जैव प्रौद्योगिकी (Biotechnology)

🎯 PYQs — जैव प्रौद्योगिकी (उच्च आवृत्ति)

सबसे ज्यादा पूछे जाने वाले विषय:

• CRISPR-Cas9 तंत्र
• भारत में जीएम फसलें (बीटी कपास, DMH-11)
• स्टेम सेल के प्रकार
• जीन थेरेपी और RNAi
• डीएनए प्रोफाइलिंग

सामान्य जाल:

• ❌ बीटी बैंगन की व्यावसायिक खेती नहीं की जाती है (अधिस्थगन/moratorium)
• ❌ जीएम सरसों बार्नेज-बारस्टार का उपयोग करता है, बीटी जीन का नहीं
• ❌ CRISPR जीन संपादन है, कण भौतिकी (particle physics) नहीं

आनुवंशिकी की मूल बातें (Basics of Genetics)

जीन, डीएनए, आरएनए

घटक	संरचना	कार्य
जीन	डीएनए का खंड	प्रोटीन के लिए कोड (मनुष्यों में 19,000-25,000)
डीएनए	डबल हेलिक्स (A-T, C-G)	आनुवंशिक जानकारी संग्रहीत करता है; डीऑक्सीराइबोज चीनी
आरएनए	सिंगल स्ट्रैंड (A-U, C-G)	आनुवंशिक जानकारी स्थानांतरित करता है; राइबोज चीनी
क्रोमोसोम	डीएनए + हिस्टोन प्रोटीन	जीन वहन करता है; मनुष्यों में 46 (23 जोड़े)

आणविक जीव विज्ञान का सेंट्रल डोगमा

डीएनए → प्रतिलेखन (Transcription) → आरएनए → अनुवाद (Translation) → प्रोटीन

• प्रतिकृति (Replication): डीएनए अपनी कॉपी बनाता है
• प्रतिलेखन (Transcription): डीएनए → एमआरएनए (नाभिक में)
• अनुवाद (Translation): एमआरएनए → प्रोटीन (राइबोसोम पर)
• रिवर्स ट्रांसक्रिप्शन: आरएनए → डीएनए (एचआईवी जैसे रेट्रोवायरस)

आरएनए के प्रकार

प्रकार	कार्य
mRNA	मैसेंजर; डीएनए से राइबोसोम तक आनुवंशिक कोड ले जाता है
tRNA	ट्रांसफर; राइबोसोम में अमीनो एसिड लाता है
rRNA	राइबोसोमल; राइबोसोम संरचना बनाता है
siRNA	स्मॉल इंटरफेयरिंग; जीन साइलेंसिंग (RNAi)
miRNA	माइक्रोआरएनए; जीन अभिव्यक्ति को नियंत्रित करता है

डार्क डीएनए (Dark DNA)

• परिभाषा: मानक अनुक्रमण के माध्यम से पता लगाना मुश्किल जीनोमिक क्षेत्र
• पहले कहा जाता था: "जंक डीएनए" (गैर-कोडिंग क्षेत्र)
• वर्तमान समझ: जीन विनियमन, विकास, प्रजाति अनुकूलन में भूमिका निभाता है

PW Plus Insights (एडेनोवायरस बनाम रेट्रोवायरस)

विशेषता	एडेनोवायरस	रेट्रोवायरस
जीनोम	डीएनए (डबल-स्ट्रैंडेड)	आरएनए (सिंगल-स्ट्रैंडेड)
लिफाफा	गैर-लिफाफा (Non-enveloped)	लिफाफा (Enveloped)
एकीकरण	मेजबान डीएनए में एकीकृत नहीं होता है	रिवर्स ट्रांसक्रिप्टेस के माध्यम से एकीकृत होता है
संक्रमण	तीव्र (अल्पकालिक)	जीर्ण (दीर्घकालिक)
उदाहरण	सामान्य जुकाम	एचआईवी, एचटीएलवी

जीनोम अनुक्रमण (Genome Sequencing)

प्रमुख जीनोम परियोजनाएं

परियोजना	विवरण
मानव जीनोम परियोजना (HGP)	1990-2003; 3.2 अरब बेस जोड़े मैप किए गए; 24 गुणसूत्र
जीनोम इंडिया प्रोजेक्ट	2020; DBT; 10,000 भारतीयों का अनुक्रमण; IISc बेंगलुरु के नेतृत्व में
INDIgen प्रोजेक्ट	CSIR; हजारों भारतीयों का संपूर्ण जीनोम अनुक्रमण
अर्थ बायो-जीनोम प्रोजेक्ट	वैश्विक; सभी 1.5 मिलियन यूकेरियोटिक प्रजातियों को सूचीबद्ध करें
ह्यूमन माइक्रोबायोम इनिशिएटिव	भारतीय आबादी में मानव-जुड़े रोगाणुओं की विशेषता

जीनोमिक्स में मुख्य शब्द

शब्द	परिभाषा
ट्रांसक्रिप्टोम	किसी दिए गए समय पर कोशिका/ऊतक में आरएनए अणुओं का पूरा सेट
प्रोटिओम	जीनोम द्वारा व्यक्त प्रोटीन का पूरा सेट
मेटाजीनोमिक्स	पर्यावरणीय नमूनों से आनुवंशिक सामग्री का अध्ययन
एरियल मेटाजीनोमिक्स	हवा के कणों/एरोसोल से आनुवंशिक सामग्री

जीनोम संपादन प्रौद्योगिकियां

CRISPR-Cas9 [PYQ 2018, 2019, 2020]

• पूरा नाम: क्लस्टर्ड रेगुलरली इंटरस्पेस्ड शॉर्ट पैलिंड्रोमिक रिपीट्स (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)
• खोजकर्ता: इमैनुएल चार्पेंटियर और जेनिफर डौडना (नोबेल पुरस्कार 2020)
• तंत्र:
  1. गाइड आरएनए (gRNA) लक्ष्य डीएनए से मेल खाने के लिए डिज़ाइन किया गया
  2. gRNA Cas9 एंजाइम को विशिष्ट डीएनए स्थान पर मार्गदर्शन करता है
  3. Cas9 लक्ष्य साइट पर दोनों डीएनए स्ट्रैंड को काटता है
  4. सेल डीएनए की मरम्मत करता है → जीन संशोधित/हटाया/सम्मिलित

पुराने तरीकों से लाभ:

• सस्ता, तेज, अधिक सटीक
• लगभग सभी प्रकार की कोशिकाओं में काम करता है

⚠️ UPSC जाल: CRISPR जीन संपादन तकनीक है, कण भौतिकी नहीं (बेले II कण भौतिकी है)

अन्य जीनोम संपादन उपकरण

प्रौद्योगिकी	विवरण
ZFNs (जिंक फिंगर न्यूक्लीज)	पहली पीढ़ी; जिंक फिंगर प्रोटीन + FokI न्यूक्लीज
TALENs	Xanthomonas बैक्टीरिया + FokI से डीएनए-बाध्यकारी डोमेन
बेस एडिटिंग	दोनों स्ट्रैंड को काटे बिना सिंगल डीएनए बेस को संशोधित करता है
प्राइम एडिटिंग	"खोजें और बदलें"; CRISPR से अधिक सटीक

दैहिक कोशिका परमाणु हस्तांतरण (SCNT)

• प्रक्रिया: दैहिक कोशिका (somatic cell) से नाभिक को एन्क्लिएटेड अंडे में स्थानांतरित करें
• प्रसिद्ध उदाहरण: डॉली द शीप (1996) - पहला क्लोन स्तनपायी
• उपयोग: क्लोनिंग, चिकित्सीय क्लोनिंग (स्टेम सेल), संरक्षण

चरण:

1. दैहिक कोशिका नाभिक निकालें
2. अंडा कोशिका से नाभिक निकालें (enucleation)
3. दैहिक कोशिका नाभिक को अंडे में डालें
4. कोशिका विभाजन को उत्तेजित करें
5. सरोगेट में भ्रूण प्रत्यारोपण

थ्री पैरेंट बेबी (माइटोकॉन्ड्रियल रिप्लेसमेंट थेरेपी)

• उद्देश्य: माइटोकॉन्ड्रियल रोगों को संतानों में जाने से रोकना
• तकनीकें:
  • मैटरनल स्पिंडल ट्रांसफर (MST): निषेचन से पहले
  • प्रोन्यूक्लियर ट्रांसफर (PNT): निषेचन के बाद
• परिणाम: बच्चे में दोनों माता-पिता से परमाणु डीएनए + दाता से माइटोकॉन्ड्रियल डीएनए होता है
• वैध करने वाला पहला देश: यूके (2015)

PW Plus Insights (कानून और विज्ञान)

जब कानून कोशिका तक पहुंचा: 2015 में, यूनाइटेड किंगडम माइटोकॉन्ड्रियल रिप्लेसमेंट थेरेपी को कानूनी रूप से अनुमति देने वाला पहला देश बन गया। एक कानून के साथ, इसने दोषपूर्ण सेल पावरहाउस को सुरक्षित रूप से बदलकर विरासत में मिली बीमारियों को रोकने का द्वार खोल दिया।

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आरएनए इंटरफेरेंस (RNAi)

RNAi तंत्र [PYQ 2019]

• परिभाषा: mRNA को नष्ट करके जीन साइलेंसिंग
• घटक:
  • dsRNA: डबल-स्ट्रैंडेड आरएनए (ट्रिगर)
  • Dicer: एंजाइम जो dsRNA को siRNA में काटता है
  • siRNA: स्मॉल इंटरफेयरिंग आरएनए (21-23 न्यूक्लियोटाइड्स)
  • RISC: आरएनए-प्रेरित साइलेंसिंग कॉम्प्लेक्स

चरण:

1. dsRNA कोशिका में प्रवेश करता है (प्राकृतिक या पेश किया गया)
2. Dicer dsRNA को काटता है → siRNA टुकड़े
3. siRNA RISC कॉम्प्लेक्स में लोड होता है
4. RISC मिलान mRNA पाता है
5. mRNA साफ/खामोश है → कोई प्रोटीन नहीं बना

अनुप्रयोग:

• कीट-प्रतिरोधी पौधे (तंबाकू में मेलोइडोगाइन इनकोगनिटा)
• कैंसर का इलाज
• कार्यात्मक जीनोमिक्स अनुसंधान

पुनः संयोजक डीएनए प्रौद्योगिकी (Recombinant DNA Technology)

rDNA प्रौद्योगिकी चरण [PYQ 2013]

1. अलगाव (Isolation): स्रोत जीव से डीएनए निकालें
2. काटना (Cutting): प्रतिबंध एंजाइम (Restriction enzymes) विशिष्ट अनुक्रमों पर डीएनए काटते हैं
3. जुड़ना (Joining): डीएनए लिगेज टुकड़ों में शामिल होता है
4. ** सम्मिलन (Insertion)**: वेक्टर (प्लास्मिड) में डालें
5. परिवर्तन (Transformation): मेजबान कोशिका में परिचय
6. चयन (Selection): सफल पुनः संयोजकों की पहचान करें
7. अभिव्यक्ति (Expression): मेजबान वांछित प्रोटीन का उत्पादन करता है

मुख्य घटक:

घटक	कार्य
प्रतिबंध एंजाइम	आणविक कैंची; विशिष्ट स्थलों पर डीएनए काटें
डीएनए लिगेज	डीएनए के टुकड़ों को जोड़ता है
वेक्टर	वाहक (प्लास्मिड्स, बैक्टीरियोफेज)
मेजबान कोशिकाएं	ई. कोली, खमीर, स्तनधारी कोशिकाएं

जीन स्थानांतरण के तरीके

विधि	विवरण	उपयोग
माइक्रोइंजेक्शन	सीधे नाभिक में डीएनए इंजेक्ट करें	पशु कोशिकाएं
बायोलिस्टिक्स (जीन गन)	डीएनए-लेपित कण कोशिकाओं में शूट किए गए	पादप कोशिकाएं
इलेक्ट्रोपोरेशन	इलेक्ट्रिक पल्स छिद्र बनाता है	बैक्टीरिया, खमीर
एग्रोबैक्टीरियम	पौधों में प्राकृतिक जीन हस्तांतरण	अधिकांश पौधे परिवर्तन
लिपोफेक्शन	लिपोसोम डीएनए ले जाते हैं	स्तनधारी कोशिकाएं

PCR (पोलीमरेज़ चेन रिएक्शन)

• उद्देश्य: विशिष्ट डीएनए अनुक्रमों को बढ़ाना
• घटक: डीएनए टेम्पलेट, प्राइमर्स, टैक पोलीमरेज़, dNTPs
• चरण (प्रत्येक चक्र डीएनए को दोगुना करता है):
  1. विकृतीकरण (Denaturation) (95°C): अलग डीएनए किस्में
  2. एनीलिंग (Annealing) (55°C): प्राइमर्स बांधते हैं
  3. विस्तार (Extension) (72°C): टैक पोलीमरेज़ का विस्तार होता है

अनुप्रयोग: COVID परीक्षण (RT-PCR), फोरेंसिक, आनुवंशिक परीक्षण

जैव प्रौद्योगिकी के अनुप्रयोग

कृषि

भारत में जीएम फसलें [PYQ 2014, 2021]

फसल	प्रौद्योगिकी	स्थिति
बीटी कपास	B. thuringiensis से Cry1Ac/Cry2Ab	केवल जीएम फसल व्यावसायिक रूप से खेती की गई
बीटी बैंगन	Cry1Ac जीन	स्वीकृत लेकिन स्थगन (moratorium) के तहत
गोल्डन राइस	बीटा-कैरोटीन (विटामिन ए)	भारत में स्वीकृत नहीं
DMH-11 सरसों	बार्नेज-बारस्टार हाइब्रिड सिस्टम	पर्यावरण रिलीज के लिए स्वीकृत (2022)

बोलगार्ड I (2002): सिंगल जीन (Cry1Ac) बोलगार्ड II (2006): डबल जीन (Cry1Ac + Cry2Ab)

बायोफोर्टिफिकेशन बनाम खाद्य फोर्टिफिकेशन

प्रकार	विधि	उदाहरण
बायोफोर्टिफिकेशन	फसल में पोषक तत्वों का प्रजनन	आयरन बाजरा, जिंक गेहूं
खाद्य फोर्टिफिकेशन	प्रसंस्करण के दौरान पोषक तत्व जोड़ना	आयोडीन युक्त नमक, फोर्टिफाइड आटा

PW Plus Insights (गैर-जीएम बायोफोर्टिफिकेशन)

भारत में, अधिकांश बायोफोर्टिफाइड फसलें आनुवंशिक रूप से संशोधित नहीं हैं। आयरन से भरपूर बाजरा और जिंक से भरपूर गेहूं पारंपरिक पौधों के प्रजनन के माध्यम से विकसित किए जाते हैं, जहां पोषण को धीरे-धीरे और सावधानी से बीज में ही पैदा किया जाता है।

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भारत में जीएम फसल विनियमन

निकाय	भूमिका
GEAC	जेनेटिक इंजीनियरिंग मूल्यांकन समिति (MoEFCC); पर्यावरण रिलीज को मंजूरी
RCGM	जेनेटिक हेरफेर (DBT) पर समीक्षा समिति; अनुसंधान अनुमोदन
IBSC	संस्थागत जैव सुरक्षा समिति; संस्थागत स्तर

नियम: पर्यावरण संरक्षण अधिनियम, 1986 → GMOs के लिए नियम, 1989

चिकित्सा (Medicine)

जीन थेरेपी

• परिभाषा: बीमारियों के इलाज के लिए दोषपूर्ण जीन को सही करना
• प्रकार:
  • दैहिक जीन थेरेपी: शरीर की कोशिकाओं का इलाज करता है (वंशानुगत नहीं)
  • जर्मलाइन जीन थेरेपी: प्रजनन कोशिकाओं को संशोधित करता है (वंशानुगत; विवादास्पद)
• उदाहरण: एडीए की कमी (गंभीर संयुक्त इम्यूनोडेफिशिएंसी)
• वेक्टर: वायरल (एडेनोवायरस, रेट्रोवायरस) या गैर-वायरल

स्टेम सेल थेरेपी [PYQ 2012, 2020]

प्रकार	शक्ति	स्रोत
टोटिपोटेंट (Totipotent)	सभी प्रकार की कोशिकाओं का निर्माण कर सकते हैं	जायगोट
प्लुरिपोटेंट (Pluripotent)	लगभग सभी प्रकार (प्लेसेंटा नहीं)	भ्रूण स्टेम सेल
मल्टीपोटेंट (Multipotent)	सीमित सेल प्रकार	वयस्क अस्थि मज्जा, गर्भनाल रक्त
iPSCs	पुनर्क्रमित वयस्क कोशिकाएं	त्वचा, रक्त कोशिकाएं

अनुप्रयोग: पार्किंसंस, रीढ़ की हड्डी की चोट, हृदय रोग

मोनोक्लोनल एंटीबॉडी

• परिभाषा: एकल प्रतिजन (antigen) को लक्षित करने वाले लैब-निर्मित एंटीबॉडी
• उत्पादन: हाइब्रिडोमा तकनीक (बी सेल + मायलोमा सेल)
• उदाहरण:
  • रितुक्सीमैब (लिंफोमा)
  • टोसीलिज़ुमैब (कोविड-19)
  • ट्रैस्टुज़ुमैब (स्तन कैंसर)

CAR-T सेल थेरेपी

• पूरा नाम: काइमेरिक एंटीजन रिसेप्टर टी-सेल (Chimeric Antigen Receptor T-cell)
• प्रक्रिया: रोगी की टी-कोशिकाओं को निकाला गया → कैंसर को लक्षित करने के लिए संशोधित → पुन: उपयोग किया गया
• उपयोग: रक्त कैंसर (ल्यूकेमिया, लिंफोमा)

वातावरण (Environment)

बायोरेमेडिएशन तकनीक

तकनीक	विवरण
बायोरेमेडिएशन	प्रदूषकों को साफ करने के लिए रोगाणुओं का उपयोग करना
फाइटोरेमेडिएशन	संदूषकों को अवशोषित/नीचा दिखाने के लिए पौधों का उपयोग करना
फाइटो-डिग्रेडेशन	पौधे आंतरिक रूप से संदूषकों को चयापचय करते हैं
फाइटो-वाष्पशीलता	पौधे वाष्प के रूप में संदूषकों को छोड़ते हैं
ऑयलजैपर (Oilzapper)	तेल रिसाव को साफ करने के लिए बैक्टीरिया (ONGC-TERI)
बायोरॉक टेक्नोलॉजी	कोरल बहाली के लिए इलेक्ट्रो-संचय

आधुनिक तकनीक (Modern Techniques)

डीएनए बारकोडिंग

• परिभाषा: प्रजातियों की पहचान करने के लिए लघु डीएनए अनुक्रम (400-800 बीपी)
• उपयोग: प्रजातियों की पहचान, जैव विविधता मूल्यांकन, आक्रामक प्रजातियों का पता लगाना
• मानक क्षेत्र: COI जीन (जानवर), rbcL/matK (पौधे)

डीएनए प्रोफाइलिंग (फिंगरप्रिंटिंग) [PYQ 2023]

• उपयोग: फोरेंसिक, पितृत्व परीक्षण, आपराधिक पहचान
• तकनीक: माइक्रोसेटेलाइट डीएनए (STRs - शॉर्ट टेंडम रिपीट्स) का विश्लेषण करता है
• विशिष्टता: समान जुड़वा बच्चों को छोड़कर, डीएनए प्रोफ़ाइल अद्वितीय है

जीन साइलेंसिंग [PYQ 2022]

विधि	तंत्र
डीएनए मिथाइलेशन	डीएनए में मिथाइल समूह जोड़ना → जीन चुप
हिस्टोन संशोधन	हिस्टोन प्रोटीन को बदलना → जीन की पहुंच को प्रभावित करता है
RNAi	एमआरएनए को नीचा दिखाना → कोई प्रोटीन उत्पादन नहीं

अनुप्रयोग: छोटे आरएनए का उपयोग करके मूंगफली में एफ्लाटॉक्सिन जीन को शांत करना

आनुवंशिक विकार (Genetic Disorders)

आनुवंशिक विकारों के प्रकार

श्रेणी	कारण	उदाहरण
एकल जीन	एक जीन में उत्परिवर्तन	सिकल सेल, सिस्टिक फाइब्रोसिस, हंटिंगटन
गुणसूत्र	गुणसूत्र संख्या/संरचना में परिवर्तन	डाउन्स (ट्राइसोमी 21), टर्नर (XO)
बहुक्रियाशील	एकाधिक जीन + पर्यावरण	कैंसर, मधुमेह, हृदय रोग

सिकल सेल एनीमिया: एकल जीन उत्परिवर्तन → असामान्य हीमोग्लोबिन → दरांती के आकार (sickle-shaped) की आरबीसी

गुणसूत्र संबंधी विकार

विकार	गुणसूत्र प्रभावित	विशेष
डाउन्स सिंड्रोम	ट्राइसोमी 21 (अतिरिक्त chr 21)	बौद्धिक अक्षमता, विशिष्ट विशेषताएं
टर्नर सिंड्रोम	XO (महिलाओं में लापता X)	छोटा कद, बांझपन
क्लाइनफेल्टर सिंड्रोम	XXY (पुरुषों में अतिरिक्त X)	लंबा, बांझपन
क्री-डू-चैट	Chr 5 में विलोपन	बिल्ली की तरह रोना, विकासात्मक देरी

ट्रेंड में विषय

हालिया जैव प्रौद्योगिकी विषय

विषय	मुख्य बिंदु
ज़ेनोट्रांसप्लांटेशन	सुअर से मानव अंग प्रत्यारोपण
जीन ड्राइव	आबादी के माध्यम से संशोधित जीन फैलाना (मलेरिया मच्छर)
सिंथेटिक बायोलॉजी	नई जैविक प्रणालियों को डिजाइन करना
लैब-ग्रोन मीट	पशु कोशिकाओं से सुसंस्कृत मांस
CRISPR थेरेप्यूटिक्स	सिकल सेल उपचार (Casgevy) स्वीकृत
बायोसिमिलर	जैविक दवाओं के सामान्य संस्करण