بیوتکنولوژی یا فنآوری زیستی، که به صورت توانائی بکارگیری فرآیندهای زیستی در بعد صنعتی تعریف میشود در دو دههِ گذشته، کاربردهای گستردهای در عرصه های کشاورزی وبهداشت، محیط زیست و غیره یافته است.
بیوتکنولوژی در مفهوم عام و نزد اکثریت مردم معنای درآمد بی دردسر را تداعی نموده است و در دههِ اخیر این کلمه را غالبا به مفهوم همه چیز برای همهِ مردم کار می برند.
تاریخچه بیوتکنولوژی نشان می هد که سابقه استفاده از آن به 8 هزار سال قبل می رسد. درزمان سومریان و رومیها از میکروارگانیزمها استفاده میکردند. حتی در جنگ جهانی نیز آلمانها که ازواردات گلیسرول برای تهیه مادهِ منفجره ناامید شده بودند از راه تولید میکروبی از مخمر به گلیسرول رسیدند از دهه1980، بیوتکنولوژی زمینهِ جدیدی را برای رشد پیدا نمود که‌این تغییر مرهون پیشرفتی است که حاصل فنآوری برش و اتصال مولکولDNA به صورت دلخواه میباشد. اکنون این تفکر که بیوتکنولوژی با تکیه بر دستاوردهای مهندسی ژنتیک قادر است منافع عظیمی را نصیب بشریت نمایند، به شدت تقویت یافته است.
مهندسی ژنتیک در واقع انقلاب عظیمی را در علوم زیستی به وجود آورده‌و با سابقهِ کوتاه قریب بیست سال، سرشار از نتایج مثبت است. تحلیلگران آگاه قرن آینده را قرن امپراطوری مهندسی ژنتیک، کامپیوتر و لیزر نامیده‌اند. امروزه در اثر مطالعات عمیق و بررسیهای ژرف مرزهای ژنتیک مولکولی و یافته های مربوطه شناخت ژنها به گونه‌ای دور از تصور گسترش یافته و حجم اط‌اعات حاصله و رشد روزافزون آن قابل مقایسه با هیچ دورانی نمی باشد. نمودار زیر به بعضی ازتوانمندیهای بیوتکنولوژی در علوم مختلف اشاره می کند:
تلقیح مصنوعی
اکنون تلقیح مصنوعی به یک فنآوری کاربردی با قدمت پنجاه ساله مبدل شده است وسطح وسیع در جمعیتهای گاوهای شیری برای کاهش هزینه نگهداری گاو نر و همچنین سرعت بخشیدن به پیشرفت ژنتیکی انجام می گیرد. تلقیح مصنوعی برنامه های تست نتاج را در مقیاس گسترده امکانپذیر می کند برای استفاده از این تکنیک روشهای دیگری برای انجماد اسپرم با نیتروژن مایع و رقیق کردن اسپرم ابداع گردیده است. در بعضی از کشورها همانند دانمارک و هلند استفاده عملی از تلقیح مصنوعی در صددرصد گاوداریها انجام می گیرد.
انجماد جنین
Leibo از اولین گاو آبستن از جنین منجمد شده در بیست سال پیش گزارش می هد و نتیجه گرفت که جنین منجمد شده نسبت به جنین تازه 01% باروریش را از دست داده است در هر بار تخمکریزی ماده گاوها در شرایط طبیعی فقط یک اووسیت آزاد میکنند که صورت باروری دورهِ آبستنی طولانی را نیز به دنبال دارد بنابراین از این طریق پیشرفت ژنتیکی از یک نسل به نسل دیگر کند است. از سویی دیگر ماده گاو در طول عمر باروری خود، فقط چند گوساله تولید خواهد کرد که معمولا از ده گوساله کمتر است. از اینرو روشهائی که بتوانند تعداد گوساله ناشی از ماده گاوهای با ارزش ژنتیکی بالا را افزایش دهند، مزایای شایان توجهی خواهند داشت. یکی ازاین روشها سوپر اوولاسیون است که باعث افزایش امکان دوقلوزائی در گله می شود.
انتقال جنین
انتقال جنین از دیگر ابزار و تکنیکهای اصلاحگران برای سرعت بخشیدن به پیشرفت ژنتیکی گله میباشد. عیب روشهای انتقال جنین اینست که گوساله‌های بدست آمده ممکن است متعلق به‌یک جنس نباشند و بنابراین احتمال ایجاد گوسالهِ فریمارتین افزایش می‌یابد. با انتقال جنین می‌توان‌میانگین تعداد زایش در طول عمر اقتصادی گاو را از چهار شکم به بیست و پنج یا بیشتر افزایش داد ودر نتیجه نتاج دامهای مادهِ انتخاب شده در برنامه‌های اصلاحی افزایش می‌یابد
لقاح آزمایشگاهی
لقاح آزمایشگاهی(IVF)یکی از روشهایی است که جنین‌های مورد نیاز برای انتقال را فراهم می‌کند این فرایند شامل مراحل زیر است:
- تحریک تخمک گذاری در گاوهای ماده و جمع آوری اسپرم در گاوهای نر
- کنترل رشد فولیکول بوسیله اولتراسوند
- جمع آوری تخمک بوسیلهِ لاپارسکوپی
- لقاح در آزمایشگاه و کشت جنین
این جنینها پس از آمادگی گاو گیرنده آماده انتقال می‌شوند
تعیین جنسیت
یک تفاوت بارز ژنتیکی بین افراد جنسیت است. توانائی تعیین جنسیت در جنین می‌تواند مدیریت برنامه‌های اصلاح نژادی مهم باشد یکی از بهترین مثالها در صنعت گاوشیرده جایگزین‌کردن ماده‌هاست که همیشه موردنیاز است. از آنجائی که معمولاإ 05% آبستنی‌ها، تولید گوساله ماده‌می‌کند اهمیت توسعه روشهای تعیین جنسیت جنین در پرورش گاوهای شیرده و نیز گاوهای گوشتی‌محرز است (27، 281). چندین روش برای تشخیص جنسیت به طور موفقیت آمیز استفاده می‌شودکه به ترتیب عبارتند از روش سیتوژنتیکی، تفکیک اسپرمهای حاوی کروموزمهای متفاوت، تعیین‌ایمینولوژیکی آنتی‌ژنH-Y ، استفاده از کاوشگرهایDNA میباشد.
حیوانات همانندسازی شده
در این روشها هستهِ سلولهای بالغ و تمایز یافته را در مرحلهِ خاصی به داخل سلول تخم غیرباروری که هسته آن خارج شده است منتقل می‌نمایند. بدین ترتیب تولد بره‌های زنده از سلولهای‌سوماتیک مثل غدد پستانی امری شدنی است و از مزایای این عمل کاهش فاصلهِ نسل و استفاده ازتعداد محدودی از حیوانات بسیار شایسته و در نتیجه پیشرفت ژنتیکی سریع در گله است (371).
روشهای ایجاد حیوانات تراریخت
امروزه از روش انتقال مستقیم ژن های کنترل کنندهِ هورمونها به ژنوم حیوانات استفاده میشود هر چند مطالعات نشان داده است که انتقال ژن به تنهائی کافی نیست و تنظیم دقیق و بیان یا تظاهر ژن‌نیز لازم است. با انتقال ژن مورد نظر به سیستم ژنتیکی حیوان می‌توان میزان تولید هورمون را به مقدارزیادی افزایش داد. از حیوانات ترانس ژنیک نظیر موش جهت تشخیص بیماریهای مهلک و خطرناک‌نظیر سرطان و کم‌خونی استفاده میشود تولید پروتئینهای داروئی نیز توسط حیوانات ترانسژنیک‌امکانپذیر است. برای تولید پروتئین داروئی ابتدا ژن مورد نظر با تکنیکهای ریز تزریقی و غیره به‌داخل جنین تک سلولی تزریق می‌گردد. سپس جنینها را داخل رحم مادران گیرنده جایگزین می‌کنندبه این ترتیب تعدادی از فرزندان متولد شده ترانسژنیک، خواهند بود که قادر هستند ژن را به نسلهای‌بعد انتقال دهند. عیب این روشها اینست که حیواناتی که جدید و پرتولید در نظر گرفته می‌شوندممکن است حاوی ژنهای مطلوب نباشند.
یکی از اهداف انتقال ژن در دامهای شیرده، تغییر ترکیبات شیر میباشد. مقدار پنیر تولید مستقیما به خصوصیت مقدار کاپاکازئین شیر وابسته است بدین معنی که مایه پنیر فقط کاپاکازئین راسوبسترا قرار می‌دهد و آن را به دو قسمت یک بخش کوچک که 5% وزن کازئین اولیه را دارد و یک‌بخش بزرگتر که پاراکاپاکازئین است تقسیم می‌کند.
پاراکازئینات حاصل از محلول مایهِ پنیر در برابر یون کلسیم حساس بوده و رسوب می‌کندتجزیه کاپاکازئین باعث بهم خوردن تعادل بارهای الکتریکی شده و به دنبال آن مهاجرت کازئینو به‌فاز محلول عامل اصلی و ضروری برای منعقد شدن شیر، میباشد. بنابراین افزایش تولید کاپاکازئین‌با تکنیک انتقال ژن یک احتمال منطقی به نظر می‌رسد (4). هدف دیگر در انتقال ژن تغییر لاکتوز شیرمی‌باشد که کمک بزرگی به امکان مصرف شیر توسط بسیاری از افراد است که حساس به لاکتوزهستند و قدرت هضم لاکتوز بعد از مصرف شیر یا مواد غذائی حاوی شیر را ندارند.
اگر چه تکنیک انتقال ژن خبر از تولید تعدادی از دامهای پرتولید از لحاظ ژنتیکی را می‌دهد .سیر ترقی آن آهسته است. توسعه نژادهائی از حیوانات که در برابر عفونتها مقاوم هستند وبا روشهای‌ترانسژنیک از مصونیت ایمینولوژیکی توارث‌پذیر برخوردار شوند نیز از اهداف دیگر تولید حیوانات‌ترانس‌ژنیک میباشد .
شماری از ژنهای کاندیدا که در سیستم ایمنی سهیم هستند همانند ژنهای گیرندهِ سلولهایT ژنهای مربوط به غدد لنفاوی و ژنهای عمدهِ سازگاری بافتیMHC)) برای انتقال ژن موردمطالعه قرار گرفته‌اند. یکی از موفقیت‌آمیزترین آزمایشات ترانسژنیک ایجاد خوکهای تولید کنندهِموگلوبین انسانی است به اینصورت که ناحیهِ تنظیم کنندهِ ژن بتاگلوبین در انسان را به دو ژن‌آلفاگلوبین متصل نموده و در نتیجه خوک ترانسژنیک قادر به تولید هموگلوبین انسانی در سلولهای‌خون خود میباشد. بوسیلهِ آزمایشهای شیمیائی مختلف، مشخص شده است که هموگلوبین انسانی‌در خوک ترانسژنیک همان خصوصیات هموگلوبین طبیعی انسانی را دارد. البته علی‌رغم این موفقیت‌به هرحال هموگلوبین آزاد ممکن است که جواب مشکل نباشد چون این هموگلوبین قادر به تبادل‌اکسیژن بعد از ورود به گلبولهای قرمز انسان نخواهد بود و معضل تجزیه شدن آن مسئله دیگری است
محدودیتهای فرایند ترانسژنیک در دامهای بزرگ همچون گاو عبارتند از:
- دامهای بزرگ تعداد زیاد تخمک ایجاد نمی‌کنند.
- کاشتن دوباره جنین دستکاری شده با توجه به اینکه از گوسفند و گاو در هر نوبت حاملگی فقط‌یک فرزند متولد میشود کار آسانی نیست.
- سیتوپلاسم حیوانات اهلی به اندازه‌ای کدر است که مشاهدهِ پیش هسته بدون استفاده از فنون‌ویژه ممکن نیست
یکی از ایده‌هائی که بسیار بعید به نظر می‌رسد شناسائی ژنهای مسئول خواب زمستانی‌خرسها وانتقال آنها به گاوهای گوشتی میباشد که احتمالا هزینهِ خوراک را به میزان زیادی کاهش‌خواهد داد
در مورد طیور، مسئله ترانسژنیک بصورت مقاومت به بیماریهائی مثل کوکسیدوز، لکوزافزایش کیفیت گوشت یا پایین آوردن کلسترول تخم‌مرغ مطرح می‌شد.
در مورد ماهی تزریقDNA به داخل تخم بارور در شماری از گونه‌ها دیده شده است در ماپیش هسته کاملا در زیر میکروسکوپ قابل روِیت نیست بنابراینDNA به داخل سیتوپلاسم‌تخمهای بارور یا جنینهائی که در مرحلهِ چهار سلولی هستند تزریق میشود.
بر خلاف پستانداران در ماهی لقاح خارجی است و رشد جنین در آب صورت می‌گیرد. از اینرو نیاز به روشهای لانه گزینی وجود ندارد. جنین می‌تواند با تنظیم دمای تانک زنده بماند. امکان‌بقای تخم ماهی بعد از تزریقDNA بالاست و حدود35 تا 80 درصد میباشد و ایجاد ماهی‌ترانس‌ژنیک درصد احتمالی حدود 10 تا 70 درصد دارد .بسیاری از مطالعات اولیه روی‌ماهیهای ترانسژنیک، بر روی آزمایشات انتقال ژن هورمون رشد استوار است .
ژن درمانی
ژن درمانی اصلاح یک اشتباه متابولیسمی مادرزادی با وارد کردن یک ژن طبیعی در فرد مبتلامی‌باشد. البته در مورد جانوران اشتیاق زیادی برای زنده نگاه داشتن مبتلایان به بیماریهای شدید وسخت ژنتیکی وجود ندارد.
اخیراإ روش انتقال ژنها در داخل سلول نطفه‌ای موش به منظور رفع یک نقص ژنتیکی موردتجربه قرار گرفته است. در این تجربه ملکولهایDNA را که شامل ردیف کددار برای سنتز پروتئین‌آزاد کنندهِ گونادوتروپین(Ghrh)هستند، بداخل هسته تخمک بارور موشهائی که مبتلا به کم‌کاری موروثی غدد جنسی بودند تزریق نمودند. ژن تزریق شده در هیپوتالاموس تعدادی از موشهای‌تولید شده، فعال گردید و رمز خود را در راه سنتز هورمون نامبرده بیان داشت. بعلاوه فعالیت ژن‌بطور طبیعی تحت اثر سیستم تنظیم کننده قرار گرفته و حیوان از هر لحاظ طبیعی بوده است. از این‌گذشته در نسلهای بعدی حیوان نیز اثری دال بر کمبودGhrh مشاهده نشده است