगिकी के लिए आशा की एक किरण

विषय-सूची

बायोसिंथेसिस क्या है?

यह एक एंजाइम-उत्प्रेरित प्रक्रिया जिसमें सरल अभिकारक (सब्सट्रेट) को जटिल उत्पादों में परिवर्तित किया जाता है अंदर रहने वाले जीव या जीवित जीवों की मदद से। इस प्रक्रिया में, सब्सट्रेट्स को रूपांतरित, संशोधित या पोलीमराइज़ किया जाता है बड़े आकार के उत्पादों के रूप में जाना जाता है बड़े अणुओं। इस रूपांतरण और संशोधन में प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला शामिल है जिसे बायोसिंथेटिक मार्ग कहा जाता है। इन बायोसिंथेटिक रास्ते जीव के शरीर के अंदर या बाहर एंजाइमों (जैव रासायनिक) के साथ हो सकता है। कोशिका झिल्ली घटकों (फॉस्फोलिपिड्स और झिल्ली प्रोटीन) का उत्पादन, न्यूक्लियोटाइड्स और प्रोटीन बायोसिंथेटिक पथ के विशिष्ट उदाहरण हैं। बायोसिंथेसिस प्रक्रिया आमतौर पर एक है उपचय प्रक्रिया मोनोमर्स, सब्सट्रेट, अग्रदूत यौगिक, एंजाइम, सह-एंजाइम और ऊर्जा की आवश्यकता होती है। 

सामान्य तौर पर, बायोसिंथेसिस सेलुलर चयापचय मशीनरी का उपयोग करके एंजाइम-उत्प्रेरित प्रतिक्रियाओं के माध्यम से बायोमोलेक्यूलस या प्राकृतिक यौगिकों के उत्पादन की प्रक्रिया है। आम तौर पर, एंजाइम-उत्प्रेरित प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला एक एकल बायोमोलेक्यूल के उत्पादन में शामिल होती है। बायोसिंथेसिस का उपयोग इन विट्रो (जीवित जीव के बाहर) या विवो में सब्सट्रेट का उपयोग करके रसायनों को संश्लेषित करने के लिए भी किया जा सकता है (जैसे जीवित कोशिका के अंदर) ई. कोलाई) एंजाइमों के साथ पुनः संयोजक प्रौद्योगिकी की मदद करते हैं। 

जैवसंश्लेषण
चित्रा 1: जैवसंश्लेषण के लिए सेल घटकों का उपयोग।
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जैवसंश्लेषण और रासायनिक संश्लेषण के बीच अंतर

रासायनिक संश्लेषण या केमोसिंथेसिस उत्प्रेरक के रूप में ज्ञात रासायनिक एजेंटों की अनुपस्थिति या उपस्थिति में सरल पदार्थों का उपयोग करके जटिल उत्पादों का निर्माण है। बायोसिंथेसिस एक चयापचय पथ का पालन करके एक जीवित प्रणाली में छोटे सब्सट्रेट का उपयोग करके बड़े कार्बनिक यौगिक बनाता है। 

बायोसिंथेसिस क्यों आवश्यक है?

रसायन विज्ञान में उपयोग की जाने वाली उत्पादन विधियां आमतौर पर हमारे आसपास के वातावरण और अन्य जीवित प्राणियों के लिए खतरनाक होती हैं। इसलिए, पर्यावरण की दृष्टि से सुरक्षित, लागत प्रभावी और संश्लेषण की विधि की आवश्यकता है। कवक, बैक्टीरिया, डायटम, पौधों और यहां तक ​​कि मानव कोशिकाओं जैसे कई जैविक प्रणालियां एंजाइम-उत्प्रेरित प्रतिक्रियाओं और चयापचय मार्गों के माध्यम से सरल सब्सट्रेट्स को बायोमोलेक्यूलस में बदल सकती हैं। रासायनिक संश्लेषण के बजाय बायोसिंथेसिस का उपयोग करना फायदेमंद है क्योंकि यह पर्यावरण की दृष्टि से सुरक्षित और विशाल है। कई बायोसिंथेटिक विधियाँ वर्तमान में अणुओं के छोटे पैमाने पर उत्पादन और औद्योगिक उत्पादन के लिए उपयोग में हैं। 

बायोसिंथेसिस के कुछ अनुप्रयोग

इंसुलिन के जैवसंश्लेषण के लिए सेल कारखाने

विभिन्न प्रकार के फार्मास्युटिकल उत्पादों को एंटीबॉडी और कई प्रोटीन सहित कंपनियों द्वारा संश्लेषित और विपणन किया जाता है जिनकी बड़ी मात्रा में आवश्यकता होती है। जिनमें से चिकित्सीय मोनोक्लोनल एंटीबॉडी सबसे अधिक विपणन वाले उत्पाद हैं, इसके बाद हार्मोन और वृद्धि कारक हैं।

वर्तमान में इंसुलिन का उत्पादन आम तौर पर खमीर और में किया जाता है ई. कोलाई. इससे पहले, इंसुलिन को साही और गोजातीय अग्न्याशय से अलग किया गया था। यीस्ट और ई. कोलाई में इंसुलिन की अभिव्यक्ति ने कम समय में अधिक उपज प्रदान की।

ई। कोलाई जैसे सूक्ष्मजीव इंसुलिन जैवसंश्लेषण के लिए आवश्यक क्यों हैं?

इंसुलिन बायोसिंथेसिस के लिए E.coli को प्राथमिकता देने के कारण इस प्रकार हैं:

  • - तेजी से प्रजनन दर (प्रत्येक 20 मिनट में जनसंख्या दोगुनी)
  • - इसमें एंटीबायोटिक प्रतिरोध जीन होते हैं जो अवांछित बैक्टीरिया के विकास को रोकते हैं।
  • - सम्भालने में आसान
  • - कम रखरखाव लागत
  • - उच्च लाभप्रदता

पहले, लोग गायों और सूअरों के अग्न्याशय की कोशिकाओं से इंसुलिन लेते थे। सुअर और गाय से प्राप्त इंसुलिन मानव इंसुलिन से थोड़ा अलग होता है, और कटाई की लागत बहुत अधिक होती है। कुछ औंस इंसुलिन का उत्पादन करने में एक टन सुअर के अग्नाशयी ऊतक लगेंगे। खमीर (Saccharomyces cerevisiae) का उपयोग वाणिज्यिक इंसुलिन उत्पादन के लिए भी किया जाता है ई. कोलाई। लेकिन खमीर की तुलना में उत्पादित इंसुलिन की उत्पादन दर, की तुलना में काफी कम है ई. कोलाई

मानव से ई। कोली को इंसुलिन का जीन स्थानांतरण

एमआरएनए प्रतिलेख इंसुलिन उत्पादक अग्नाशयी कोशिकाओं (लैंगरहंस के आइलेट की कोशिकाओं) से निकाला जाता है। रिवर्स एंजाइम ट्रांसक्रिपटेस mRNA को बांधता है और सीडीएनए (पूरक डीएनए) का एक एकल किनारा बनाता है। तब डीएनए पोलीमरेज़ ने आगे दोहरे पॉलिमेड डीएनए बनाने के लिए cDNA को आगे पॉलिमराइज़ किया। डीएनए की प्रतियां तब पोलीमरेज़ चेन रिएक्शन (पीसीआर) करके तैयार की जाती हैं। प्रवर्धित डीएनए ई। कोलाई के एक प्लास्मिड (बाह्य परिपत्र डीएनए) में स्थानांतरित किया जाता है। डीएनए / जीन सम्मिलन प्रक्रिया को प्रतिबंध एंजाइम और डीएनए लिगेज के साथ प्लास्मिड को काटने और लिगेटिंग द्वारा पूरा किया जाता है। इस प्लास्मिड में टेट्रासाइक्लिन और एम्पीसिलीन के लिए एंटीबायोटिक प्रतिरोध जीन है। 

जैवसंश्लेषण
चित्रा 2: एक प्लाज्मिड में जीन सम्मिलन
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           अगले चरण में, ई। कोलाई में वापस प्लास्मिड के सम्मिलन की आवश्यकता होती है; इस प्रक्रिया को परिवर्तन के रूप में जाना जाता है। ई। कोलाई की कोशिका झिल्ली को छिद्रपूर्ण बनाया जाता है और सेल युक्त माध्यम में कैल्शियम क्लोराइड की शुरुआत करके प्लास्मिड के उत्थान के लिए तैयार किया जाता है। इसके बाद, माध्यम में प्लास्मिडों को पेश किया गया था और कोशिकाओं द्वारा गर्मी या बिजली (इलेक्ट्रोप्लोरेशन) के झटके देने के बाद प्लास्मिड को कोशिकाओं द्वारा लिया गया था। विद्युतीकरण के बाद, दो प्रकार की कोशिकाएँ मिलने की संभावनाएँ हैं:

- प्लास्मिड के बिना कोशिकाएं

- इंसुलिन जीन युक्त एक वांछित पुनः संयोजक प्लास्मिड के साथ कोशिकाएं

पुनः संयोजक प्लास्मिड के साथ वांछित ई कोलाई कोशिकाओं की पहचान कैसे करें?

ई। कोलाई कोशिकाओं द्वारा लिया गया पुनः संयोजक प्लास्मिड, ई.कोली कोशिकाओं में एंटीबायोटिक प्रतिरोध उत्पन्न करता है। इस गुण के द्वारा, वांछित कोशिकाओं को विद्युतीकरण के बाद प्राप्त ई। कोलाई कोशिकाओं के ऊपर के प्रकारों के बीच प्रतिष्ठित किया जाता है। पुनः संयोजक प्लास्मिड युक्त कोशिकाएं एम्पीसिलीन और टेट्रासाइक्लिन युक्त मध्यम में जीवित रहेंगी। हालांकि, प्लास्मिड के बिना कोशिकाएं इस माध्यम में जीवित नहीं रहेंगी।

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चित्रा 3: प्लास्मिड ट्रांसफर और क्लोन पहचान की योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व। https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Artificial_Bacterial_Transformation.svg

इंसुलिन उत्पादन

पुनः संयोजक ई। कोलाई कोशिकाओं को तब अलग-थलग किया गया, उनकी पहचान की गई और फिर उनके बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए एक बड़े किण्वक को हस्तांतरित किया गया। ई। कोलाई के लिए इष्टतम मात्रा में नमक, चीनी, नाइट्रोजन और पानी मिलाकर पोषक तत्व और वृद्धि मीडिया तैयार किया जाता है। अवांछित कोशिकाओं और माइक्रोबियल संदूषण के विकास को प्रतिबंधित करने के लिए एम्पीसिलीन को विकास माध्यम में भी जोड़ा जाता है। ई। कोलाई कोशिकाओं की संख्या हर 20-30 मिनट में दोगुनी होने की उम्मीद है। ई। कोलाई कोशिकाएं अपनी संख्या बढ़ाने के लिए कई दिनों तक विभाजित रहती हैं। इसके बाद, कई रासायनिक एजेंटों को उस माध्यम में जोड़ा जाता है जो इंसुलिन जीन के प्रतिकारक प्रोटीन को हटाकर इंसुलिन उत्पादन शुरू करता है जिसके परिणामस्वरूप इंसुलिन जीन की सक्रियता होती है।

इसके अलावा, ई। कोलाई कोशिकाओं में इंसुलिन उत्पादन को गति प्रदान करने के लिए कुछ अन्य रसायन एजेंटों को जोड़ा जाता है। कुछ घंटों के बाद, ई। कोलाई कोशिकाएं काफी मात्रा में इंसुलिन का उत्पादन करती हैं। शोरबा को किण्वन टैंक से बाहर निकाला जाता है, और कोशिकाओं को काटा जाता है और सेंट्रीफ्यूजेशन के माध्यम से शोरबा से अलग किया जाता है। कोशिकाओं से इंसुलिन जारी करने के लिए ई। कोलाई कोशिकाओं की कोशिका झिल्ली को बाधित करने के लिए कई रासायनिक एजेंटों को जोड़ा गया था। तब इंसुलिन को बाजार में वितरित करने से पहले जस्ता को जोड़कर शुद्ध और क्रिस्टलीकृत किया जाता है।

सिंथेटिक इंसुलिन क्यों आवश्यक है?

पुनः संयोजक इंसुलिन विश्व स्तर पर मांगों को पूरा कर रहा है। इस इंसुलिन उत्पादन प्रक्रिया ने पहले इस्तेमाल किए गए तरीकों की तुलना में इंसुलिन को सस्ता और बेहतर तरीके से उपलब्ध कराया। पुनः संयोजक इंसुलिन ने विषयों को उनके रक्त शर्करा के स्तर के बारे में ज्यादा चिंता किए बिना रोजमर्रा की जिंदगी जीने की आजादी दी। पुनः संयोजक इंसुलिन का जैवसंश्लेषण विभिन्न शारीरिक स्थितियों में आवश्यक अन्य पुनः संयोजक हार्मोन के उत्पादन के लिए आशा की एक किरण प्रदान करता है।

ईंधनों का जैवसंश्लेषण

जैव ईंधन क्या हैं?

बायोफ्यूल आमतौर पर बायोमास जैसे पौधों और जानवरों के कचरे से उत्पन्न होते हैं। इसमें जीवाश्म ईंधन के विकल्प के रूप में इस्तेमाल करने की क्षमता हो सकती है। जीवाश्म ईंधन (जैसे कोयला, पेट्रोलियम, प्राकृतिक और प्राकृतिक गैस) के विपरीत, जैव ईंधन को हरी और नवीकरणीय ऊर्जा का एक अच्छा स्रोत माना जाता है। वे आम तौर पर पर्यावरण के अनुकूल और लागत प्रभावी हैं, जैव ईंधन का एक आशाजनक भविष्य है क्योंकि इसे बढ़ते पेट्रोल की कीमतों और जीवाश्म ईंधन की संभावित कमी के संदर्भ में जीवाश्म ईंधन के विकल्प के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है। 

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चित्र 4: अक्षय ऊर्जा के जैवसंश्लेषण की अवधारणा

जैव ईंधन का उत्पादन

जैव ईंधन को सूक्ष्मजीवों (आमतौर पर बैक्टीरिया और कवक) की कार्रवाई द्वारा संश्लेषित किया जाता है। बायोएथेनॉल कार्बोहाइड्रेट के किण्वन द्वारा संश्लेषित किया जाता है, जबकि बायोडीजल (एस्टर) तेलों और वसा के किण्वन से प्राप्त किया जाता है। ऊपर वर्णित पदार्थों से प्राप्त जैव ईंधन का उपयोग कार्बोहाइड्रेट के किण्वन द्वारा किया जाता है, जबकि बायोडीजल (एस्टर) तेलों और वसा के किण्वन से प्राप्त किया जाता है। उपर्युक्त पदार्थों से प्राप्त जैव ईंधन ऊर्जा की एक महत्वपूर्ण मात्रा का उत्पादन करने के लिए उपयोग किया जाता है, और वे पर्यावरणीय सुरक्षा की दिशा में भी योगदान करते हैं क्योंकि वे पर्यावरण को कम से कम हद तक प्रभावित करते हैं। 

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चित्रा 5: जैव ईंधन के उत्पादन के लिए संभव दृष्टिकोण।
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जैव ईंधन के प्रकार

बायोएथेनॉल: यह आंतरिक दहन इंजन में इसके उपयोग के लिए एक आशाजनक आवेदन है। बायोएथेनॉल का लागत-प्रभावी उत्पादन इसे पेट्रोल और गैस तेल जैसे पारंपरिक कार ईंधन के प्रतिस्थापन के रूप में उपयोग करने में सक्षम बनाता है। 

बायोएथेनॉल का संश्लेषण

बायोएथेनॉल का संश्लेषण 4 चरणों में होता है:

- वायुमंडलीय कार्बन डाइऑक्साइड के निर्धारण द्वारा बायोमास उत्पादन।

- बायोमास को फिर भोजन (आमतौर पर ग्लूकोज / स्टार्च) में परिवर्तित किया जाता है, जिसका उपयोग किण्वन में किया जाता है।

बायोमास का किण्वन सूक्ष्मजीवों (खमीर या बैक्टीरिया) द्वारा संचालित किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप इथेनॉल एकाग्रता का उत्पादन होता है।

- इस इथेनॉल के आगे के प्रसंस्करण और शुद्धिकरण से उपज बायोटेक्नोल और कई उप-उत्पादों पर ध्यान केंद्रित किया जाता है। अंतिम उत्पाद को विभिन्न प्रयोजनों के लिए उपयोग किया जा सकता है, जैसे विद्युत ऊर्जा, गर्मी, अन्य रासायनिक यौगिक आदि।

बायोडीजल: पौधों, जानवरों और रसोई के कचरे को प्रयोगात्मक प्रौद्योगिकियों की एक श्रृंखला का पालन करके बायोडीजल में परिवर्तित किया जा सकता है। प्रक्रिया कम तापमान पर रासायनिक प्रतिक्रियाएं करके शुरू होती है, जिसके परिणामस्वरूप एस्टर का उत्पादन होता है। एस्टर मीठे / सुखद महक वाले पदार्थ हैं, और वे ठोस या तरल हो सकते हैं और अपने गैर-ध्रुवीय / हाइड्रोफोबिक प्रकृति के कारण कार्बनिक सॉल्वैंट्स में घुलनशील हैं। अब उत्पादित एस्टर को आसानी से बायोडीजल और ग्लिसरीन में परिवर्तित किया जा सकता है। प्रक्रिया में गठित ग्लिसरीन एक उप-उत्पाद है और संभवतः सौंदर्य प्रसाधन, स्नेहक और माउथवॉश में उपयोग किया जा सकता है।

इस विधि द्वारा गठित बायोडीजल को किसी और संशोधन की आवश्यकता नहीं है; इसलिए इसे सीधे शुद्ध अवस्था में उपयोग किया जा सकता है और मोटर, बर्नर और डीजल इंजन के लिए गैस तेल के साथ मिश्रित किया जा सकता है। ऑटोमोबाइल और औद्योगिक उपयोग के लिए बड़े पैमाने पर बायोडीजल का उपयोग दुनिया को जीवाश्म ईंधन संकट, वायु प्रदूषण के कारण स्वास्थ्य खतरों और ग्रीनहाउस उत्सर्जन की समस्याओं से जल्द ही लड़ने में मदद कर सकता है। यह बायोडिग्रेडेबल है, और इसलिए यह गैर विषैले है।

जैव प्रौद्योगिकी के प्रकाश में जैवसंश्लेषण

रासायनिक विधियों द्वारा यौगिकों को संश्लेषित करना बड़े पैमाने पर विभिन्न बायोमोलेक्यूल्स का उत्पादन करने के लिए एक अच्छी तरह से पुष्टि की गई प्रक्रिया है। हालांकि, रासायनिक संश्लेषण में कुछ कमियां हैं जैसे कि मल्टीस्टेप प्रतिक्रियाएं, अस्थिर प्रतिक्रिया मध्यवर्ती, जटिल प्रक्रिया नियंत्रण आदि। बायोसिंथेसिस इन चुनौतियों को दूर करने के लिए एक आशाजनक और वैकल्पिक दृष्टिकोण प्रदान करता है, लेकिन प्रक्रिया की दक्षता चिंता का केंद्रीय प्रश्न है।

डिजाइन-कंस्ट्रक्शन-मूल्यांकन-ऑप्टिमाइज़ेशन (DCEO) जैव-प्रौद्योगिकी बायोसिंथेसिस करने के लिए मार्ग डिजाइन करने के लिए वैचारिक तकनीकों के साथ कुशल सेल कारखानों को विकसित करने के लिए एक दृष्टिकोण प्रदान करता है। इसके अलावा, DCEO वांछित जैव रासायनिक के उत्पादन के लिए मौजूदा मार्ग / प्रक्रिया को संशोधित और अनुकूलित कर सकता है। DCEO जैव प्रौद्योगिकी भविष्य में जैव-रिफाइनरियों की स्थापना के लिए एक आशाजनक दृष्टिकोण है।

निष्कर्ष

सूक्ष्मजीव बहुत सारे लाभ प्रदान करते हैं जैसे जैव ईंधन, इंसुलिन और अन्य हार्मोन और बायोमोलेक्यूल उत्पादन। भविष्य के जीवाश्म ईंधन संकट से लड़ने के लिए बायोडीजल का उपयोग आवश्यक है। जैव ईंधन उनकी नगण्य विषाक्तता के कारण पर्यावरण के लिए फायदेमंद है। पुनः संयोजक इंसुलिन फायदेमंद है क्योंकि यह बहुत सारे जानवरों का त्याग किए बिना और पारिस्थितिकी तंत्र को नुकसान पहुंचाए बिना पैदा किया जा सकता है। प्रक्रिया लागत प्रभावी है, और पुनः संयोजक प्रोटीन फार्म सूक्ष्मजीवों की वृद्धि, कटाई और शुद्धिकरण के लिए काफी कम क्षेत्र की आवश्यकता होती है। 

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डॉ अब्दुल्ला अरसलानी के बारे में

बायोसिंथेसिस | पर्यावरण और जैव प्रौद्योगिकी के लिए आशा की एक किरणमैं अब्दुल्ला अरसलान हूं, जैव प्रौद्योगिकी में मेरी पीएचडी पूरी की। मेरे पास 7 साल का शोध अनुभव है। मैंने ४.५ के औसत प्रभाव कारक के साथ अंतरराष्ट्रीय ख्याति की पत्रिकाओं में अब तक ६ पेपर प्रकाशित किए हैं और कुछ और विचार में हैं। मैंने विभिन्न राष्ट्रीय और अंतर्राष्ट्रीय सम्मेलनों में शोध पत्र प्रस्तुत किए हैं। मेरी रुचि का विषय जैव प्रौद्योगिकी और जैव रसायन विज्ञान है जिसमें प्रोटीन रसायन विज्ञान, एंजाइमोलॉजी, इम्यूनोलॉजी, बायोफिजिकल तकनीक और आणविक जीव विज्ञान पर विशेष जोर दिया गया है।

आइए लिंक्डइन (https://www.linkedin.com/in/abdullah-arsalan-a97a0a88/) या Google विद्वान (https://scholar.google.co.in/citation?user=AeZVWO4AAAAJ&hl=en) के माध्यम से जुड़ें।

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