जैव प्रौद्योगिकी: सिद्धांत व प्रक्रम | Biotechnology: Principles and Processes

Hemant Verma

18 May, 2026

रेस्ट्रिक्शन एंजाइम क्लोनिंग संवाहक PCR तकनीक बायोरिएक्टर

जैव प्रौद्योगिकी: सिद्धांत व प्रक्रम
(Biotechnology: Principles and Processes)

जीवों और उनके एंजाइमों का उपयोग करके मानव उपयोगी उत्पादों को विकसित करने की उन्नत तकनीक का वैज्ञानिक अध्ययन।

जीवन के साथ इंजीनियरिंग

हम अब प्रकृति पर निर्भर नहीं हैं; हम अपनी आवश्यकतानुसार DNA में सुधार और संशोधन कर सकते हैं।

प्रस्तावना और जैव प्रौद्योगिकी के सिद्धांत

जैव प्रौद्योगिकी (Biotechnology) उन तकनीकों से संबंधित है जिनमें मानव के लिए उपयोगी उत्पाद और प्रक्रियाएं उत्पन्न करने के लिए जीवित जीवों या उनसे प्राप्त एंजाइमों का उपयोग किया जाता है। पुराने समय में दही, ब्रेड या वाइन बनाना भी जैव प्रौद्योगिकी का रूप था। लेकिन आज, यूरोपियन फेडरेशन ऑफ बायोटेक्नोलॉजी (EFB) के अनुसार: "नए उत्पादों और सेवाओं के लिए प्राकृतिक विज्ञान और जीवों, कोशिकाओं, उनके अंगों और आणविक अनुरूपों (Molecular analogues) का एकीकरण ही जैव प्रौद्योगिकी है।"

आधुनिक जैव प्रौद्योगिकी के मुख्य सिद्धांत:

आनुवंशिक इंजीनियरिंग (Genetic Engineering): यह वह तकनीक है जिसके द्वारा आनुवंशिक सामग्री (DNA और RNA) के रसायन को बदला जाता है, और फिर उसे एक मेजबान (Host) जीव में प्रवेश कराकर मेजबान का फेनोटाइप (Phenotype) बदल दिया जाता है।
जैव-प्रक्रम इंजीनियरिंग (Bioprocess Engineering): केवल वांछित (विशिष्ट) सूक्ष्मजीवों/यूकैरियोटिक कोशिकाओं को बड़ी मात्रा में (औद्योगिक स्तर पर) रोगाणु-मुक्त (Sterile) वातावरण में उगाना, ताकि एंटीबायोटिक्स, टीके, एंजाइम आदि प्राप्त किए जा सकें।

पुनर्योगज DNA (Recombinant DNA) का निर्माण

लैंगिक जनन (Sexual reproduction) विविधता प्रदान करता है, लेकिन पारंपरिक संकरण (Hybridisation) में अवांछनीय (Undesirable) जीन भी वांछनीय जीनों के साथ आ जाते हैं। आनुवंशिक इंजीनियरिंग हमें केवल वांछित जीनों को अलग करने और लक्ष्य जीव में पेश करने की अनुमति देती है।
पहला पुनर्योगज DNA (rDNA) स्टेनली कोहेन और हर्बर्ट बॉयर (1972) द्वारा बनाया गया था। उन्होंने Salmonella typhimurium के एक प्लाज्मिड से एंटीबायोटिक प्रतिरोध जीन (Antibiotic resistance gene) को काटा और उसे E. coli के प्लाज्मिड (संवाहक/Vector) से जोड़ दिया।

पुनर्योगज DNA तकनीक के साधन: प्रतिबंधन एंजाइम

आनुवंशिक इंजीनियरिंग के लिए मुख्य साधनों (Tools) में प्रतिबंधन एंजाइम (Restriction Enzymes), पॉलीमरेज़ एंजाइम, लाइगेज, संवाहक (Vectors) और आतिथेय (Host) जीव शामिल हैं।

प्रतिबंधन एंडोन्यूक्लिएज (Molecular Scissors / आणविक कैंचियां)

1963 में, E. coli में बैक्टीरियोफेज की वृद्धि को रोकने वाले दो एंजाइम अलग किए गए। एक ने DNA में मिथाइल समूह जोड़ा, जबकि दूसरे ने DNA को काट दिया। काटने वाले एंजाइम को प्रतिबंधन एंडोन्यूक्लिएज (Restriction Endonuclease) कहा गया। पहला खोजा गया प्रतिबंधन एंडोन्यूक्लिएज Hind II था।

पैलिंड्रोमिक न्यूक्लियोटाइड अनुक्रम (Palindromic Sequence)

प्रतिबंधन एंडोन्यूक्लिएज DNA की पूरी लंबाई का निरीक्षण करता है। जब यह अपना विशिष्ट पहचान अनुक्रम (Recognition sequence) पाता है, तो यह DNA से जुड़ जाता है और डबल हेलिक्स के दोनों स्ट्रैंड्स को शर्करा-फॉस्फेट बैकबोन में विशिष्ट बिंदुओं पर काटता है।

यह अनुक्रम पैलिंड्रोम (Palindrome) होता है। (पैलिंड्रोम वे शब्द हैं जो आगे और पीछे से एक जैसे पढ़े जाते हैं, जैसे MALAYALAM)। DNA में, यदि हम दोनों स्ट्रैंड्स पर पढ़ने की दिशा (5' → 3') समान रखें, तो अनुक्रम समान रहता है।

                    5' — G A A T T C — 3'

                    3' — C T T A A G — 5'

(यह EcoRI का पहचान अनुक्रम है, जो Escherichia coli RY 13 से प्राप्त होता है)।

प्रतिबंधन एंजाइम DNA के दोनों स्ट्रैंड्स को केंद्र से थोड़ा दूर, लेकिन विपरीत स्ट्रैंड्स पर समान दो क्षारों के बीच काटते हैं। इससे सिरों पर एकल-स्ट्रैंडेड (Single-stranded) लटकते हुए भाग बच जाते हैं। इन्हें चिपचिपे सिरे (Sticky ends) कहा जाता है। ये सिरे एंजाइम DNA लाइगेज (DNA Ligase) द्वारा आसानी से जोड़े जा सकते हैं। (विदेशी DNA और संवाहक DNA को एक ही प्रतिबंधन एंजाइम से काटा जाना चाहिए ताकि दोनों के चिपचिपे सिरे एक-दूसरे के पूरक (Complementary) हों)।

जेल इलेक्ट्रोफोरेसिस (Gel Electrophoresis): DNA को काटने के बाद, DNA के टुकड़ों को उनके आकार (Size) के आधार पर अलग करने के लिए इस तकनीक का उपयोग किया जाता है। DNA ऋणात्मक (-) रूप से आवेशित होता है, इसलिए यह एगारोज जेल (Agarose gel - समुद्री शैवाल से प्राप्त) में एनोड (+) की ओर बढ़ता है। छोटे टुकड़े अधिक तेजी से और दूर तक जाते हैं। इन्हें देखने के लिए इथीडियम ब्रोमाइड (Ethidium bromide) से रंगा जाता है और UV प्रकाश में देखा जाता है (चमकीले नारंगी बैंड दिखते हैं)।

क्लोनिंग संवाहक (Cloning Vectors)

प्लाज्मिड (Plasmids) और बैक्टीरियोफेज (Bacteriophages) में जीवाणु कोशिकाओं के भीतर क्रोमोसोमल DNA से स्वतंत्र रूप से प्रतिकृति (Replicate) करने की क्षमता होती है। यदि हम विदेशी DNA के एक टुकड़े को बैक्टीरियोफेज या प्लाज्मिड DNA के साथ जोड़ते हैं, तो हम इसके नंबर को बढ़ा (Multiply) सकते हैं। इन्हें संवाहक (Vectors) कहा जाता है।

एक अच्छे क्लोनिंग संवाहक की विशेषताएं:

1. प्रतिकृतियन का मूल (Origin of Replication - ori)

यह वह अनुक्रम है जहाँ से प्रतिकृति शुरू होती है। जब DNA का कोई टुकड़ा इस अनुक्रम से जुड़ता है, तो उसे मेजबान (Host) कोशिकाओं के भीतर दोहराया जा सकता है। यह अनुक्रम जुड़े हुए DNA की प्रतिलिपि संख्या (Copy number) को भी नियंत्रित करता है।

2. वरणयोग्य चिह्नक (Selectable Marker)

'ori' के साथ, संवाहक को एक वरणयोग्य चिह्नक की आवश्यकता होती है, जो अरूपांतरित (Non-transformants) कोशिकाओं को पहचानने और खत्म करने में मदद करता है, और रूपांतरित (Transformants) कोशिकाओं की वृद्धि को अनुमति देता है। (रूपांतरण / Transformation वह प्रक्रिया है जिसके द्वारा विदेशी DNA को मेजबान में डाला जाता है)।
E. coli के लिए, एंटीबायोटिक्स (जैसे एम्पीसिलीन, क्लोरैमफेनिकॉल, टेट्रासाइक्लिन या कैनामाइसिन) के प्रतिरोध (Resistance) को कूटबद्ध करने वाले जीन उपयोगी वरणयोग्य चिह्नक माने जाते हैं।

3. क्लोनिंग स्थल (Cloning Sites)

विदेशी DNA को जोड़ने के लिए, संवाहक में आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले प्रतिबंधन एंजाइमों के लिए एक या बहुत कम (Preferably single) पहचान स्थल होने चाहिए। (एक से अधिक स्थल होने पर संवाहक कई टुकड़ों में टूट जाएगा)।
उदाहरण के लिए: प्लाज्मिड pBR322 में। यदि हम tet^R (टेट्रासाइक्लिन प्रतिरोध जीन) के BamH I स्थल पर एक विदेशी DNA डालते हैं, तो यह अपना टेट्रासाइक्लिन प्रतिरोध खो (Lose) देगा। इस घटना को निवेशन निष्क्रियता (Insertional Inactivation) कहा जाता है।

नीला-सफेद चयन (Blue-White Screening)

एंटीबायोटिक प्रतिरोध के कारण चुनाव करना एक जटिल प्रक्रिया है। इसलिए वैकल्पिक चिह्नक विकसित किए गए हैं जो रंग (Colour) उत्पन्न करने की क्षमता पर आधारित हैं। इसमें एक पुनर्योगज DNA को β-galactosidase (बीटा-गैलेक्टोसिडेज) एंजाइम के कोडिंग अनुक्रम के बीच डाला जाता है।
• यदि विदेशी DNA नहीं है (Non-recombinant): तो एंजाइम काम करेगा और क्रोमोजेनिक सब्सट्रेट की उपस्थिति में नीले (Blue) रंग की कॉलोनियां बनेंगी।
• यदि विदेशी DNA डाला गया है (Recombinant): तो एंजाइम का निवेशन निष्क्रियता (Insertional inactivation) हो जाता है, और सफेद (White / Colourless) कॉलोनियां बनती हैं।

पौधों और जानवरों के लिए संवाहक: पौधों में ट्यूमर पैदा करने वाले Agrobacterium tumefaciens के Ti प्लाज्मिड (Tumor inducing plasmid) को हानिरहित (Disarmed) बनाकर पौधों के लिए क्लोनिंग संवाहक के रूप में उपयोग किया जाता है। इसी तरह, जानवरों में रेट्रोवायरस (Retroviruses) को हानिरहित बनाकर संवाहक के रूप में उपयोग किया जाता है।

सक्षम आतिथेय (Competent Host)

चूंकि DNA एक जलरागी (Hydrophilic) अणु है, यह कोशिका झिल्ली (Lipid bilayer) से होकर नहीं गुजर सकता है। इसलिए, जीवाणु कोशिकाओं को DNA लेने के लिए 'सक्षम' (Competent) बनाना पड़ता है। इसके लिए कई तरीके उपयोग किए जाते हैं:

रासायनिक विधि (Heat Shock): कोशिकाओं को विशिष्ट सांद्रता वाले द्विसंयोजी धनायन (Divalent cation) जैसे कैल्शियम (Ca²⁺) से उपचारित किया जाता है। फिर उन्हें rDNA के साथ पहले बर्फ (Ice) पर रखा जाता है, फिर कुछ समय के लिए 42°C पर (हीट शॉक) रखा जाता है, और फिर वापस बर्फ पर रखा जाता है। इससे DNA बैक्टीरिया में प्रवेश कर जाता है।
माइक्रोइंजेक्शन (Microinjection): इस विधि में, पुनर्योगज DNA को एक बहुत बारीक सुई (Micropipette) का उपयोग करके सीधे जंतु कोशिका (Animal cell) के केंद्रक में इंजेक्ट किया जाता है।
बायोलिस्टिक्स या जीन गन (Biolistics / Gene gun): यह पौधों (Plant cells) के लिए उपयुक्त है। इसमें कोशिकाओं पर सोने (Gold) या टंगस्टन (Tungsten) के सूक्ष्म कणों की बमबारी (Bombardment) की जाती है, जिन पर DNA का लेप (Coated) होता है।
हानिरहित रोगजनक (Disarmed pathogen vectors): जैसे Agrobacterium या Retrovirus को कोशिका को संक्रमित करने और विदेशी DNA स्थानांतरित करने के लिए अनुमति दी जाती है।

पुनर्योगज DNA तकनीक के प्रक्रम (Processes of RDT)

DNA का पृथक्करण (Isolation of Genetic Material): DNA को कोशिका से निकालने के लिए कोशिका भित्ति को एंजाइमों द्वारा तोड़ा जाता है (जीवाणु के लिए Lysozyme, पौधों के लिए Cellulase, कवक के लिए Chitinase)। आरएनए को RNase और प्रोटीन को Protease द्वारा हटा दिया जाता है। अंत में ठंडा इथेनॉल (Chilled ethanol) मिलाने पर शुद्ध DNA महीन धागों के रूप में अवक्षेपित (Precipitate) हो जाता है (इसे Spooling कहते हैं)।

DNA को काटना: शुद्ध किए गए DNA को इष्टतम (Optimum) परिस्थितियों में प्रतिबंधन एंजाइम (Restriction enzyme) के साथ रखकर विशिष्ट स्थानों पर काटा जाता है। इसे जेल इलेक्ट्रोफोरेसिस द्वारा जाँचा जाता है।

3. PCR का उपयोग करके जीन का प्रवर्धन (Amplification using PCR)

PCR (Polymerase Chain Reaction) में इन विट्रो (in vitro) कई अरब (Billion) प्रतियां बनाई जाती हैं। इसमें 2 प्राइमर (Primers) और DNA Polymerase का उपयोग होता है। इसके 3 चरण हैं:
A. निष्क्रियकरण (Denaturation - 94°C): उच्च तापमान पर DNA के दोनों स्ट्रैंड अलग हो जाते हैं。
B. तापानुशीलन (Annealing - 50-60°C): प्राइमर अलग हुए स्ट्रैंड्स से जुड़ जाते हैं。
C. प्रसार (Extension - 72°C): DNA Polymerase नए स्ट्रैंड्स का संश्लेषण करता है।
चूंकि प्रक्रिया उच्च तापमान पर होती है, इसलिए एक विशेष थर्मोस्टेबल DNA पॉलीमरेज़ का उपयोग किया जाता है जिसे Taq Polymerase कहते हैं, जो Thermus aquaticus नामक जीवाणु से निकाला जाता है।

पुनर्योगज DNA को आतिथेय में डालना (Insertion): लाइगेज द्वारा जुड़े हुए विदेशी DNA और संवाहक (rDNA) को हीट शॉक या अन्य विधियों द्वारा सक्षम E. coli या अन्य कोशिकाओं में डाला जाता है।

विदेशी जीन उत्पाद प्राप्त करना (Obtaining the Product): जब विदेशी जीन किसी विषमजात (Heterologous) मेजबान में व्यक्त (Express) होता है, तो उसे पुनर्योगज प्रोटीन (Recombinant protein) कहा जाता है। व्यावसायिक (Commercial) स्तर पर इन प्रोटीनों के बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए बायोरिएक्टर (Bioreactors) का उपयोग किया जाता है।

बायोरिएक्टर और अनुप्रवाह संसाधन (Bioreactors & Downstream Processing)

बायोरिएक्टर (Bioreactors)

बड़े पैमाने पर (100-1000 लीटर) उत्पादन के लिए बायोरिएक्टर (जैव-प्रतिक्रियाकारक) का उपयोग किया जाता है। एक बायोरिएक्टर एक बड़े बर्तन के समान है जिसमें सूक्ष्मजीवों, पौधों, जानवरों या मानव कोशिकाओं का उपयोग करके कच्चे माल को विशिष्ट उत्पादों या एंजाइमों में जैविक रूप से (Biologically) परिवर्तित किया जाता है। यह इष्टतम विकास की स्थिति (तापमान, pH, सब्सट्रेट, लवण, विटामिन, ऑक्सीजन) प्रदान करता है।

सरल विडोलित हौज बायोरिएक्टर (Simple Stirred-tank)

यह सबसे अधिक उपयोग किया जाने वाला बायोरिएक्टर है। यह आमतौर पर बेलनाकार (Cylindrical) या घुमावदार आधार (Curved base) वाला होता है जिससे सामग्री का मिश्रण आसानी से हो सके। स्टिरर (Stirrer / प्रक्षोभक) रिएक्टर के अंदर ऑक्सीजन की उपलब्धता और सामग्री के मिश्रण को सुनिश्चित करता है।

दंड विडोलित हौज बायोरिएक्टर (Sparged Stirred-tank)

इसमें रिएक्टर के तल से रोगाणु-मुक्त हवा (Sterile air) के बुलबुले प्रवाहित (Sparged) किए जाते हैं। बुलबुले ऑक्सीजन स्थानांतरण क्षेत्र (Oxygen transfer area) को काफी बढ़ा देते हैं, जो वायवीय (Aerobic) सूक्ष्मजीवों के लिए बहुत आवश्यक है।

अनुप्रवाह संसाधन (Downstream Processing)

बायोरिएक्टर में जैव-संश्लेषण चरण (Biosynthetic stage) के पूरा होने के बाद, उत्पाद को तैयार उत्पाद के रूप में बाजार में लाने से पहले कई प्रक्रियाओं से गुजरना पड़ता है। इन प्रक्रियाओं में पृथक्करण (Separation) और शुद्धिकरण (Purification) शामिल हैं, जिन्हें सामूहिक रूप से अनुप्रवाह संसाधन (Downstream processing) कहा जाता है।

उत्पाद को उपयुक्त परिरक्षकों (Preservatives) के साथ तैयार किया जाता है। औषधियों (Drugs) के मामले में, ऐसे फॉर्मूलेशन को सख्त नैदानिक परीक्षणों (Clinical trials) से गुजरना पड़ता है। अनुप्रवाह संसाधन और कड़े गुणवत्ता नियंत्रण (Quality control) परीक्षण प्रत्येक उत्पाद के लिए अलग-अलग होते हैं।

अध्याय का संपूर्ण सारांश (Chapter Summary)

जैव प्रौद्योगिकी ने मानव जाति को प्रकृति के नियमों के भीतर रहते हुए DNA में संपादन करने और जीवन रक्षक दवाओं से लेकर उन्नत फसलों तक का निर्माण करने की शक्ति प्रदान की है।

साधन (Tools)

प्रतिबंधन एंजाइम (Molecular scissors - EcoRI), लाइगेज (DNA को जोड़ना)।

क्लोनिंग संवाहक

प्लाज्मिड (pBR322)। इनमें ori, वरणयोग्य चिह्नक और क्लोनिंग स्थल होते हैं।

PCR और DNA कटिंग

Taq Polymerase का उपयोग करके DNA का प्रवर्धन (Amplification)। जेल इलेक्ट्रोफोरेसिस।

उत्पादन व संसाधन

बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए बायोरिएक्टर। उत्पाद की छंटाई के लिए अनुप्रवाह संसाधन।