मुख्य सूत्र (Key Formulas)
जैव प्रौद्योगिकी एवं इसके उपयोग (Biotechnology and its Applications) - त्वरित संशोधन नोट्स
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1. कृषि में जैव प्रौद्योगिकी के उपयोग (Applications in Agriculture)
- जीएम फसलें (Genetically Modified Crops): ऐसी फसलें जिनके डीएनए में आनुवंशिक इंजीनियरिंग द्वारा वांछित जीन प्रवेश कराए जाते हैं, जीएम फसलें कहलाती हैं।
- पीटनाशक प्रतिरोधी फसलें (Pest Resistant Crops):
- बीटी कपास (Bt Cotton): इसमें जीवाणु बैसिलस थुरिंजिएंसिस (Bacillus thuringiensis) से जीन निकाले जाते हैं जो एक विषैला प्रोटीन (Cry प्रोटीन) बनाते हैं। यह प्रोटीन कपास के बॉलवर्म (कीट) को मार देता है।
- क्राइ जीन (Cry Genes): जैसे
cryIAc और cryIIAb कपास के मुकुल छेदक (bollworms) को नियंत्रित करते हैं, और cry1Ab मक्का छेदक (corn borer) को नियंत्रित करता है।
- RNA हस्तक्षेप (RNA Interference - RNAi):
- यह सभी यूकेरियोट्स में जीन साइलेंसिंग (Gene Silencing) की एक विधि है।
- इसका उपयोग तम्बाकू के पौधों में नेमाटोड (Meloidogyne incognita) के संक्रमण को रोकने के लिए किया जाता है। इसमें पूरक dsRNA का उपयोग करके विशिष्ट mRNA को निष्प्रभावी कर दिया जाता है।
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2. चिकित्सा में जैव प्रौद्योगिकी के उपयोग (Applications in Medicine)
- आनुवंशिक रूप से इंजीनियर इंसुलिन (Genetically Engineered Insulin):
- मधुमेह (Diabetes) के इलाज के लिए उपयोग किया जाता है।
- पहले इंसुलिन जानवरों (सूअर और गाय) के अग्नाशय से निकाला जाता था जिससे एलर्जी होती थी।
- एली लिली (Eli Lilly) नामक अमेरिकी कंपनी ने 1983 में दो डीएनए अनुक्रम तैयार किए जो इंसुलिन की श्रृंखला A और B के समरूप थे, और इन्हें E. coli प्लास्मिड में डालकर इंसुलिन उत्पादित किया।
- इंसुलिन की श्रृंखला A और B आपस में डाइसल्फ़ाइड आबंध (Disulphide bonds) द्वारा जुड़ी होती हैं।
- जीन चिकित्सा (Gene Therapy):
- यह विधि किसी बच्चे या भ्रूण में चिन्हित किए गए आनुवंशिक दोष को सुधारने के लिए उपयोग की जाती है।
- ADA कमी का इलाज: एडेनोसिन डीएमनेज (ADA) एंजाइम की कमी से 'Severe Combined Immunodeficiency' (SCID) होती है। इसका इलाज बोन मैरो प्रत्यारोपण या एंजाइम प्रतिस्थापन चिकित्सा से किया जाता है, लेकिन यह स्थायी नहीं है। जीन चिकित्सा में, रोगी के लिम्फोसाइट्स में कार्यात्मक ADA cDNA को retrovirus वाहक के माध्यम से प्रवेश कराया जाता है।
- आणविक निदान (Molecular Diagnosis):
- पारंपरिक विधियाँ (सीरम और मूत्र विश्लेषण) रोग के शुरुआती लक्षणों का पता लगाने में असमर्थ हैं।
- PCR (Polymerase Chain Reaction): बहुत कम सांद्रता वाले DNA/RNA के कई गुना प्रवर्धन (amplification) द्वारा रोगों का शुरुआती पता लगाने में सहायक (जैसे HIV और कैंसर का पता लगाना)।
- ELISA (Enzyme Linked Immunosorbent Assay): यह प्रतिजन-प्रतिपिंड (Antigen-Antibody) अंतःक्रिया के सिद्धांत पर कार्य करता है। इसका उपयोग AIDS के परीक्षण में किया जाता है।
- ऑटोरेडियोग्राफी (Autoradiography): रेडियोएक्टिव प्रोब का उपयोग करके उत्परिवर्ती जीन का पता लगाना।
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3. पारजीवी जंतु (Transgenic Animals)
- वे जंतु जिनके डीएनए में बाहरी जीन को स्थानांतरित और अभिव्यक्त किया जाता है, पारजीवी जंतु कहलाते हैं। (उदा: पारजीवी चूहे, खरगोश, सूअर, गाय आदि)।
- मुख्य उपयोग:
1. सामान्य शरीर क्रिया एवं विकास का अध्ययन: इंसुलिन जैसे कारकों या बीमारियों (जैसे कैंसर, सिस्टिक फाइब्रोसिस) के विकास का अध्ययन।
2. औषधि उत्पादन (Biological Products): अल्फा-1-एंटीट्रिप्सिन का उत्पादन जो वातस्फीति (Emphysema) के इलाज में काम आता है।
- उदाहरण: पहली पारजीवी गाय 'रोजी' (Rosie) थी, जिसका दूध मानव प्रोटीन संवर्धित (2.4 ग्राम/लीटर) था जो अल्फा-लैक्टलबुमिन से युक्त था।
3. टीका सुरक्षा (Vaccine Safety): पोलियो के टीके की सुरक्षा की जांच के लिए बंदरों पर परीक्षण से पहले पारजीवी चूहों का उपयोग।
4. रासायनिक सुरक्षा परीक्षण (Toxicity Testing): विषाक्तता परीक्षण को 'विष सुरक्षा परीक्षण' भी कहते हैं। पारजीवी जंतुओं में ऐसे जीन डाले जाते हैं जो विषैले पदार्थों के प्रति अधिक संवेदनशील होते हैं।
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4. नैतिक मुद्दे (Ethical Issues)
- जीन पाइरेसी (Biopiracy): किसी राष्ट्र या उसके लोगों से बिना उचित अनुमति और मुआवजे के जैव-संसाधनों का दोहन करना।
- उदाहरण: बासमती चावल का अमेरिकी कंपनी द्वारा पेटेंट कराना जबकि यह भारत की पारंपरिक किस्म है।
- बायोपेटेंट (Biopatent): किसी जीव, उसकी प्रजाति, या उससे जुड़े उत्पादों पर कानूनी अधिकार। भारत सरकार के संसद ने भारतीय पेटेंट अधिनियम के दूसरे संशोधन को पारित किया है जो ऐसे पेटेंट मुद्दों से निपटता है।
- जैविक सुरक्षा (Biosafety Issues): आनुवंशिक रूप से रूपांतरित जीवों (GMO) के अनियंत्रित प्रसार से पारिस्थितिकी तंत्र पर पड़ने वाले संभावित हानिकारक प्रभावों को नियंत्रित करना। भारत में GEAC (Genetic Engineering Appraisal Committee) का गठन किया गया है जो GMO के अनुसंधान की वैधता और सार्वजनिक सेवाओं के लिए इनकी सुरक्षा का निर्णय लेती है।
माइंड मैप चार्ट (Mind Map Chart)
📍 जैव प्रौद्योगिकी और उसके उपयोग
कृषि में जैव प्रौद्योगिकी
कीट प्रतिरोधी फसलें
बीटी कपास (Bt Cotton)
बैसिलस थुरिंजिएन्सिस जीवाणु
क्राई प्रोटीन (Cry Protein)
बॉलवर्म कीट का नियंत्रण
बीटी मक्का और धान
कीट प्रतिरोधी पौधे
आरएनए हस्तक्षेप (RNAi) तकनीक
सूत्रकृमि (Nematode) का संदमन
मेलोइगाइन इनकोग्निटा का नियंत्रण
अन्य कृषि अनुप्रयोग
pest resistant फसलें
पोषक तत्वों से भरपूर फसलें (जैसे - गोल्डन राइस)
अजैविक तनाव सहनशीलता (सूखा, लवणता)
चिकित्सा में जैव प्रौद्योगिकी
आनुवंशिक रूप से इंजीनियर इंसुलिन
प्रो-इंसुलिन और परिपक्व इंसुलिन
ए और बी पेप्टाइड श्रृंखलाएं
एस्चेरिचिया कोलाई (E. coli) में उत्पादन
जीन चिकित्सा (Gene Therapy)
एडीए (ADA) की कमी का उपचार
एस-सी-आई-डी (SCID) रोग
lymphocytes का उपयोग
आणविक निदान (Molecular Diagnosis)
पॉलीमरेज़ चेन रिएक्शन (PCR)
एंजाइम लिंक्ड इम्यूनासोर्बेंट एसे (ELISA)
डीएनए/आरएनए प्रोब
पारजीनी जंतु (Transgenic Animals)
परिभाषा और उद्देश्य
डीएनए का विस्थापन या परिवर्तन
मुख्य उपयोग
सामान्य फिजियोलॉजी और विकास का अध्ययन
रोगों का अध्ययन (कैंसर, सिस्टिक फाइब्रोसिस)
जैविक उत्पाद (अल्फा-1 एंटीट्रिप्सिन, रोजी गाय)
टीका सुरक्षा (पोलियो वैक्सीन परीक्षण)
रासायनिक सुरक्षा परीक्षण (विषাক্তता परीक्षण)
नैतिक मुद्दे (Ethical Issues)
आनुवंशिक संशोधन के प्रभाव
जीवों का दुरुपयोग
जैव विविधता को खतरा
जीनेटिक इंजीनियरिंग अनुमोदन समिति (GEAC)
भारत सरकार द्वारा नियमन
सुरक्षा का मूल्यांकन
बायोपेरसी (Biopiracy)
पारंपरिक ज्ञान का अवैध दोहन
पेटेंट के दुरुपयोग (जैसे - बासमती चावल, नीम, हल्दी)
भारतीय पेटेंट अधिनियम और संशोधन
महत्वपूर्ण बोर्ड प्रश्न (Important Board Questions)
उत्तर (Answer): ### बीटी कपास का परिचय\nजैव प्रौद्योगिकी ने कृषि में आनुवंशिक रूप से संशोधित (GM) फसलों को पेश करके क्रांति ला दी है जो विभिन्न जैविक तनावों के प्रति प्रतिरोधी हैं। इसका सबसे प्रमुख उदाहरण **बीटी कपास (Bt cotton)** है, जिसे बॉलवर्म जैसे लेपिडोप्टेरन कीटों से बचाने के लिए तैयार किया गया है।
### बीटी विष का स्रोत
- बीटी कपास में ***बैसिलस थ्यूरींजिएंसिस* (Bt)** नामक मृदा जीवाणु से प्राप्त जीन शामिल किए जाते हैं।
- अपनी वृद्धि के एक विशेष चरण के दौरान, यह जीवाणु क्रिस्टल प्रोटीन (Cry प्रोटीन) का उत्पादन करता है जिसमें कीटनाशक गुण होते हैं।
- दिलचस्प बात यह है कि जीवाणु स्वयं नहीं मरता क्योंकि ये प्रोटीन निष्क्रिय प्रोटॉक्सिन के रूप में मौजूद होते हैं।
### कार्यप्रणाली (Mechanism of Action)
1. **कीट द्वारा अंतर्ग्रहण:** जब कीट (जैसे कपास बॉलवर्म) बीटी विष क्रिस्टल युक्त ट्रांसजेनिक पौधे के ऊतकों को खाता है, तो वह निष्क्रिय प्रोटॉक्सिन का सेवन करता है।
2. **आंत में सक्रियण:** कीट की आंत में मौजूद क्षारीय पीएच (alkaline pH) क्रिस्टल को घोल देता है, जिससे निष्क्रिय प्रोटॉक्सिन अपने सक्रिय रूप में बदल जाता है।
3. **रिसेप्टर्स से जुड़ना:** सक्रिय विष प्रोटीन कीट के मिडगट की उपकला कोशिकाओं (epithelial cells) पर विशिष्ट रिसेप्टर्स से बंध जाते हैं।
4. **छिद्र निर्माण और मृत्यु:** यह बंधन कोशिका झिल्ली में छिद्र बनाता है, जिससे कोशिकाओं में सूजन, लिसिस और अंततः ऑस्मोटिक संतुलन बाधित होता है, जिससे कीट की मृत्यु हो जाती है।
### जीनों की विशिष्टता
- यह विष कीट-विशिष्ट होता है और विशिष्ट जीनों द्वारा एन्कोडेड होता है। उदाहरण के लिए, *cryIAb* और *cryIIAb* जीन कपास बॉलवर्म को नियंत्रित करते हैं, जबकि *cryICal* मक्का बोरर को लक्षित करता है।
- इन विशिष्ट आनुवंशिक अनुक्रमों का उपयोग करके, आधुनिक कृषि ने रासायनिक कीटनाशकों पर निर्भरता को काफी हद तक कम कर दिया है, जिससे अधिक टिकाऊ कृषि पद्धतियों को बढ़ावा मिलता है और पर्यावरणीय रासायनिक प्रदूषण कम होता है।
उत्तर (Answer): ### मानव इंसुलिन और पुनर्संयोजन उत्पादन का परिचय\nइंसुलिन अग्न्याशय द्वारा निर्मित एक महत्वपूर्ण पेप्टाइड हार्मोन है जो रक्त शर्करा के स्तर को नियंत्रित करता है। टाइप-I मधुमेह से पीड़ित रोगियों को नियमित इंसुलिन के इंजेक्शन की आवश्यकता होती है। ऐतिहासिक रूप से, इंसुलिन को मारे गए मवेशियों और सूरों के अग्न्याशय से निकाला जाता था। हालाँकि, संरचनात्मक अंतर के कारण पशु इंसुलिन ने कुछ रोगियों में एलर्जी प्रतिक्रियाओं और अन्य जटिलताओं का कारण बना। इसने पुनर्संयोजन मानव इंसुलिन के विकास को प्रेरित किया, जिसे व्यावसायिक रूप से **ह्यूमुलिन (Humulin)** के रूप में जाना जाता है।
### प्राकृतिक मानव इंसुलिन की संरचना
* प्राकृतिक मानव इंसुलिन में **51 अमीनो एसिड** होते हैं जो दो पॉलीपेप्टाइड श्रृंखलाओं में व्यवस्थित होते हैं:
* **श्रृंखला A:** इसमें 21 अमीनो एसिड होते हैं।
* **श्रृंखला B:** इसमें 30 अमीनो एसिड होते हैं।
* ये दोनों श्रृंखलाएँ **डिसफाइड बॉन्ड** द्वारा आपस में जुड़ी होती हैं।
* मनुष्यों में, इंसुलिन एक प्रो-हार्मोन के रूप में संश्लेषित होता है जिसमें **C-पेप्टाइड** नामक एक अतिरिक्त खिंचाव होता है। परिपक्वता के दौरान, C-पेप्टाइड को हटा दिया जाता है, जिससे केवल श्रृंखला A और B बचती हैं।
### पुनर्संयोजन उत्पादन में प्रारंभिक चुनौतियाँ\nवैज्ञानिकों के सामने प्राथमिक चुनौती सीधे जीवाणु मेजबान के अंदर मानव इंसुलिन के सक्रिय रूप को संश्लेषित करना था क्योंकि प्रोकैरियोट्स प्रो-हार्मोन को संसाधित नहीं कर सकते हैं या C-पेप्टाइड को नहीं हटा सकते हैं। इसलिए, श्रृंखला A और B को अलग-अलग इकट्ठा करना आवश्यक था।
### एली लिली एंड कंपनी की सफलता (1983)
* 1983 में, एक अमेरिकी दवा कंपनी, **एली लिली (Eli Lilly)** ने मानव इंसुलिन की A और B श्रृंखलाओं के अनुरूप दो डीएनए अनुक्रमों को सफलतापूर्वक तैयार किया।
* **जीन प्रविष्टि:** उन्होंने इन अलग किए गए मानव इंसुलिन जीनों को *एस्चेरिचिया कोलाई* बैक्टीरिया के प्लास्मिड में पेश किया।
* **संवर्धन:** पुनर्संयोजन *E. coli* उपभेदों को बड़े किण्वन टैंकों में संवर्धित किया गया, जहाँ उन्होंने स्वतंत्र रूप से मानव इंसुलिन श्रृंखला A और श्रृंखला B का संश्लेषण किया।
* **निष्कर्षण और जुड़ना:** श्रृंखला A और B को जीवाणु संवर्धन से अलग-अलग निकाला गया। अंत में, दोनों श्रृंखलाओं को जोड़ा गया और इन विट्रो में कृत्रिम **डिसफाइड बॉन्ड** स्थापित करके एक साथ जोड़ा गया, जिससे पूरी तरह से कार्यात्मक मानव पुनर्संयोजन इंसुलिन (ह्यूमुलिन) सफलतापूर्वक प्राप्त हुआ।
### पशु-निष्कर्षण इंसुलिन की तुलना में ह्यूमुलिन के लाभ
* **कोई प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया नहीं:** चूंकि ह्यूमुलिन प्राकृतिक मानव इंसुलिन के समान है, इसलिए यह पशु-व्युत्पन्न इंसुलिन के विपरीत प्रतिरक्षा प्रतिक्रिया या एलर्जी प्रतिक्रियाओं को नहीं भड़काता है।
* **प्रचुर मात्रा में आपूर्ति:** पुनर्संयोजन उत्पादन किण्वन के माध्यम से असीमित बड़े पैमाने पर उत्पादन की अनुमति देता है, जिससे पशु अग्न्याशय स्रोतों की कमी दूर होती है।
* **शुद्धता और सुरक्षा:** माइक्रोबियल किण्वन पशु रोगजनकों, वायरस या दूषित पदार्थों को संचारित करने के जोखिम को समाप्त करता है।
उत्तर (Answer): ### RNA हस्तक्षेप (RNAi) का परिचय\nRNA हस्तक्षेप (RNAi) एक जैविक प्रक्रिया है जिसमें RNA अणु जीन अभिव्यक्ति या अनुवाद को रोकते हैं, आमतौर पर लक्षित mRNA अणुओं को बेअसर करके। यह तंत्र सेलुलर रक्षा और जीन विनियमन की एक विधि के रूप में सभी यूकेरियोटिक जीवों में मौजूद होता है, जिसे अक्सर पोस्ट-ट्रांसक्रिप्शनल जीन साइलेंसिंग (PTGS) कहा जाता है।
### RNAi का सिद्धांत और तंत्र
* **ट्रिगरिंग अणु:** इस प्रक्रिया की शुरुआत डबल-स्ट्रैंडेड RNA (dsRNA) के प्रवेश से होती है जो लक्ष्य जीन के अनुक्रम के पूरक (complementary) होता है।
* **डिसर की क्रिया:** **डिसर (Dicer)** नामक एक अंतर्जात राइबोन्यूक्लिअसिस एंजाइम लंबे dsRNA अणुओं को छोटे, डबल-स्ट्रैंडेड टुकड़ों में काटता है जिन्हें शॉर्ट इंटरफेयरिंग RNA (siRNAs) या माइक्रोRNA (miRNAs) कहा जाता है।
* **RISC कॉम्प्लेक्स असेंबली:** ये छोटे टुकड़े एक बहु-प्रोटीन RNA-प्रेरित साइलेंसिंग कॉम्प्लेक्स (RISC) में शामिल हो जाते हैं।
* **लक्षित क्षरण:** RISC कॉम्प्लेक्स के भीतर, dsRNA सिंगल स्ट्रैंड में अलग हो जाता है। गाइड स्ट्रैंड कॉम्प्लेक्स को लक्षित मैसेंजर RNA (mRNA) पर पूरक अनुक्रम से बंधने के लिए निर्देशित करता है।
* **साइलेंसिंग:** एक बार बंध जाने पर, RISC कॉम्प्लेक्स या तो mRNA को काट देता है या प्रोटीन में इसके अनुवाद को रोकता है, जिससे विशिष्ट जीन प्रभावी रूप से चुप हो जाता है।
### अनुप्रयोग: कीट-प्रतिरोधी तंबाकू के पौधों का विकास
* **नेमाटोड संक्रमण:** एक परजीवी नेमाटोड, *मेलोइगोजिन इनकोग्निटा*, तंबाकू के पौधों की जड़ों को संक्रमित करता है, जिससे कृषि उपज में भारी गिरावट आती है।
* **विशिष्ट जीनों का प्रवेश:** पुनर्संयोजन डीएनए तकनीक का उपयोग करके, *एग्रोबैक्टीरियम ट्यूमेफेशियन्स* जैसे उपयुक्त वेक्टर का उपयोग करके परपोषी तंबाकू के पौधे में विशिष्ट नेमाटोड-विशिष्ट जीन (परजीवी से ही व्युत्पन्न) पेश किए गए थे।
* **सेंस और एंटीसेंस RNA का निर्माण:** डीएनए के प्रवेश की योजना इस प्रकार बनाई गई थी कि यह परपोषी पौधे की कोशिकाओं में एक साथ सेंस और एंटी-सेंस RNA दोनों का उत्पादन करे।
* **dsRNA का निर्माण:** चूँकि सेंस और एंटीसेंस RNA एक-दूसरे के पूरक थे, वे डबल-स्ट्रैंडेड RNA (dsRNA) बनाने के लिए संकरित हुए, जिसने RNAi मार्ग को ट्रिगर किया।
* **पौधे की सुरक्षा:** जब परजीवी नेमाटोड ने इस इंजीनियर मशीनरी वाले पौधे की जड़ के ऊतकों को खाया, तो प्रणालीगत dsRNA नेमाटोड की कोशिकाओं में प्रवेश कर गया। इसने परजीवी के आंतरिक RNAi तंत्र को ट्रिगर किया, जिससे इसके जीवित रहने और विकास के लिए आवश्यक आवश्यक जीन चुप हो गए। परिणामस्वरूप, नेमाटोड ट्रांसजेनिक पौधे में जीवित नहीं रह सका, जिससे तंबाकू की फसल सुरक्षित हो गई।
उत्तर (Answer): ### आनुवंशिक रूप से संशोधित (GM) फसलें और बीट कॉटन का परिचय\nआनुवंशिक रूप से संशोधित फसलें ऐसे पौधे हैं जिनका डीएनए जेनेटिक इंजीनियरिंग तकनीकों का उपयोग करके बदला गया है। इन संशोधनों का उद्देश्य आम तौर पर उत्पादकता बढ़ाना, पोषण संबंधी गुणवत्ता में सुधार करना और विभिन्न जैविक तथा अजैविक तनावों के खिलाफ प्रतिरोध प्रदान करना है। कृषि में पादप जैव प्रौद्योगिकी के सबसे सफल अनुप्रयोगों में से एक कीट-प्रतिरोधी फसलों का विकास है, जिसका प्रमुख उदाहरण **बीट कॉटन (Bt cotton)** है।
### *बैसिलस थुरिंजिएन्सिस* की भूमिका
* *बैसिलस थुरिंजिएन्सिस* (संक्षिप्त रूप में Bt) मिट्टी में पाया जाने वाला एक जीवाणु है जो अपने विकास चक्र के दौरान स्वाभाविक रूप से विशिष्ट प्रोटीन का उत्पादन करता है।
* इन प्रोटीनों में कीटनाशक गुण होते हैं जो कीटों के कुछ विशिष्ट समूहों, जिनमें लेपिडोपटेरान (तंबाकू बडवर्म, आर्मीवर्म), कोलियोपटेरान (बीटल्स), और डिपटेरान (मक्खियाँ, मच्छर) शामिल हैं, को मार सकते हैं।
### Bt टॉक्सिन की कार्यप्रणाली
* **प्रोटॉक्सिन का निर्माण:** जीवाणु प्रोटीन क्रिस्टल का उत्पादन करता है जिसमें कीटनाशक क्रिस्टल प्रोटीन होते हैं जिन्हें **क्राई प्रोटीन (Cry proteins)** कहा जाता है। ये प्रोटीन जीवाणु के भीतर **प्रोटॉक्सिन** नामक एक निष्क्रिय रूप में मौजूद होते हैं।
* **कीट द्वारा सेवन:** जब कोई कीट इन Bt क्रिस्टल वाले पादप ऊतकों को खाता है, तो निष्क्रिय प्रोटॉक्सिन कीट की आहार नली में प्रवेश करता है।
* **क्षारीय पीएच द्वारा सक्रियण:** इन कीटों की आंत में अत्यधिक क्षारीय पीएच होता है, जो प्रोटीन क्रिस्टल को घुलनशील बनाता है। यह क्षारीय वातावरण निष्क्रिय प्रोटॉक्सिन को उसके सक्रिय रूप में बदलने को प्रेरित करता है।
* **लाइसिस और मृत्यु:** सक्रिय टॉक्सिन मध्य आंत की विशिष्ट उपकला कोशिकाओं से बंध जाता है और सूक्ष्म छिद्र बनाता है। ये छिद्र कोशिकाओं में सूजन और फटने (लाइसिस) का कारण बनते हैं, जिससे पाचन तंत्र बाधित होता है, जिसके परिणामस्वरूप कीट भूखा रहता है और अंततः उसकी मृत्यु हो जाती है।
### विशिष्टता और आनुवंशिक एकीकरण
* टॉक्सिन जीन (जैसे *cryIAb*, *cryIIAb*, या *cryAc*) विशिष्ट कीट समूहों के लिए विशेष होते हैं। उदाहरण के लिए, जीन *cryIAb* कॉर्न बोरर के संक्रमण को नियंत्रित करता है, जबकि *cryAC* और *cryIIAb* कॉटन बॉलवर्म को नियंत्रित करते हैं।
* वैज्ञानिकों ने *बैसिलस थुरिंजिएन्सिस* से इन विशिष्ट जीनों को सफलतापूर्वक अलग किया और पुनर्संयोजन डीएनए तकनीक का उपयोग करके उन्हें कपास के पौधों के परमाणु जीनोम में शामिल किया। परिणामस्वरूप, ट्रांसजेनिक कपास का पौधा अपने स्वयं के ऊतकों के भीतर कीटनाशक प्रोटीन व्यक्त करता है।
### टिकाऊ कृषि में महत्व
* **कीटनाशकों के उपयोग में कमी:** चूंकि पौधे लक्षित कीटों के खिलाफ आंतरिक रूप से सुरक्षित होते हैं, इसलिए किसानों को भारी रासायनिक कीटनाशकों का छिड़काव करने की आवश्यकता नहीं होती है।
* **पर्यावरण सुरक्षा:** रासायनिक कीटनाशकों का कम उपयोग गैर-लक्षित लाभकारी कीटों, मिट्टी के सूक्ष्मजीवों और जलीय पारिस्थितिक तंत्र को जहरीले संदूषण से बचाता है।
* **बढ़ी हुई पैदावार:** फसल को होने वाली क्षति काफी हद तक कम हो जाती है, जिससे दुनिया भर के किसानों के लिए उच्च उत्पादकता और बेहतर आर्थिक रिटर्न सुनिश्चित होता है।
उत्तर (Answer): ### Definition of Transgenic Animals\nAnimals that have had their DNA manipulated to possess and express an extra (foreign) gene are known as transgenic animals. Transgenic rats, rabbits, pigs, sheep, cows, and fish have been produced, although the vast majority of transgenic animals are mice.
### Four Major Reasons for Studying Transgenic Animals
1. **Normal Physiology and Development:** Transgenic animals can be used to study how genes are regulated and how they affect the normal functioning of the body and its development. For example, studying the complex factors involved in growth such as insulin-like growth factor.
2. **Study of Disease:** Many transgenic animals are designed to increase our understanding of how genes contribute to the development of disease. These serve as models for human diseases such as cancer, cystic fibrosis, rheumatoid arthritis, and Alzheimer's.
3. **Biological Products:** Transgenic animals can be made to produce useful biological products by introducing a portion of DNA (or genes) which codes for a particular product such as human protein alpha-1-antitrypsin used to treat emphysema.
4. **Chemical Safety Testing:** This is known as toxicity/safety testing. Transgenic animals are made that carry genes which make them more sensitive to toxic substances than non-transgenic animals. Toxicity testing in such animals allows us to obtain results in less time.
### Production of Human Insulin (Humulin)\nInsulin used for diabetes was previously extracted from the pancreas of slaughtered cattle and pigs. However, this caused allergic reactions in some patients. Recombinant DNA technology solved this problem:
- Insulin consists of two short polypeptide chains: Chain A and Chain B, linked together by disulphide bridges.
- In mammals, insulin is synthesized as a pro-hormone containing an extra stretch called the C-peptide, which is removed during maturation.
- In 1983, an American company Eli Lilly prepared two DNA sequences corresponding to A and B chains of human insulin and introduced them into plasmids of *E. coli* to produce insulin chains separately.
- Chain A and Chain B were produced separately, extracted, and combined by creating disulfide bonds to form functional human insulin (Humulin).
उत्तर (Answer): ### Introduction to RNA Interference (RNAi)\nRNA interference (RNAi) is a biological process in which RNA molecules inhibit gene expression or translation, by neutralizing targeted mRNA molecules. It is a method of cellular defense common in all eukaryotic organisms.
### Mechanism of RNAi
1. **Initiation:** The process is initiated by double-stranded RNA (dsRNA) molecules that can originate from virus infection or mobile genetic elements (transposons).
2. **Cleavage by Dicer:** The complementary dsRNA binds to and is cleaved by an enzyme called Dicer into small interfering RNAs (siRNAs) of about 21-23 nucleotides.
3. **RISC Assembly:** These siRNAs are incorporated into the RNA-induced silencing complex (RISC). Inside the complex, the double-stranded siRNA unwinds, and one strand is degraded, while the remaining guide strand helps RISC recognize the target mRNA.
4. **Target Degradation:** The guide strand base-pairs with the complementary sequence on the target mRNA, leading to its cleavage or inhibition of translation, thus silencing the specific gene.
### Application in Nematode-Resistant Tobacco Plants\nA nematode named *Meloidegyne incognita* infects the roots of tobacco plants, causing a great reduction in yield. To prevent this infection, a novel strategy based on RNAi was adopted:
- Specific nematode genes (essential for their survival and parasitism) were introduced into the host tobacco plant using *Agrobacterium* vectors.
- The introduction of DNA was such that it produced both sense and anti-sense RNA in the host cells.
- Since these two RNAs are complementary to each other, they formed double-stranded RNA (dsRNA) which initiated the RNAi pathway.
- When the invading nematode feeds on the transgenic tobacco plant, the dsRNA from the plant enters the nematode's cells.
- This triggers the RNAi response in the nematode, silencing its vital genes. As a result, the parasite cannot survive in the transgenic host, protecting the plant from damage.
उत्तर (Answer): ### Introduction to Bt Cotton\nBt cotton is a genetically modified pest-resistant plant variety created to protect crops from the attacks of lepidopteran insects, particularly the cotton bollworm (Helicoverpa armigera). The name 'Bt' comes from a bacterium called *Bacillus thuringiensis*.
### Origin of the Bt Toxin Gene
*Bacillus thuringiensis* produces certain proteins during a particular phase of its growth that kill certain insects such as lepidopterans (tobacco budworm, armyworm), coleopterans (beetles), and dipterans (flies, mosquitoes). The bacterium produces crystals containing a toxic insecticidal protein. Interestingly, this toxin does not kill the bacterium itself because it exists as an inactive protoxin.
### Mechanism of Action in the Insect
1. **Ingestion:** When an insect ingests the inactive protoxin along with the plant material, it enters the insect's gut.
2. **Activation:** The alkaline pH of the insect's gut solubilizes the crystals and converts the inactive protoxin into its active form.
3. **Binding:** The activated toxin binds to the surface of midgut epithelial cells and creates pores.
4. **Cell Lysis and Death:** The creation of pores causes cell swelling and lysis, eventually leading to the death of the insect due to starvation and septicemia.
### Genetic Engineering Aspect\nScientists have isolated the specific toxin genes (e.g., *cryIAb*, *cryIIAb*) from the bacterium and incorporated them into several crop plants like cotton. Since the resistance genes are specific, the choice of gene depends upon the crop and the targeted pest. For example, the protein encoded by the gene *cryIAb* controls corn borer, while *cryIAc* and *cryIIAb* control cotton bollworms.
उत्तर (Answer): ### Introduction to RNA Interference (RNAi)\nRNA interference (RNAi) is a cellular defense mechanism found in all eukaryotic organisms. This process involves the silencing of a specific mRNA due to a complementary double-stranded RNA (dsRNA) molecule that binds to and prevents the translation of the mRNA (silencing). This mechanism acts as a form of genomic defense, protecting cells from viral infections and mobile genetic elements (transposons).
### Mechanism of RNAi
1. **Introduction of dsRNA:** The process starts with the presence of a double-stranded RNA molecule in the cell, either introduced artificially or produced by viral vectors/transposons.
2. **Dicer Cleavage:** An enzyme known as *Dicer* (an RNase III-like enzyme) cleaves the long dsRNA molecules into short, double-stranded fragments called small interfering RNAs (siRNAs) of about 21-25 nucleotides.
3. **RISC Complex Assembly:** These siRNAs are incorporated into an RNA-induced silencing complex (RISC), where the duplex unwinds into single-stranded guide RNA.
4. **Target Recognition and Silencing:** The single-stranded guide RNA pairs with the complementary sequence on the target messenger RNA (mRNA) of the parasite or virus. Once bound, the RISC complex cleaves the target mRNA or inhibits its translation, effectively preventing the production of the harmful protein.
### Application: Pest Resistance in Tobacco Plants\nA specific nematode, *Meloidogyne incognita*, infects the roots of tobacco plants and causes a great reduction in yield.
- **Agrobacterium Vectors:** Using *Agrobacterium* vectors, nematode-specific genes were introduced into the host tobacco plant.
- **Sense and Antisense RNA Production:** The introduction of DNA was such that it produced both sense and anti-sense RNA in the plant cells.
- **Formation of dsRNA:** Since these two RNA strands are complementary to each other, they formed a double-stranded RNA (dsRNA) that initiated RNAi.
- **Protection Mechanism:** When the nematode ingests plant tissues containing this dsRNA, its cellular machinery triggers RNAi against a vital gene of the nematode. The complementary dsRNA silences specific mRNA of the nematode, resulting in the death of the parasite within the transgenic plant, thus protecting the crop completely.
उत्तर (Answer): ### Introduction to Transgenic Animals\nAnimals whose DNA has been manipulated to possess and express an extra (foreign) gene are known as transgenic animals. Transgenic rats, rabbits, pigs, sheep, cows, and fish have been produced, though the vast majority of existing transgenic animals are mice. Scientists introduce foreign genes into these animals to study gene regulation, disease development, biological products, and chemical safety.
### Reasons for Producing Transgenic Animals
1. **Study of Normal Physiology and Development:**
- Transgenic animals serve as models to understand how genes are regulated and how they affect the normal functioning of the body and its development.
- *Example:* Studying complex factors involved in growth such as insulin-like growth factor (IGF). By introducing genes from other species, researchers observe biological changes.
2. **Study of Diseases:**
- Transgenic models are designed to increase our understanding of how genes contribute to the development of diseases. These serve as models for human diseases so that investigation of new treatments is made possible.
- *Example:* Transgenic models exist for human diseases such as cancer, cystic fibrosis, rheumatoid arthritis, and Alzheimer's disease.
3. **Biological Products:**
- Medicines required to treat certain human diseases can contain biological products, but producing them is often expensive. Transgenic animals can be made to produce useful biological products by introducing the portion of DNA (or genes) which codes for a particular product.
- *Example:* **Rosie**, the first transgenic cow (produced in 1997), produced human protein-enriched milk (2.4 grams per litre). The milk contained the human alpha-lactalbumin and was nutritionally a more balanced product for human babies than natural cow milk.
4. **Vaccine Safety:**
- Transgenic animals are being used to test the safety of vaccines before they are authorized for use on humans.
- *Example:* Transgenic mice are currently used to test the safety of the polio vaccine. If successful and safe, this replaces the use of monkeys in laboratories.
5. **Chemical Safety Testing (Toxicity Testing):**
- This is known as toxicity/safety testing. Procedures are similar to those used for testing toxicity of drugs. Transgenic animals are made that carry genes which make them more sensitive to toxic substances than non-transgenic animals.
- *Example:* Exposure to toxic substances in transgenic animals yields results in much less time, aiding efficient regulation.
### Ethical Issues\nManipulation of living organisms by human beings without adequate regulation can run into ethical concerns. Genetic modification of animals can cause unforeseen suffering, disrupt ecological balances, and raise moral questions about exploiting animal life for commercial or experimental gains.
उत्तर (Answer): ### Introduction to Insulin and Diabetes\nInsulin is a vital peptide hormone produced by the pancreas that regulates blood glucose levels. Patients suffering from Type-I diabetes mellitus require regular injections of insulin. Historically, insulin used for treating diabetic patients was extracted from the pancreas of slaughtered cattle and pigs. However, this animal-derived insulin caused allergic reactions, immune responses, and other complications in some patients due to minor structural differences from human insulin. Moreover, the availability of animal pancreas was limited compared to the growing demand.
### Challenges in Recombinant Insulin Production\nInsulin consists of two short polypeptide chains—Chain A and Chain B—linked together by disulfide bonds. In humans, insulin is synthesized as a pro-hormone, which contains an extra stretch called the C-peptide. This C-peptide is removed during maturation to form mature functional insulin. The major challenge for scientists was that eukaryotic genes containing introns could not be directly expressed in prokaryotes like *E. coli*, and the synthesis of the two chains separately and joining them chemically posed massive procedural hurdles.
### Eli Lilly and Company's Approach (1983)\nIn 1983, an American pharmaceutical company named Eli Lilly prepared two DNA sequences corresponding to A and B chains of human insulin.
- **Plasmid Insertion:** They introduced these DNA sequences into plasmids of *Escherichia coli* (E. coli) to produce insulin chains separately.
- **Chain Synthesis:** Chain A and Chain B were produced separately as fusion proteins linked to a bacterial protein.
- **Extraction and Linking:** The chains were extracted from *E. coli* cultures, separated from the bacterial protein, and combined by establishing hydrogen and disulfide bonds.
- **Commercialization:** This resulted in the successful creation of synthetic human insulin, commercially known as **Humulin**, which became the first recombinant DNA-derived pharmaceutical approved for human use.
### Significance\nHumulin is identical to natural human insulin, minimizing adverse immune reactions and allergic responses. It ensures a virtually unlimited supply of pure insulin for the worldwide diabetic population, revolutionizing modern endocrinology and biotechnology.
उत्तर (Answer): The manipulation of living organisms by human beings using biotechnology cannot go unregulated, as it raises several serious ethical, legal, and social issues (ELSI). Major concerns include the morality of modifying natural organisms, potential risks to ecosystems from genetically modified organisms, and the commercialization of living things. One of the major controversies is 'biopiracy', which refers to the unauthorized use and exploitation of bio-resources and traditional knowledge by multinational companies and organizations from industrialized countries without proper authorization or compensatory payment to the indigenous people and countries of origin. For example, several attempts have been made to patent American strains of Basmati rice or medicinal properties of turmeric and neem, despite their ancient and traditional use in developing nations like India. Developing nations argue that western countries exploit traditional biodiversity without acknowledging local heritage. To prevent this, appropriate laws, strict patent regulations, and international agreements like the Indian Parliament's amendments to the Indian Patents Bill are enacted to safeguard indigenous biological wealth and intellectual property rights (IPR).
उत्तर (Answer): Early diagnosis of diseases is crucial for successful treatment and management, which is often impossible using conventional diagnostic methods like serum and urine analysis because pathogen concentration is too low at early stages. Molecular diagnosis techniques such as Polymerase Chain Reaction (PCR) and Enzyme-Linked Immunosorbent Assay (ELISA) have revolutionized disease detection. PCR detects pathogens by amplifying their nucleic acids (DNA or RNA) multiple times, making it possible to detect very low concentrations of bacteria or viruses even when symptoms are not yet visible. It is widely used to detect HIV in suspected AIDS patients and mutations in genes in suspected cancer patients. On the other hand, ELISA is based on the principle of antigen-antibody interactions. Pathogen-detected infections can be identified by the presence of antigens (proteins, glycoproteins, etc.) or by detecting the antibodies synthesized against the pathogen in the patient's serum. Both techniques provide high sensitivity and specificity, allowing doctors to intervene at the earliest stages of infection.
उत्तर (Answer): Gene therapy is a collection of experimental techniques that allows scientists to correct a defective gene that has been diagnosed in a child or embryo. By inserting a normal, functional gene into the individual's genome to compensate for the non-functional mutant gene, the correct protein can be synthesized. A classic example is the treatment of Adenosine Deaminase (ADA) deficiency, a severe combined immunodeficiency (SCID) caused by the deletion of the gene for the enzyme adenosine deaminase, which is crucial for the proper functioning of the immune system. In treating this disorder via gene therapy, lymphocytes from the patient's blood are extracted and grown in a culture outside the body. A functional human ADA cDNA is then introduced into these lymphocytes using a retroviral vector. These genetically engineered cells are subsequently reintroduced into the patient's body. Since these cells are not immortal, the patient requires periodic infusion of such genetically modified lymphocytes. However, if the gene isolate from bone marrow cells producing ADA is introduced into cells at early embryonic stages, it could provide a permanent, lifelong cure for the patient.
उत्तर (Answer): Insulin used for treating diabetes was previously extracted from the pancreas of slaughtered cattle and pigs. The major problem associated with this animal-source insulin was that it frequently caused allergic reactions, immune responses, and other complications in several patients because the animal insulin was structurally slightly different from human insulin. Recombinant DNA technology successfully resolved this issue by enabling the production of human-identical insulin through bacteria like Escherichia coli. Human insulin consists of two short polypeptide chains—chain A and chain B—linked together by disulfide bonds. In 1983, an American company named Eli Lilly prepared two DNA sequences corresponding to human insulin chains A and B and introduced them into plasmids of E. coli to produce insulin chain chains separately. Chains A and B were produced independently, extracted, and subsequently combined by creating disulfide bonds to form functional human recombinant insulin (Humulin). This synthetic human insulin is completely identical to natural human insulin, thus preventing any adverse immunological reactions in diabetic patients and ensuring a safe, reliable, and abundant supply of the hormone worldwide.
उत्तर (Answer): RNA interference (RNAi) is a cellular defense mechanism found in all eukaryotic organisms that prevents the translation of specific mRNAs by utilizing double-stranded RNA (dsRNA) molecules. This process involves silencing of a specific mRNA due to a complementary dsRNA molecule that binds to and prevents the translation of the mRNA, a process known as mRNA silencing. In transgenic tobacco plants, scientists utilized this mechanism to protect crops from infestation by a nematode called Meloidegyne incognita, which infects the roots and drastically reduces yield. Using Agrobacterium vectors, nematode-specific genes were introduced into the host tobacco plant in such a way that both sense and anti-sense RNA were produced simultaneously in the plant cells. These two complementary RNA strands formed a double-stranded RNA (dsRNA) molecule, which triggered the RNAi pathway. When the parasitic nematode ingested plant sap from these transgenic roots, the complementary dsRNA entered the nematode's cells and initiated RNA interference. This silenced a specific essential gene of the nematode required for its survival. As a result, the transgenic plant successfully protected itself because the parasite could not survive in the transgenic host, thereby establishing an effective biological control mechanism.