સિન્થેટિક બાયોલોજી :

પ્રયોગશાળામાં કૃત્રિમ જૈવિક 'પાર્ટસ' તૈયાર થઈ રહ્યા છે !

ફ્‌યુચર સાયન્સ - કે.આર ચૌધરી

- મધમાખી જે રીતે મધ બનાવીને એકઠું કરે છે તેવું કાર્ય આપણા ઘરમાં ઉપદ્રવ ફેલાવતી માખી કે બગીચામાં ઉડતા પતંગિયા કરી શકતા નથી પરંતુ જો મધમાખી જેવી જીનેટિક સર્કિટ કે એન્ઝાઇમ્સને ડિઝાઇન કરી માખી કે પતંગિયાના કોષોમાં મૂકી શકાય તો તે જીવો એટલે કે માખી અને પતંગિયા પણ 'મધ' બનાવી એકઠું કરી આપી શકે. જ્યોર્જ મર્ચે એ સિન્થેટિક બાબતોમાં મોટું માથું ગણાય છે. છ ફૂટ લાંબો વિશાળ શરીર, ચોરસ ચહેરો, વાળના સામાન્ય ગુચ્છા અને ચાંદી રંગના દાઢીના વાળ તેને અનેરો દેખાવ આપે છે. ૧૯૮૦ના દાયકાથી જ્યોર્જ મર્ચ બાયોલોજી ક્ષેત્રે પાયોનિયર યોદ્ધા સાબિત થઈ રહ્યા છે. તેમણે ડીએનએ સ્વિન્સીંગના તબક્કાવાર વિકાસમાં મહત્ત્વની ભૂમિકા ભજવી છે. તેમની અનેક સિદ્ધિઓમાંની એક અનન્ય સિદ્ધિ એટલે 'હ્યુમન જેનોમ પ્રોજેક્ટ' તેમણે હ્યુમન જેનોમ પ્રોજેક્ટને યોગ્ય પરિપ્રેક્ષ્યમાં ઓર્ગેનાઇઝ કર્યો હતો. હાલ તેઓ હાર્વર્ડ મેડિકલ સ્કૂલમાં ૫૦ કરતા વધારે ગ્રેજયુએટ વિદ્યાર્થીઓને સંશોધન ક્ષેત્રે માર્ગદર્શન પૂરું પાડી રહ્યા છે. હાર્વર્ડ મેડિકલ સ્કૂલની શાખા, સેન્ટર ફોર કોમ્પ્યુટરીંગ જીનેટિક્સના તેઓ નિયામક છે. તેમનું મુખ્ય ફિલ્ડ 'સિન્થેટિક બાયોલોજી' છે. હ્યુમન જેનોમ પ્રોજેક્ટ ચાલુ થયો અને ડીએનએની સિક્વન્સ ઉકેલવામાં વૈજ્ઞાાનિકોને સફળતા મળી ત્યારે વૈજ્ઞાાનિકો આવનારા દાયકાઓ, જીનેટિક્સ, બાયો-ટેકનોલોજી વગેરે બાબતે ખૂબ જ આશાવાદી વલણ ધરાવતા થઈ ગયા હતા. જો કે આજે મોટા ભાગના બાયોલોજીસ્ટે સ્વીકારે છે કે ભવિષ્યના ખ્વાબો એટલા આસાનીથી હકીકતમાં બદલાય તેમ નથી. છેલ્લા બે એક દાયકાથી સિન્થેટિક બાયોલોજીસ્ટ માનતા હતા કે તેઓ દુનિયાને બદલી નાખશે અને ક્રાંતિકારી શોધો કરી નાખશે તેઓ બળતણ કેમિકલ્સ અને દવાઓને નવી ક્રાંતિકારી શોધો વડે સજ્જ કરી જાદુઈ પરિણામો મેળવી શકાશે. એ હકીકત સાબિત થઈ રહી છે કે જીવનું નવું ફોર્મ કે સીસ્ટમનું નવું પ્રોગ્રામિંગ કરવું એટલું આસાન નથી. એ કેટલાક વૈજ્ઞાાનિકો તેમની પ્રેરણા એટલે કે 'ઇન્સ્પીરેશન' માટે કુદરત, પ્રકૃતિ જેને 'નેચર' કહીએ છીએ તે તરફ પાછા વળી રહ્યા છે આખરે સિન્થેટિક બાયોલોજી પ્રત્યે વૈજ્ઞાાનિકોને વધારે વ્હાલ કેમ છે. સિન્થેટિક બાયોલોજી એ વિજ્ઞાાનનું વિસ્તરતું આધુનિક ક્ષેત્ર છે. સિન્થેટિક બાયોલોજીના જીવ વિજ્ઞાાન અને એન્જિનિયરીંગનો સમન્વય કરવામાં આવ્યો છે જેનો સર્વસામાન્ય હેતુ કુદરતમાં મળી ન શકતી હોય તેવી બાયોલોજીકલ સિસ્ટમ વિકસાવવી કોષોમાં તેના રેગ્યુલર પ્રક્રિયાઓની જગ્યાએ નવા બાયોલોજીકલ ફંક્શનને ડિઝાઇન કરી આખરી ઓપ આપવો. સરળ ભાષામાં કહેવું હોય તો સિન્થેટિક બાયોલોજી વડે એવી પ્રણાલિ કે જૈવિક અસ્તિત્વ જેવાં કે એન્ઝાઇરસ, પ્રોટીન, જીનેટીક, સર્કિટ તૈયાર કરવી જેનો ઉપયોગ કરીને હાલની બાયોલોજીકલ સિસ્ટમને રી-ડિઝાઇન કરવી અથવા નવા પ્રકારના કોષ તૈયાર કરવા. જો કે સિન્થેટિક બાયોલોજીનો બધો જ આધાર મોલેક્યુલર, સેલ અને સિસ્ટમ બાયોલોજીમાં થતા આધુનિક ફેરફારોને આભારી છે. ઉદાહરણ તરીકે આજના વૈજ્ઞાાનિકો કોઈ મટીરીયલના ભૌતિક અને રાસાયણિક ગુણધર્મો જાણી લે છે. જેને એન્જિનિરીંગ ટેકનિક વાપરીને નવી ઇન્ટીગ્રેટેડ સર્કિટ બનાવે છે. આ ઇન્ટીગ્રેટેડ સર્કિટ ત્યારબાદ તમારી જરૃરિયાત મુજબના હાર્ડવેરમાં ગોઠવીને તમારી મનગમતી 'સિસ્ટમ' તમે વિકસાવી શકો છો. એક નાની 'આઇસી' કોમ્પ્યુટર, મોબાઇલ, ય્ઁજી સેટેલાઇટ કે સ્પેસ થ્રોબ ગમે ત્યાં તમે ફીટ કરી શકો છો. બસ એ જ રીતે સિન્થેટિક બાયોલોજીસ્ટ એન્જાઇરસ (પ્રકીર્ણો)નો કેટલોક ભાગ, જીનેટિક સર્કિટ અથવા કોષોમાં થતી મેટાબોલીઝમ પ્રક્રિયાનો 'પાથ વે' તૈયાર કરી અન્ય હાલના સજીવો પાસે જે ગુણધર્મો નથી તેવા પેદા કરાવી શકાય. એકદમ સરળ ભાષામાં કહીએ તો મધમાખી જે રીતે મધ બનાવીને એકઠું કરે છે તેવું કાર્ય આપણા ઘરમાં ઉપદ્રવ ફેલાવતી માખી કે બગીચામાં ઉડતા પતંગિયા કરી શકતા નથી પરંતુ જો મધમાખી જેવી જીનેટિક સર્કિટ કે એન્ઝાઇમ્સને ડિઝાઇન કરી માખી કે પતંગિયાના કોષોમાં મૂકી શકાય તો તે જીવો એટલે કે માખી અને પતંગિયા પણ 'મધ' બનાવી એકઠું કરી આપી શકે. જીનેટિક્સ, બાયો ટેકનોલોજી અને જેનોમ ઉકેલવાનો નવી ટેકનોલોજી વૈજ્ઞાાનિકોને વધારે આશાવાદી બનાવી દીધા હતા પરંતુ હાલના સાયન્સનો 'સિનારિયો' કંઈક અલગ છે. જીવવિજ્ઞાાન અને એન્જિનિયરિંગનો અભ્યાસ નવા સંતાનો પેદાન કરી રહ્યો છે. વૈજ્ઞાાનિકો હવે પ્રયોગશાળામાં સિન્થેટિક એટલે કે પ્રયોગશાળામાં બનેલ ડીએનએનો ટુકડો વિકસાવી શકે છે આવા ટુકડાઓને સૂક્ષ્મ જીવો એટલે કે ખાસ કરીને બેક્ટેરિયામાં સુધારા વધારા કરીને નવા પ્રકારનું કાર્બનિક બળતણ અથવા તબીબી સારવાર માટે જરૃરી રસાયણ તેમની પાસે પેદા કરાવી શકે છે. સિન્થેટિક બાયોલોજીનો એકમાત્ર મકસદ જ્યોર્જ મર્ચની ભાષામાં કહીએ તો હેતુપૂર્ણ રીતે કુદરતમાં મળી આવતા ડીએનએને એન્જિનિયરિંગ ટેકનોલોજીથી કૃત્રિમ રીતે પ્રયોગશાળામાં સર્જીને અન્ય ૂસૂક્ષ્મ જીવોમાં ગોઠવવાનો છે. જો 'યીસ્ટ' નામની ફુગ દૂધમાંથી દહીં બનાવવામાં ભાગ ભજવી શકતી હોય તો શેરડીના રસ કે મકાઈના દાણામાંથી પેટ્રોલ પણ બનાવી શકાય તે માટે કેટલાક બેક્ટેરિયાના ડીએનએમાં વધારાના બ્લોક ગોઠવી આ કામ કરાવી શકાય. ૧૯૭૦ના દાયકાથી જીનેટિક એન્જિનિયરીંગમાં અવનવી શોધો થઈ રહી છે. પરંતુ, જેને ત્વરિત આવિષ્કાર અથવા વિજ્ઞાાનની ભાષામાં 'બ્રેક થુ્ર' કરીએ તેવી શોધો થવાનો સમય હવે પાકી રહ્યો છે. ડીએનએ ઉકેલવાનું અને તેનું કૃત્રિમ સ્વરૃપ વિકસાવવાનું હવે સરળ અને સસ્તું બન્યું છે. કારણ કે 'કોમ્પ્યુટરનો પાવર' ખરા અર્થમાં હવે વધી ગયો છે. દાયકાઓ પહેલાં જે સિકવન્સ ઉકેલતા મહિનાઓ લાગતા હતા તે કામ હવે મિનિટોમાં કોમ્પ્યુટર કરી આપે છે. બાયોલોજીસ્ટોની લેબોરેટરીમાં હવે કોમ્પ્યુટર સાયન્ટીસ્ટ એક આવશ્યક જરૃરિયાત બની ગયા છે. કોષોનું રી-પ્રોગ્રામિંગ કરી હવે આસાનીથી ડીએનએ સ્વીચ ઓન-ઓફ થઈ શકે છે જેથી સજીવના કોષમાં રહેલ જમીનો, સાયન્ટીસ્ટની સુવિધા પ્રમાણે 'ઓન'કે ઓફ થઈ શકે છે. કોમ્પ્યુટર પ્રોસેસીંગના 'મુર્સ લો' પ્રમાણે દર દોઢ કે બે વર્ષના ગાળામાં કોમ્પ્યુટર ચીપનું પરફોર્મન્સ ક્લબ થઈ જાય છે તેમ ડીએનએનું ડીકોડીંગ અને પ્રયોગશાળામાં સિન્થેટીક વર્ઝન બનાવવા માટે પણ બમણો લાભ મળી રહ્યો છે. ટૂંકમાં સાઇના પ્રોગ્રામીંગ કોડને હવે વધારે આસાનીથી 'રિડ' કે 'હાઇડ' કરી શકાય છે. કોડ રાઇટર કમ રિડરની સ્પીડ હવે ખૂબ જ વધી ગઈ છે. સિન્થેટીક બાયોલોજીની હાલની મુખ્ય સમસ્યા તેને પ્રેક્ટીકલ ટેકનોલોજીમાં ફેરવવાની છે. બેક્ટેરિયા કે યીસ્ટમાં ફેરફાર કરીને બળતણ કે રસાયણ પેદા કરી શકાય છે. પરંતુ સૂક્ષ્મ સજીવોમાં આ બાયોલોજીકલ પ્રોસેસને મહત્તમ ઉત્પાદન માટે પરિપૂર્ણ બનાવવામાં જ મોટી મુશ્કેલી છે. જો ટૂંકા ગાળામાં મહત્તમ ઉત્પાદન મેળવી શકાય તો સિન્થેટિક બાયલોજીની સફળતા ગણાય. બેક્ટેરિયાનું રિ-પ્રોગ્રામીગ કર્યા પછી એક મહિને માત્ર એકાદ લીટર પેટ્રોલ બનાવી શકાય તો, તેનું કોમર્શિયલ પ્રોડક્ટ કોઈ 'મૂલ્ય' બચતું નથી. આ પણ એક પ્રકારની નિષ્ફળતા જ છે. જ્યોર્જ મર્ચની લેબોરેટરીમાં ડીએનએના એકાનેક ડીએનએ સ્ટ્રીંગ તૈયાર કરી બેક્ટેરિયાના જેનોમમાં ગોઠવી શકાય છે. આ સંશોધકના એક પ્રયોગમાં સંશોધકોએ એક દિવસમાં ઇ-કોલી બેક્ટેરિયાના ચાર અબજ જેવા અલગ અલગ સ્વરૃપ વિકસાવ્યા હતા. ત્રણ દિવસ પછી ખબર પડી કે જે ઇચ્છિત રસાયણ પેદા કરવા જે બક્ટેરિયા તૈયાર કર્યા હતા તેઓએ તેમના ઉત્પાદનમાં પણ પાંચ ગણો વધારો કર્યોહતો. ૧૯૭૦ના દાયકામાં જીન સ્પાઇસિંગ ટેકનિક વડે બેક્ટેરિયાનું ડીએનએ ખોલી તેમાં ઇન્સ્યુલીન બનાવી શકે તેવા જનીન ઉમેરવામાં આવ્યા હતા. આ પ્રકારનું સિમ્પલ વર્ક અને ટેકનોલોજી આજની બાયોટેક ઇન્ડસ્ટ્રી ચલાવે છે પરંતુ સિન્થેટિક બાયોલોજીસ્ટ કહે છે આ કામમાં વૈજ્ઞાાનિકોએ બહુ મોટી ધાડ મારી નથી. બોસ્ટન યુનિ.ના જેમ્સ કોલીન્સ નામના બાયો એન્જીનીયર સિન્થેટિક બાયોલોજી ક્ષેત્ર ઇ.સ. ૨૦૦૦ની સાલથી કાર્યરત છે. બેક્ટેરીયામાં કોઈ એક જીન દાખલ કરવાની વાતને તેઓ કોઈ મોટું રિઅલ એન્જિનિયરીંગ ગણતા નથી. જેમ્સ કોલીન્સ કહે છે કે વૈજ્ઞાાનિકો એકાદ જનીનને ટ્રાન્સફર કરે છે એ ઇલેક્ટ્રીક સર્કિટમાં લાલ બલ્બને કાઢીને લીલો બલ્બ ગોઠવવા જેવી પ્રક્રિયા છે. એટલે તે સિંગલ જનીન લેવલે કામ કરવું એ બાયોલોજીસ્ટો માટે સ્ટાર્ટિંગ પોઇન્ટ હતો. ૧૯૯૦ના દાખલામાં હ્યુમન જેનોમનું સિકવન્સીંગ જોરશોરથી ચાલતું હતું. દર બીજા ત્રીજા મહિને 'સાયન્સ' મેગેઝીનના કવરપેજઉપર 'નવા જનીનની શોધ'ના સમાચાર રહેતા હતા ડીએનએના મ્હીનો નામના ટુકડાઓનો કોમ્પ્યુટર ડેટાબેઝમાં જમાવ થતો હતો. હવે વૈજ્ઞાાનિકો જાણી ચૂક્યા છે કે આ બધા ટુકડાઓ ભેગા થઈને કઈ રીતે કામ કરે છે ! કોલની આખી સેલ્યુલર પ્રોસેસ્ટ જનીનોના આખા નેટવર્ક ઉપર કામ કરે છે. બે આ નેટવર્કમાં સિંગલ જનીન નહીં પરંતુ વધારે જનીન સાથે કામ કરી શકાઈ છે. ધારી લો કે એક બેક્ટેરિયામાં બે અલગ અલગ પ્રકારના જનીનો છે જે અલગ અલગ પ્રકારનું પ્રોટીન બનાવે છે. વૈજ્ઞાાનિકોએ સિન્થેટિક બાયોલોજીની કમાલથી એવી 'ટોગલ' સ્વીચ શોધી છે કે એ જનીન 'ઓન' હોય ત્યારે બીજા જનીનને 'ઓફ' કરી નાખ છે. આ 'ટોગલ' સ્વીચને ખાસ પ્રકારના રસાયણ કે થર્મલ પાન્સ (ઉષ્મા ધબકાર) આપી વિપરીત દિશામાં વાપરી શકાય છે. ડીએનએની 'ટોગલ' સ્વીચ આજની ઇલેક્ટ્રોનિક સર્કિટમાં કામ કરતા ટ્રાન્સમીટર જેવી છે. જેમાં ખાસ પ્રકારની માહિતનો સંગ્રહ થઈ શકે છે. કોષની નેટવર્કમાં તે ખાસ પ્રકારનો 'લુપ' તૈયાર કરે છે જેના દ્વારા કોષ નક્કી કરી શકે છે કે કોષનો વિકાસ કરવો છે ? તેનું વિભાજન કરવું છે કે પછી તે કોષનું 'મૃત્યુ' એટલે કે નાશ કરવો છે આવા નોવેલ આઇડિયાના કારણે 'ખાસ પ્રકાર'ની ડીએનએ સર્કીટ બનાવી શકાઈ છે. જેનો શ્રેય જાય છે સિન્થેટિક બાયોલોજીના ખભા ઉપર. આવી સર્કિટ વાપરીને વૈજ્ઞાાનિકો બાયોસેન્સર, ઓસીલેટર, બેક્ટેરીયલ કેલ્ક્યુલેટર અને નવા મોલેક્યુલર ગેઝેટ બનાવી શકે છે. સિન્થેટિક બાયોલોજીસ્ટોએ આવા સ્ટાન્ડર્ડ બાયોલોજી પાર્ટસનું એક આખું કેટલોગ બનાવ્યું છે જેમાં આજની તારીખે ૭,૧૦૦ જેટલા ડીએનએ સ્ટ્રક્ચર છે જે ઓર્ડર આપી પ્રયોગશાળામાં 'મેઇડ ટુ ઓર્ડર' ધોરણે મેળવી શકાય છે. ભૂતકાળમાં સિન્થેટિક બાયોલોજીનો વ્યાપારી પાક ઉતારવા ઘણી બધી કંપનીઓન મેદાનમાં ઉતરી હતી. જ્યોર્જ મર્ચ અને અન્ય સાથીદારોએ કોડોન ડિવાઇસ નામની કંપની સ્થાપી હતી જે ૨૦૦૪માં શટડાઉન થઈ ગઈ હતી. જો કે તેનું નવું સાહસ વાર્પ ડ્રાઇન બાયો તરીકે ઓળખાય છે જેમાં વિજ્ઞાાન, રસાયણશાસ્ત્ર અને જીનેટિક એન્જિનિયરીંગને એક તાંતણે બાંધવામાં આવ્યા છે. હવે આધુનિક અલ્ટ્રાફાસ્ટ ડીએનએ સિકવન્સિંગ અને સિન્થેટિક બાયોલોજીનું ટેકનિક વડે વિવિધ રોગો માટે ડ્રગ્સ પેદા કરી શકાય તેમ છે. દાયકાઓ પહેલાં દવાઓ ઉત્પાદન કરનારી કંપનીઓ એ જે પર્યાવરણ આધારિત સેમ્પલો એકઠા કર્યા છે. તેનો ડેટાબેઝ હવે કામમાં લાગે તેવો 'ખજાનો' બની ગયો છે. વૈજ્ઞાનિકો હવે કુદરતી પર્યાવરણમાં જીવતા સજીવોનો જેનોમ ઉકેલી તેમાંથી જીનેટિક નેટવર્કના 'પાર્ટસ' અલગ પાડવાનું શીખવી રહ્યા છે કુદરતે લાખો સજીવોમાં 'બાયોલોજીકલ' પ્રોસેસ માટે કરોડો પ્રોગ્રામીંગની ક્લિપો ગોઠવીને આખી સિસ્ટમ ઉભી કરી છે. હવે માત્ર ડીએનએ કે જનીનોની ઓળખ મેળવીએ કે ઉકેલીએ તેટલું પૂરતું નથી. સજીવ સિસ્ટમમાં જનીનોની નેટવર્કમાં ક્યાં ફીટ થઈ આ સિસ્ટમ કઈ રીતે કામ કરે છે ? તે સમજવું પણ જરૃરી છે પ્રયોગશાળામાં આવા કુદરતે તૈયાર કરેલ જીનેટિક પાર્ટસનું સિન્થેટિક વર્ઝન તૈયાર કરવું તેના કારણે આસાન બની જશે. અમેરિકાના યુ.એસ. નેશનલ ઇન્સ્ટીટયૂટ ઓફ હેલ્થના ભૂતપૂર્વ હેડ ઓફ ડિપાર્ટમેન્ટ એલિયાસ ઝેરહોની કુદરતમાં ઉપલબ્ધ ડીએનએ પાર્ટના ખજાનાનો ઉપયોગ કરવાના 'આઇડિયા'થી ખૂબ જ ખુશ છે. ગ્રેગરી વરડાનિ નામના વૈજ્ઞાાનિક કહે છે કે, 'ઉત્ક્રાંતિના લાંબા ગાળામાં' કુદરતે ઘણી બધી બાયોલોજીકલ સિસ્ટમ સુધારીને પર્યાવરણને અનુરૃપ બનાવી છે. આ સિસ્ટમમાં જનીનો એવા રસાયણો તૈયારર કરે છે જે ઇચ્છિત ચોક્કસ પ્રકારના બાયોલોજીકલ ટાર્ગેટ ઉપર સલામત અને સચોટ રીતે કામ કરે છે. છેલ્લા ૩૦- ૩૫ વર્ષમાં પ્રયોગશાળામાં બનેલ દવાઓ, કુદરતી રીતે વિવિધ સજીવો દ્વારા પેદા કરવામાં આવતી 'નેચરલ' પ્રોડક્ટનું આધુનિક રૃપાંતર માત્ર છે. ઉત્ક્રાંતિ દરમ્યાન આવા રસાયણોની અનોખી લાક્ષણિકતાઓ મનુષ્યના શરીર જેવી જટીલ 'કોષ' સિસ્ટમમાં સરળતા અને સફળતાથી કામ કરવા માટે સ્યુટેબલ બનાવ્યા છે. હવે ડીએનએ સિક્વન્સિંગનો ખર્ચ પોષાય તેવો બની રહ્યો છે. ત્યારે સજીવના સંપૂર્ણ જીનેટિક મટીરીઅલ્સનું ડિકોડીંગ કરવું પણ આસાન બની રહ્યું છે. વૈજ્ઞાાનિકો હિપેટાઇટીસ 'સી' વાયરસનોઆખો જેનોમ કૃત્રિમ રીતે પ્રયોગશાળામાં બનાવી ચૂક્યા છે. અન્ય સંશોધકોએ ૭૭૪૧ બેઝ વાપરીને પોલીયો વાયરસનું કૃત્રિમ સ્વરૃપ બનાવું છે. છેલ્લે ૨૦૦૬માં જે ફેના વેન્ચરે બેક્ટેરિયામાં પ્રયોગશાળામાં પેદા કરેલા કૃત્રિમ જેનોમ ઉમેરી સિન્થેટિક સેલ પેદા કરી બતાવ્યા ત્યારે પણ બાયોલોજીની દુનિયામાં ભૂકંપ જેવો આંચકો લાગ્યો હતો. આ 'સિન્થેટિક સેલ'' પેદા કરવામાં ચાર કરોડ ડોલરનો ખર્ચ થયો હતો. આજે કેટલીક સિન્થેટિક બાયોલોજી સાથે સંકળાયેલ કંપની એક બેઝ પેરના એક ડોલરના ભાવે કૃત્રિમ જીનેટિક સિકવન્સ બનાવી આપે છે. એટલે હવે લાગે છે કે સિન્થેટિક બાયોલોજીની સફળતાનો સમય પાકી ગયો છે.