सामग्री, ऊर्जा और खाद्य उद्योगों के लिए बायोटेक्नोलॉजी क्रांति

चिकित्सा क्षेत्र से परे बायोटेक्नोलॉजी

बायोटेक्नोलॉजी क्षेत्र में अधिकांश ध्यान दवा और फार्मास्यूटिकल्स की ओर केंद्रित है। कारण स्पष्ट हैं: बायोटेक्नोलॉजी दुर्लभ और दीर्घकालिक रोगों को समाप्त कर सकती है, उम्र बढ़ने से लड़ सकती है, और कैंसर तथा संक्रामक रोगों का इलाज कर सकती है।

यह एक अत्यधिक लाभदायक क्षेत्र है, जिसमें दुनिया की कई बड़ी कंपनियां फार्मास्यूटिकल सेक्टर पर केंद्रित हैं।

हालांकि, बायोटेक्नोलॉजी का यह एकमात्र अनुप्रयोग क्षेत्र नहीं है। अंततः, बायोस्फीयर मूलतः नैनोमशीनों (प्रोटीन और कोशिकाओं) का समूह है जो सूर्यप्रकाश और हवा को सामग्री, भोजन और ऊर्जा में परिवर्तित कर सकते हैं। यहाँ तक कि संपूर्ण जीवाश्म ईंधन उद्योग भी पिछले कई मिलियन वर्षों की जैविक गतिविधियों से कोयला, तेल और गैस के निर्माण पर आधारित है।

इसलिए, जीवन पर हमारी बढ़ती पकड़, जेनेटिक और आणविक स्तर तक, जल्द ही कई औद्योगिक प्रक्रियाओं को अधिक सतत बायोटेक्नोलॉजी-आधारित तकनीकों से बदल सकती है।

खाद्य उत्पादन

बायोटेक्नोलॉजी का पहला गैर-चिकित्सा क्षेत्र जहाँ यह सीधे लागू होती है, वह कृषि उत्पादन है। जीएमओ फसलों को अब दशकों का समय हो गया है और वे तेजी से अधिक सतत और कम विवादास्पद बनने की दिशा में सुधार कर रही हैं।

कृषि बायोटेक्नोलॉजी का अनुमान 2023 में $79.9 बिलियन से बढ़कर 2028 तक $119.6 बिलियन हो जाएगा.

एक सरल अनुप्रयोग नई फसल किस्मों का विकास है जो रोगों और कीटों के प्रति प्रतिरोधी हों या सूखा, गर्मी की लहरें, बाढ़ और अन्य जलवायु व्यवधानों के प्रति अधिक सहनशील हों।

एक और संभावना पौधों पर, पौधों के भीतर और मिट्टी में बैक्टीरिया और सूक्ष्मजीवों को बदलना है। इससे रासायनिक उर्वरकों और कीटनाशकों की आवश्यकता को बैक्टीरिया से बदल दिया जा सकता है। हमने अपने लेख में बताया कि हम पौधा माइक्रोबायोम को कैसे बदल सकते हैं “इंजीनियर्ड प्लांट माइक्रोबायोम—बैक्टीरिया से फसलों की सुरक्षा।”

स्रोत: Energy.gov

इस क्षेत्र में कुछ प्रमुख कंपनियां उभरी हैं, विशेष रूप से बायर (BAYRY)। यह कंपनी फार्मास्यूटिकल और कृषि कंपनियों के बीच की धुंधली सीमा का एक उदाहरण है, जो दोनों क्षेत्रों में सक्रिय है।

हमने इस विषय और बायर पर अपने लेखों “एडवांसिंग एग्रीकल्चर विथ एआई एंड जेनिटिक इंजीनियरिंग – द फ्यूचर ऑफ कल्टिवेशन” और “मिनिक्रोमोसोम टेक्नोलॉजी – द बेस्ट वे टू सस्टेनेबल ग्रोथ इन क्रॉप यील्ड?” में चर्चा की थी।

वैकल्पिक खाद्य पदार्थ

जीन संपादन का उपयोग नई प्रकार के खाद्य पदार्थ बनाने के लिए भी किया जा सकता है। उदाहरण के तौर पर, खरपतवार से पूरी तरह नई फसलें बनाना एक विकल्प हो सकता है।

मशरूम के जीनोम को बदलकर ऐसे मांस विकल्प बनाए जा सकते हैं जो मांस जैसा महसूस हों और स्वाद भी, साथ ही बेहतर स्वास्थ्य प्रोफ़ाइल रखें।

बायोफ्यूल्स और ऊर्जा

यदि पौधे लाखों साल पहले जीवाश्म ईंधन के मूल स्रोत थे, तो क्या ताज़ा उगाए गए बायोमास भविष्य में हमें ऊर्जा प्रदान कर सकते हैं?

यह बायोफ्यूल्स का वादा है। बायोफ्यूल्स की पहली दो पीढ़ियों ने केवल पारंपरिक खेती के उत्पादों का उपयोग किया (पहली पीढ़ी में मक्का जैसे खाद्य उत्पाद, दूसरी पीढ़ी में कृषि अपशिष्ट)।

लेकिन बायोफ्यूल्स की तीसरी पीढ़ी कस्टम जीवों का उपयोग करके सीधे ईंधन उत्पादन को अधिक कुशल बनाना चाहती है, साथ ही खाद्य उत्पादन और मीठे पानी की आपूर्ति पर दबाव कम करती है।

बायोफ्यूल्स अक्सर एथेनॉल होते हैं, लेकिन इसमें अन्य कई अणु भी शामिल हो सकते हैं, जैसे दीर्घ श्रृंखला वाले फैटी एसिड (तेल के समान), बायोगैस, हाइड्रोजन और अमोनिया।

एक विकल्प एल्गी का उपयोग करना है, जिसे समुद्र या रेगिस्तान में समुद्री जल के साथ उगाया जा सकता है। हमने इस संभावना का अन्वेषण “एल्गल बायोफ्यूल: द नेक्स्ट एनर्जी रेवल्यूशन?” में किया था।

स्रोत: Exxon

एक और विकल्प यह हो सकता है कि ज्ञात जीवों जैसे यीस्ट को प्रकाशसंश्लेषी मशीनों में बदल दिया जाए, जैसा कि हमने “लाइट हैप्पी यीस्ट हमारे बायोफ्यूल्स के दृष्टिकोण को बदल सकता है” में जांचा था।

अंत में, बायोटेक्नोलॉजी और नैनोटेक्नोलॉजी का संयोजन चौथी पीढ़ी के बायोफ्यूल्स बना सकता है। इसे कभी-कभी “फोटोबायोलॉजिकल सोलर फ्यूल” भी कहा जाता है। यह संपूर्ण जीवों की आवश्यकता को बायपास करेगा और नैनोटेक्नोलॉजी के माध्यम से बड़े पैमाने पर जैविक प्रकाशसंश्लेषण को पुनः निर्मित करेगा।

जलवायु परिवर्तन

जबकि बायोफ्यूल्स वैश्विक तापमान में कमी लाने और जीवाश्म ईंधन के उपयोग को घटाने में महत्वपूर्ण योगदान दे सकते हैं, यह बायोटेक्नोलॉजी के मदद करने का एकमात्र तरीका नहीं है।

“ग्लोबल वार्मिंग सॉल्यूशन्स पर काम करने वाले बायोटेक स्टॉक्स में निवेश” में हमने कुछ अन्य संभावनाओं पर चर्चा की थी:

• कार्बन कैप्चर, जिसमें जीन-परिवर्तित पेड़, बायोचार (कोयले और मिट्टी में कार्बन को फँसाना), केल्प समुद्री शैवाल फार्म, समुद्र के माइक्रोएल्गी को लोहा देकर उर्वरक देना आदि शामिल हैं।
• कृषि में ग्रीनहाउस गैसों के उत्सर्जन को कम करना।
• बायोरिएक्टर में महंगे यौगिक जैसे परफ्यूम, मसाले और फार्मास्यूटिकल उत्पाद बनाना, बजाय पौधों और जानवरों की कटाई के।
• भू-आधारित या इनडोर खेती करके भूमि और जल संसाधनों पर दबाव कम करना।

स्रोत: Medium

सामग्री और औद्योगिक आपूर्ति

लकड़ी

सबसे प्राचीन बायोमैटेरियल्स में से एक, लकड़ी, आज की आधुनिक अर्थव्यवस्थाओं में अभी भी एक महत्वपूर्ण सामग्री है। लकड़ी और वन उद्योग 2024 में $1.16 ट्रिलियन का विशाल उद्योग है।

उनकी धीमी वृद्धि और पीढ़ियों के बीच लंबी अवधि के कारण, पेड़ों को लंबे समय से जीन इंजीनियरिंग कार्यक्रमों से बाहर रखा गया है।

बेहतर जीनetics लकड़ी उत्पादन और कार्बन कैप्चर को बढ़ा सकते हैं।

यह “ट्री फार्मिंग” के नए रूप भी बना सकता है, जहाँ पेड़ों का उपयोग नई मूल्यवान यौगिकों, जैसे फार्मास्यूटिकल्स से लेकर रसायनों तक, के उत्पादन में किया जाता है।

स्रोत: Modern Agriculture

इन अवधारणाओं को पारिस्थितिक तंत्र की समझ में हुई प्रगति के साथ एकीकृत किया जाएगा, जैसे एग्रोफॉरेस्ट्री, फूड फॉरेस्ट्स, और अनुकूलित बहु-प्रजाति वननिर्यात, जो उत्पादन और पारिस्थितिक लाभ दोनों को बढ़ाते हैं।

अंत में, लकड़ी अपेक्षा से कहीं अधिक शक्तिशाली सामग्री हो सकती है। शोधकर्ता पाते हैं कि क्षारीय स्थितियों, उच्च तापमान और बायोपॉलिमर लकड़ी को “ऑगमेंटेड वुड” में बदल सकते हैं, जिसकी शक्ति स्टील के बराबर और कठोरता कंक्रीट से 23 गुना अधिक हो सकती है। “ऑगमेंटेड वुड”

बायोप्लास्टिक्स और बायोकेमिकल्स

जीवाश्म ईंधन की खपत का एक बड़ा हिस्सा, साथ ही एक प्रमुख प्रदूषण स्रोत, प्लास्टिक उत्पादन को समर्पित है, जो 2050 तक तेल और गैस की खपत का 20% तक पहुंच सकता है।

यह एक महत्वपूर्ण समस्या है क्योंकि हम समझने लगे हैं कि माइक्रोप्लास्टिक हमारे शरीर में और यहाँ तक कि वर्षा जल में भी सर्वव्यापी हो रहे हैं।

जीवाश्म ईंधन-आधारित प्लास्टिक को बायोप्लास्टिक से बदलना एक कठिन कार्य है, जिसके लिए अभी भी बहुत सी रासायनिक इंजीनियरिंग की आवश्यकता है। लेकिन यह किया जा सकता है और संभवतः आवश्यक है यदि हम प्लास्टिक का उपयोग जारी रखना चाहते हैं बिना हमारे पर्यावरण को अपरिवर्तनीय रूप से प्रदूषित किए।

हम “प्लास्टिक के लिए इको-फ्रेंडली विकल्प: स्थिरता प्रयासों की कुंजी – क्या बायोडिग्रेडेबल प्लास्टिक एक समाधान है?” में इस क्षेत्र की तकनीकी चुनौतियों और नवीनतम नवाचारों पर चर्चा करते हैं। और इस क्षेत्र की प्रमुख कंपनियों को “टॉप 5 बायोप्लास्टिक कंपनियां” में दर्शाया गया है।

बायो-आधारित विकल्प अन्य क्षेत्रों में भी मिल रहे हैं। उदाहरण के लिए, गोंद में जहरीले फॉर्माल्डिहाइड को लिग्निन से बदला जा सकता है। या कैसे भांग (गैर-नशेड़ी कैनाबिस पौधे) से बने पैनल इमारतों की थर्मल इन्सुलेशन के लिए उपयोग किए जा सकते हैं।

टेक्सटाइल फाइबर्स

शोधकर्ताओं ने रेशम के कीड़े को इस तरह इंजीनियर किया है कि वे बड़े पैमाने पर स्पाइडर सिल्क उत्पन्न कर सकें, जो एक फाइबर है जो बुलेटप्रूफ वेस्ट में उपयोग किए जाने वाले केव्लर से 6 गुना अधिक मजबूत है। इसे एयरोस्पेस और सैन्य अनुप्रयोगों, साथ ही सर्जिकल स्यूचर में उपयोग किया जा सकता है। स्पाइडर सिल्क को रोबोटिक मसल्स में भी उपयोग किया जा सकता है।

प्रदूषण सुधार और पर्यावरण

प्लास्टिक-खाने वाले बैक्टीरिया

प्लास्टिक प्रदूषण को एक अन्य तरीके से भी हल किया जा सकता है। Carbios, एक फ्रेंच स्टार्टअप ने एक बैक्टीरिया की पहचान की है जिसमें संशोधित एंजाइम है जो प्लास्टिक को पचा सकता है।

एक अन्य कंपनी, Epoch Biodesign प्रोटीन बनाती है जो डिटर्जेंट, पेंट, एग्रोकैमिकल, प्लास्टिक आदि को विघटित करने में सक्षम हैं।

यहाँ तक कि पौधे और कवक भी प्लास्टिक के विघटन में योगदान दे सकते हैं, जिससे प्रदूषण सुधार के उपलब्ध समाधान बढ़ते हैं।

शेल तेल अपशिष्ट जल की सफाई

हाल ही में, मानव स्वास्थ्य के लिए विकसित किए गए उभरते बायोटेक क्षेत्रों का एक नया अनुप्रयोग प्रकट हुआ।

शेल तेल उत्पादन के अपशिष्ट जल को प्रोसेस करने से उत्पन्न प्रदूषण को कम करने में शोधकर्ताओं ने बैक्टीरियोफेज का उपयोग किया। हमने इस पर विस्तार से चर्चा की कि यह कैसे काम करता है “बैक्टीरियोफेज शैलिंग द्वारा उत्पन्न हानि को कम कर सकते हैं, एक विवादास्पद प्रथा”。

मृत प्रजातियों को पुनर्जीवित करना

प्लास्टिक प्रदूषण या जलवायु परिवर्तन मानव गतिविधियों के एकमात्र नकारात्मक प्रभाव नहीं हैं। कई प्रजातियां या तो विलुप्ति के खतरे में हैं या सदियों या हजारों साल पहले समाप्त हो गई थीं।

“बायोटेक में प्रगति द्वारा संरक्षण प्रयासों को बढ़ावा – व्हाइट राइनोस नवीनतम लाभार्थी” में हमने देखा कि कृत्रिम प्रजनन और जीन इंजीनियरिंग की नवीनतम प्रगति कैसे सफेद गैंडे जैसी लुप्तप्राय प्रजातियों को बचा सकती है, और शायद वूल्ली मैमथ जैसी प्रजातियों को फिर से जीवित कर सकती है।

स्रोत: Colossal

डीएनए डेटा स्टोरेज

बायोटेक्नोलॉजी का एक नया अप्रत्याशित क्षेत्र डेटा स्टोरेज हो सकता है, जो अब तक अर्धचालकों के लिए आरक्षित रहा है। हालांकि, डीएनए वास्तव में जानकारी के लिए अत्यंत घना माध्यम है, जिसकी सूचना घनत्व 1.47 टेराबिट/mm² या 950 टेराबिट/in² है, जो हार्ड डिस्क ड्राइव की घनत्व से 800 गुना अधिक है।

यह बहुत लंबे समय तक स्थिर रहने का अनूठा लाभ भी रखता है, जबकि महंगे या प्रदूषित सामग्री की आवश्यकता नहीं होती। स्टोरेज को ऊर्जा की भी आवश्यकता नहीं होती।

लागत में कमी और सिंथेटिक डीएनए संश्लेषण की सटीकता में सुधार ने अब उच्च गुणवत्ता वाला डीएनए स्टोरेज संभव बना दिया है।

एक समस्या सामग्री को पढ़ना है, जो अर्धचालक सब्सट्रेट पर लिखे डेटा से काफी अधिक जटिल है। इसलिए, संभावना है कि डीएनए स्टोरेज केवल अभिलेखीय डेटा और अन्य कम उपयोग किए जाने वाले डेटा तक सीमित रहेगा।

DNA डेटा स्टोरेज अलायंस हाल ही में बना है और इसमें डीएनए संश्लेषण कंपनी Twist Biosciences, जीनोमिक सीक्वेंसर कंपनी Illumina, डेटा स्टोरेज कंपनी Western Digital (WDC ), Microsoft (MSFT ), Lenovo, और कई अन्य शामिल हैं।

गैर-फार्मा बायोटेक्नोलॉजी कंपनियां

1. Ginkgo Bioworks

कंपनी विशिष्ट अनुप्रयोगों के लिए ऑन-डिमांड जीव बनाती है। इनमें बायोमेडिकल अनुप्रयोग और कई औद्योगिक एवं सामग्री विज्ञान कार्यक्रम शामिल हैं।

Ginkgo बिल्कुल वही प्रकार की कंपनी है जिसे बड़े औद्योगिक समूह बायोफ्यूल उत्पादन के लिए कस्टम यीस्ट इंजीनियरिंग हेतु चुन सकते हैं। यही बात मूल्यवान जटिल रसायनों या प्रदूषण-निवारण विधियों के लिए भी लागू होती है।

Ginkgo Bioworks (DNA ) ने कई शोध कार्यक्रमों और साझेदारियों के साथ अपने अनुप्रयोगों को व्यापक रूप से विविधीकृत किया है:

• कैनाबिनॉइड्स
• mRNA वैक्सीन उत्पादन और न्यूक्लिक एसिड दवाएं
• खाद्य प्रोटीन
• बायोलॉजिकल उर्वरक उत्पादन (बायर के साथ साझेदारी में)
• आंत रोगों के लिए प्रोग्रामेबल माइक्रोब्स
• माइक्रोप्लास्टिक बायोरिमेडिएशन
• बायोसेक्योरिटी और रोगजनकों का पता लगाना
• कचरा और प्रदूषकों का पुनर्चक्रण

यह कंपनी विकास प्रक्रिया के लिए अग्रिम भुगतान और फिर तैयार उत्पाद पर रॉयल्टी के माध्यम से आय अर्जित करती है।

Ginkgo की साझेदारियां लगातार विस्तार कर रही हैं, जिसमें:

• नोवो नॉर्डिस्क के साथ बढ़ती साझेदारी।
• जापानी ट्रेडिंग कंपनी सोजिट्ज़ कॉरपोरेशन के साथ साझेदारी।
• डार्पा फंडिंग नई प्रोटीन के लिए जो अत्यधिक ठंडे मौसम में बर्फ को नियंत्रित कर सके।
• $331 मिलियन के सौदे फ़ाइज़र के साथ।
• $490 मिलियन का सौदा मर्क के साथ बायोलॉजिक निर्माण को अनुकूलित करने के लिए।
• $406 मिलियन का सौदा बोहरिंगर इंगेलहाइम के साथ अ-ड्रग्गेबल टार्गेट्स के लिए।

Ginkgo Bioworks सभी प्रमुख कृषि कंपनियों के साथ साझेदारी करता है, जिनमें से अधिकांश बायोफ्यूल उत्पादन और माइक्रोबायोलॉजी में रुचि रखते हैं। इनमें बायर, कार्गिल, सायजेंटा, कोर्टेवा, ADM, एक्सैक्टा आदि शामिल हैं।

स्रोत: Gingko Bioworks

2. Bayer Crop Science  (BAYRY)

Bayer Crop Science, Bayer Global (जो एक फार्मास्यूटिकल कंपनी भी है) का हिस्सा है, और यह बीज, विशेषताओं और फसल सुरक्षा के आसपास नवाचारों पर केंद्रित है।

Bayer के नवाचारों ने उसके बायोटेक्नोलॉजी वैज्ञानिकों को पौधे के डीएनए में लक्षित सुधार करने में मदद की है।

Monsanto के साथ विलय के बाद, यह जीएमओ फसलों और खरपतवार प्रबंधन में भी अग्रणी है। इस विलय के साथ बहुत महंगे राउंडअप मुकदमों की समस्या आई, जिससे विलय के बाद के वर्षों में कंपनी के शेयर गिर गए।

यह पारंपरिक जीएमओ बीज बाजार का अधिकांश हिस्सा नियंत्रित करता है और मक्का, सोयाबीन, गेहूं आदि के अगले पीढ़ी के बीजों के लिए CRISPR का उपयोग करने पर भी काम कर रहा है।

Bayer के अनुसार, फसल सुरक्षा के लाभ अत्यधिक हैं। फसल सुरक्षा तंत्र विश्व स्तर पर लगभग 30 प्रतिशत कृषि उत्पादन को सुरक्षित रखता है, जो 550 मिलियन टन भोजन के बराबर है, जो 2 अरब से अधिक लोगों को खिलाने में सक्षम है।

स्रोत: Bayer

Bayer पारंपरिक जीएमओ से Gingko Bioworks (DNA) के साथ साझेदारी के माध्यम से आगे बढ़ रहा है, जो सबसे बड़ी सिंथेटिक बायोलॉजी कंपनियों में से एक है। यह साझेदारी माइक्रोऑर्गेनिज़्म के जीन संपादन के माध्यम से रासायनिक उर्वरकों के जैविक विकल्प विकसित करने पर केंद्रित है।

यह बीज विविधता और पौधों में जीन संपादन में अग्रणी है, जिसके पाइपलाइन में 500 से अधिक नई फसल किस्में हैं (और 2022 में 250 नई फसल पंजीकरण)।

कंपनी खेती में प्रौद्योगिकी को एकीकृत करने में भी अग्रणी है। उदाहरण के लिए, Bayer ने Microsoft के साथ साझेदारी की है ताकि तकनीकी दिग्गज की डेटा प्रबंधन प्रणाली Azure को Bayer की उपग्रह, फील्ड सेंसर, ड्रोन, फील्ड उपकरण और मिट्टी सेंसर से डेटा उपयोग करने की विशेषज्ञता के साथ मिलाकर वास्तव में आधुनिक और जुड़ी हुई खेती बनाई जा सके।

स्रोत: Bayer

जीएमओ (पारंपरिक और उन्नत जीन संपादन), पौधा विविधता चयन और खेती में बिग डेटा के एकीकरण में अपनी नेतृत्व के कारण, Bayer नई घरेलू फसलें बनाने की प्रक्रिया के साथ-साथ खेती रोबोट द्वारा खरपतवार की हाइपरस्पेक्ट्रल डिटेक्शन में एक स्वाभाविक उम्मीदवार होगा।