कोशिका विज्ञान, आनुवंशिकी एवं जैव प्रौद्योगिकी

अतः कोशिका सिद्धांत के तीन भाग हैं: (1) सभी जीव कोशिकाओं से बने हैं, (2) कोशिका जीवन की मूल संरचनात्मक व क्रियात्मक इकाई है, और (3) सभी कोशिकाएँ पूर्ववर्ती कोशिकाओं से बनती हैं। तीसरा भाग विर्चो का योगदान है — मूल श्लाइडेन–श्वान सिद्धांत यह नहीं बता पाया था कि नई कोशिकाएँ कैसे बनती हैं।

कोशिका झिल्ली (प्लाज्मा झिल्ली) प्रत्येक कोशिका में होती है और वरणात्मक पारगम्य होती है। इसकी मान्य संरचना सिंगर व निकोलसन (1972) द्वारा दिया गया तरल-मोज़ेक मॉडल है — फॉस्फोलिपिड की तरल दोहरी परत, जिसमें प्रोटीन मोज़ेक की पट्टियों की भाँति तैरते हैं। इसके विपरीत कोशिका भित्ति केवल पादप, कवक व जीवाणु में होती है: यह दृढ़, पूर्णतः पारगम्य होती है तथा आकार व सुरक्षा देती है।

कोशिका मनमाने ढंग से विभाजित नहीं होती। वह एक निश्चित कोशिका चक्र से गुजरती है: एक लंबी अंतरावस्था (interphase) (G1 → S → G2, जिसमें कोशिका बढ़ती है और S प्रावस्था में DNA की प्रतिलिपि बनती है) और उसके बाद एक छोटी M प्रावस्था (विभाजन)। चक्र का अधिकांश समय अंतरावस्था लेती है — कोशिका विभाजन से बहुत अधिक समय तैयारी में लगाती है।

• समसूत्री विभाजन की चार अवस्थाएँ क्रम में: पूर्वावस्था → मध्यावस्था → पश्चावस्था → अंत्यावस्था, इसके बाद कोशिकाद्रव्य विभाजन (cytokinesis)।
• मध्यावस्था में गुणसूत्र मध्य रेखा पर पंक्तिबद्ध होते हैं — तभी वे सर्वाधिक स्पष्ट दिखते हैं, इसलिए कैरियोटाइपिंग (गुणसूत्र गणना) के लिए यही अवस्था प्रयुक्त होती है।
• अर्धसूत्री I न्यूनकारी विभाजन है (समजात गुणसूत्र अलग होते हैं); अर्धसूत्री II समसूत्री जैसा होता है (सहोदर क्रोमैटिड अलग होते हैं)। पूर्वावस्था I की प्रसिद्ध पाँच उप-अवस्थाएँ: लेप्टोटीन, ज़ाइगोटीन, पैकीटीन, डिप्लोटीन, डायाकाइनेसिस — जीन विनिमय पैकीटीन में होता है।

दोनों श्रृंखलाएँ क्षारकों के बीच हाइड्रोजन बंधों से जुड़ी रहती हैं, और युग्मन कठोरता से पूरक होता है: एडेनिन का थाइमिन से युग्मन (A–T, दो हाइड्रोजन बंध) तथा ग्वानिन का साइटोसिन से युग्मन (G–C, तीन हाइड्रोजन बंध)। अतः चारगॉफ का नियम: किसी भी DNA में A = T तथा G = C। RNA में यूरेसिल (U) थाइमिन का स्थान लेता है, अतः युग्मन A–U होता है।

1. प्रतिकृतिकरण (replication) — DNA अपनी सटीक प्रतिलिपि बनाता है (अर्ध-संरक्षी: प्रत्येक नया अणु एक पुरानी श्रृंखला रखता है)। यह कोशिका विभाजन से पूर्व होता है।
2. अनुलेखन (transcription) — केंद्रक के भीतर DNA की एक श्रृंखला से mRNA बनती है।
3. अनुवादन (translation) — mRNA राइबोसोम तक जाती है, जहाँ प्रत्येक कोडॉन (तीन क्षारकों का त्रिक) पढ़ा जाता है और उससे मेल खाता अमीनो अम्ल जोड़ा जाता है, जिससे प्रोटीन बनती है। 20 अमीनो अम्लों के लिए 64 कोडॉन हैं; AUG प्रारंभ कोडॉन है।

DNA → RNA → प्रोटीन का यह एकतरफ़ा प्रवाह केंद्रीय सिद्धांत (central dogma) कहलाता है, जो फ्रांसिस क्रिक ने दिया। प्रसिद्ध अपवाद है रेट्रोवायरस (जैसे HIV), जो रिवर्स ट्रांसक्रिप्टेज़ एंजाइम से RNA से DNA की ओर उलटा चलता है।

• जीन DNA का वह खंड है जो एक उत्पाद का कोड रखता है; जीन गुणसूत्रों पर क्रमबद्ध रहते हैं।
• मनुष्य में 46 गुणसूत्र = 23 जोड़े होते हैं: 22 जोड़े अलिंगसूत्र (autosomes) + 1 जोड़ा लिंग गुणसूत्र। XX = स्त्री, XY = पुरुष — अतः संतान का लिंग पिता द्वारा निर्धारित होता है, क्योंकि केवल वही Y दे सकता है।
• उत्परिवर्तन (mutation) DNA अनुक्रम में अचानक परिवर्तन है। बिंदु उत्परिवर्तन एक ही क्षारक बदलता है (इसी से सिकल-सेल एनीमिया होता है); उत्परिवर्तजनों में एक्स-किरणें, पराबैंगनी किरणें व कुछ रसायन शामिल हैं। "उत्परिवर्तन" शब्द ह्यूगो द व्रीज़ ने दिया।

1. प्रभाविता का नियम — विपरीत युग्मविकल्पियों के जोड़े में संकर में केवल प्रभावी लक्षण दिखता है; अप्रभावी छिपा रहता है।
2. पृथक्करण का नियम (युग्मक शुद्धता का नियम) — युग्मक निर्माण के समय दोनों युग्मविकल्पी अलग हो जाते हैं, अतः प्रत्येक युग्मक केवल एक युग्मविकल्पी लेता है। इस नियम का कोई अपवाद नहीं।
3. स्वतंत्र अपव्यूहन का नियम — दो भिन्न लक्षण एक-दूसरे से स्वतंत्र रूप से वंशागत होते हैं। यह नियम द्विसंकर क्रॉस से आता है (पहले दो एकसंकर क्रॉस से आते हैं)।

एकसंकर क्रॉस एक बार हल कर लें तो अनुपात कभी न भूलेंगे। शुद्ध लंबे पौधे (TT) का शुद्ध बौने (tt) से क्रॉस कराइए। सभी F1 पौधे Tt व लंबे होते हैं — प्रभाविता। अब F1 में स्वपरागण कराइए: संतति होगी TT, Tt, Tt, tt। अतः F2 का लक्षणप्ररूपी अनुपात 3 लंबे : 1 बौना (3:1) और जीनप्ररूपी अनुपात 1 TT : 2 Tt : 1 tt (1:2:1) होता है। द्विसंकर क्रॉस (दो लक्षण साथ) में F2 लक्षणप्ररूपी अनुपात 9:3:3:1 होता है।

• परीक्षार्थ क्रॉस (test cross) — अज्ञात जीनप्ररूप वाले जीव का समयुग्मजी अप्रभावी (tt) से क्रॉस कराएँ। यदि सभी संतति लंबी हो, जनक TT था; यदि 1:1 अनुपात मिले, तो वह Tt था। (बैक क्रॉस किसी भी जनक के साथ किया क्रॉस है।)
• अपूर्ण प्रभाविता — कोई युग्मविकल्पी पूर्णतः प्रभावी नहीं, अतः संकर मध्यवर्ती होता है। मिराबिलिस जलापा (गुलअब्बास) व स्नैपड्रैगन में लाल × सफेद से गुलाबी मिलता है, और F2 अनुपात लक्षणप्ररूप व जीनप्ररूप दोनों में 1:2:1 होता है।
• सह-प्रभाविता — दोनों युग्मविकल्पी पूर्णतः व साथ-साथ अभिव्यक्त होते हैं। सर्वोत्तम मानव उदाहरण AB रक्त समूह है, जिसमें A व B दोनों प्रतिजन दिखते हैं।
• लिंग-सहलग्न वंशागति — X गुणसूत्र पर स्थित जीन। हीमोफीलिया (रक्त का न जमना) व लाल-हरा वर्णांधता X-सहलग्न अप्रभावी हैं, और इसीलिए पुरुषों में बहुत अधिक मिलते हैं: पुरुष में केवल एक X होता है, अतः एक ही दोषी युग्मविकल्पी प्रकट हो जाता है। स्त्री में दोष दोनों X पर होना आवश्यक है; एक पर होने पर वह केवल वाहक (carrier) होती है।

मानव ABO रक्त समूह बहु-युग्मविकल्पी (multiple alleles) का पाठ्यपुस्तकीय उदाहरण है: एक ही जीन के तीन युग्मविकल्पी — I^A, I^B व i हैं। I^A व I^B परस्पर सह-प्रभावी हैं और दोनों i पर प्रभावी हैं। अतः छह जीनप्ररूपों से चार लक्षणप्ररूप बनते हैं: A (I^A I^A या I^A i), B (I^B I^B या I^B i), AB (I^A I^B) व O (केवल ii)। इससे अलग, Rh कारक साधारण प्रभावी रूप में वंशागत होता है: Rh-पॉजिटिव, Rh-निगेटिव पर प्रभावी है।

DNA पढ़ना सीखने के बाद अगला चरण था उसे काटना, जोड़ना व प्रतिलिपि बनाना। यही है पुनर्योगज DNA (rDNA) प्रौद्योगिकी: प्रतिबंधन एंजाइम "आणविक कैंची" की तरह DNA को निश्चित पहचान-अनुक्रमों पर काटते हैं और चिपचिपे सिरे छोड़ते हैं; DNA लाइगेज़ वह "आणविक गोंद" है जो वांछित जीन को संवाहक (vector) — सामान्यतः जीवाणु के प्लाज्मिड — में जोड़ता है; फिर संवाहक को पोषक कोशिका में डाला जाता है, जो बढ़कर उत्पाद बनाती है। पहचाना गया पहला प्रतिबंधन एंजाइम EcoRI था, ई. कोलाई से। मानव इंसुलिन पहली व्यापक प्रयुक्त rDNA औषधि थी।

• PCR (पॉलिमरेज़ श्रृंखला अभिक्रिया) — कैरी मुलिस द्वारा आविष्कृत, यह DNA के अत्यंत छोटे टुकड़े की लाखों प्रतिलिपियाँ बनाती है, विकृतीकरण → तापानुशीतन → विस्तारण के बार-बार चक्रों से, ताप-स्थायी Taq पॉलिमरेज़ की सहायता से। यही RT-PCR जाँच, न्यायालयिक DNA मिलान व पितृत्व परीक्षण का आधार है।
• ऊतक संवर्धन व सूक्ष्मप्रवर्धन — चूँकि पादप कोशिकाएँ पूर्णशक्त (totipotent) होती हैं (एक कोशिका से पूरा पौधा बन सकता है), पोषक माध्यम पर उगाया छोटा कर्तोतक (explant) पहले कैलस और फिर हज़ारों समरूप, रोगमुक्त पौध बनाता है। इसी से केला, गन्ना, ऑर्किड व आलू की रोपण सामग्री बड़े पैमाने पर बनती है — बिहार के वैशाली व कटिहार जैसे केला उत्पादक जिलों के लिए भी।
• क्लोनिंग — डॉली भेड़ (1996, रॉज़लिन संस्थान, स्कॉटलैंड) वयस्क कायिक कोशिका से क्लोन किया गया पहला स्तनधारी था, कायिक कोशिका केंद्रक स्थानांतरण द्वारा: शरीर की कोशिका का केंद्रक ऐसे अंडाणु में रखा गया जिसका अपना केंद्रक निकाल दिया गया था। भारत के NDRI, करनाल ने 2009 में क्लोन भैंस के बछड़े तैयार किए।
• मूल कोशिकाएँ (stem cells) — अविशिष्ट कोशिकाएँ जो अन्य प्रकार की कोशिकाएँ बन सकती हैं। भ्रूणीय मूल कोशिकाएँ बहुशक्त (pluripotent) होती हैं (लगभग कोई भी ऊतक बना सकती हैं) पर नैतिक आपत्तियाँ उठाती हैं; वयस्क मूल कोशिकाएँ (अस्थि मज्जा, गर्भनाल रक्त) अनेकशक्त (multipotent) व नैतिक रूप से निर्विवाद हैं। सबसे पुरानी स्थापित मूल-कोशिका चिकित्सा अस्थि मज्जा प्रत्यारोपण है।
• जीन चिकित्सा — दोषपूर्ण जीन की पूर्ति हेतु सही जीन प्रविष्ट करना। पहली जीन चिकित्सा (1990) ADA (एडिनोसीन डिएमिनेज़) की कमी से पीड़ित एक बालिका को दी गई।
• CRISPR-Cas9 — जीन संपादन, केवल जीन स्थानांतरण नहीं। एक गाइड RNA Cas9 एंजाइम को DNA के ठीक एक पते तक ले जाता है और वहीं काटता है, जिससे दोषपूर्ण खंड हटाया या बदला जा सकता है — जीनोम के लिए "खोजो और बदलो"। यह जीवाणुओं की प्रतिरक्षा प्रणाली से लिया गया है; इमैनुएल शारपेंटिए व जेनिफर डूडना को 2020 का रसायन नोबेल मिला।

आनुवंशिक रूप से रूपांतरित जीव (GMO) में दूसरी जाति से जानबूझकर प्रविष्ट कराया गया जीन होता है। बीटी कपास — जिसमें सुंडी (बॉलवर्म) प्रतिरोध हेतु जीवाणु *बैसिलस थुरिंजिएंसिस* के cry जीन हैं — भारत में व्यावसायिक खेती हेतु स्वीकृत एकमात्र GM फसल है (2002 से)। बीटी बैंगन को नियामक ने स्वीकृति दी थी पर 2010 में रोक लगा दी गई और अब तक अनुमति नहीं है। गोल्डन राइस, जिसे बीटा-कैरोटीन (प्रो-विटामिन A) से समृद्ध बनाया गया है, पोषण-संबंधी GM का प्रसिद्ध उदाहरण है पर भारत में व्यावसायिक रूप से नहीं उगाया जाता।

• टीके प्रतिरक्षा तंत्र को रोगाणु पहले से पहचानना सिखाते हैं। परंपरागत प्रकार: जीवित दुर्बलीकृत (BCG, मुखीय पोलियो, MMR), निष्क्रियित/मृत (इंजेक्शन वाला पोलियो), टॉक्सॉइड (टिटनेस) व पुनर्योगज उपइकाई (हेपेटाइटिस B)। mRNA टीके नए हैं — वे mRNA पहुँचाते हैं जो हमारी ही कोशिकाओं को एक हानिरहित विषाणु-प्रोटीन बनाने का निर्देश देती है, जिससे प्रतिरक्षा जागृत होती है।
• भारत की टीका क्षमता वास्तविक शक्ति है: सीरम इंस्टिट्यूट ऑफ इंडिया (पुणे) खुराकों की संख्या के आधार पर विश्व का सबसे बड़ा टीका निर्माता है, और भारत बायोटेक ने ICMR–NIV के साथ विकसित कोवैक्सिन भारत का पहला स्वदेशी कोविड-19 टीका था। भारत के पास स्वदेशी HPV टीका (सर्ववैक) भी है।
• भारत में नियमन त्रिस्तरीय है: संस्थान स्तर पर IBSC, जैव प्रौद्योगिकी विभाग के अंतर्गत RCGM, और शीर्ष पर पर्यावरण, वन एवं जलवायु परिवर्तन मंत्रालय के अंतर्गत GEAC (आनुवंशिक अभियांत्रिकी मूल्यांकन समिति) — GEAC वह शीर्ष निकाय है जो GM जीवों के पर्यावरणीय विमोचन का मूल्यांकन करता है।
• जैव नैतिकता पूछती है कि हमें क्या करना चाहिए, न कि केवल क्या कर सकते हैं: आनुवंशिक जाँच में सहमति व निजता, जननिक (germline) संपादन से "डिज़ाइनर शिशु" का खतरा, भारत के आनुवंशिक संसाधनों की जैव-चोरी (जिसकी रक्षा जैव विविधता अधिनियम, 2002 करता है), और GM फसलों से जंगली संबंधियों में जीन-प्रवाह का भय।

कोशिकाओं को ऊर्जा चाहिए, और प्रकृति में वह ऊर्जा आहार श्रृंखला से चलती है: उत्पादक → शाकाहारी → मांसाहारी, और अंत में अपघटक सब कुछ पुनःचक्रित करते हैं। प्रत्येक चरण एक पोषी स्तर (trophic level) है। हरे पौधे (उत्पादक) सदा प्रथम पोषी स्तर बनाते हैं, शाकाहारी द्वितीय, और इसी क्रम में आगे।

ऊर्जा स्थानांतरण अपव्ययी है। लिंडेमान के 10% नियम के अनुसार, एक पोषी स्तर की ऊर्जा का केवल लगभग 10% अगले स्तर तक पहुँचता है; शेष 90% मुख्यतः ऊष्मा के रूप में और जीव की अपनी जैविक क्रियाओं में नष्ट हो जाता है। अतः पारितंत्र में ऊर्जा का प्रवाह एकदिशीय है — वह कभी लौटकर चक्र नहीं बनाता।