|
مفهوم و زمينة کاربرد بيونانوتکنولوژي
تلفيق بيوتکنولوژي با فناوري نوظهور نانوتکنولوژي، مباحث جديدي را بين محققان، هم در سطح دانشگاهي و هم در حوزة صنعت بهوجود آورده است. نتيجة اين تلفيق، ظهور " بيونانوتکنولوژي " بهعنوان يک زمينة تحقيقاتي بينرشتهاي است که بهسرعت در حال رشد و توسعه است و با مقولة علم و مهندسي در سطح مولکول ارتباط دارد.
برخي از صاحبنظران، بيونانوتکنولوژي را بهعنوان زيرمجموعهاي از نانوتکنولوژي، به اين صورت تعريف کردهاند: مطالعه و ايجاد ارتباط بين بيولوژي مولکولي ساختاري و نانوتکنولوژي مولکولي. برخي ديگر، آنرا بهعنوان زير مجموعهاي از بيوتکنولوژي بدين شکل تعريف کردهاند: بهکارگيري پتانسيل بالقوة بيولوژي در ساخت و سازماندهي ساختارهاي پيچيده با استفاده از مواد ساده و با دقت در حد اتم. در اين زمينه، تنها تفاوتي که بين بيونانوتکنولوژي و بيوتکنولوژي وجود دارد اين است که طراحي و ساخت در مقياس نانو جزء لاينفک پروژههاي بيونانوتکنولوژي است در حاليکه در پروژههاي بيوتکنولوژي، نيازي به فهم و طراحي در حد نانو نيست.
چنانکه ملاحظه ميگردد، برخلاف تعريف "بيوتکنولوژي" که به معني فناوري استفاده از موجودات زنده و اجزاي موجودات زنده در راستاي نيازهاي صنايع مختلف است و همچنين برخلاف تعاريف واژههايي چون "بيومتريال" و "بيومکانيک" که معمولا بهمعني استفاده از قابليتهاي فناوريهاي "مواد" و يا "مکانيک" در کاربردهاي زيستي است، در تعريف بيونانوتکنولوژي، هم کاربرد ابزارهاي بيولوژيکي بهعنوان سازماندهنده و مادة اوليه جهت ساخت محصولات و مواد نانويي، مورد توجه است و هم کاربرد محصولات توليدي تکنولوژي نانو، جهت مطالعة وقايع درون سلولهاي زنده و تشخيص و معالجة بيماريها .
آنچه مسلم است ظهور اين زمينة تحقيقاتي، حاصل تغيير عقيدة بسياري از محققان در استفاده از راهکارهاي پايين به بالا ( Bottom-Up approach ) به جاي استفاده از راهکار بالا به پايين ( Top-Down approach ) جهت ساخت وسايل و مواد بسيار ريز است. در راهکارهاي بالا به پايين نانوتکنولوژي، سعي بر اين است که وسايل موجود مرتبا کوچکتر شوند؛ به اين راهکار، نانوتکنولوژي مکانيکي نيز گفته ميشود. اما در راهکار پايين به بالا، هدف ايجاد ساختارهاي ريز از طريق اتصال اتمها و مولکولها بهيکديگر است؛ در اين راهکار از الگوهاي بيولوژيکي بهرهگيري ميشود.
محصولات و زمينههاي فعاليت بيونانوتکنولوژي برخي از محصولات و زمينههاي فعاليت بيونانوتکنولوژي عبارتند از:
بيونانوماشينها
مهمترين زمينة کاربرد بيونانوتکنولوژي، ساخت بيونانوماشينها (ماشينهاي مولکولي با ابعادي در حد نانومتر) است. در يک باکتري هزاران بيونانوماشين مختلف وجود دارد. نمونة آنها، ريبوزوم (دستگاه بستهبندي پروتئين) است که محصولات نانومتري (پروتئينها) را توليد ميکند. از خصوصيات خوب بيونانوماشينها (بهعنوان مثال حسگرهاي نوري يا آنتيباديها)، امکان هيبريدکردن آنها با وسايل سيليکوني با استفاده از فرآيند ميکروليتوگرافي است. به اين ترتيب با ايجاد پيوند بين دنياي نانويي بيونانوماشين و دنياي ماکروي کامپيوتر، امکان حسگري مستقيم و بررسي وقايع نانويي را ميتوان بهوجود آورد. نمونة کاربردي اين سيستم، ساخت شبکية مصنوعي با استفاده از پروتئين باکتريورودوپسين است.
مواد زيستي ( Biomaterial )
کاربرد ديگر بيونانوتکنولوژي، ساخت مواد زيستي مستحکم و زيستتخريبپذير است. از جملة اين مواد ميتوان به DNA و پروتئينها اشاره نمود. موارد کاربرد اين مواد و بهخصوص در زمينة پزشکي متعدد است. از جمله موارد کاربرد اين مواد، استفاده از آنها بهعنوان بلوکهاي سازندة نانومدارها و در نهايت ساخت وسايل نانويي ( Nano-Device ) است. همچنين بهدليل خصوصيات مناسب اين مواد از آنها در ترميم ضايعات پوستي استفاده ميشود.
موتورهاي بيومولکولي
موتورهاي بيومولکولي، موتورهاي محرکة سلول هستند که معمولا از دو يا چند پروتئين تشکيل شدهاند و انرژي شيميايي (عموماً به شکل ATP ) را به حرکت (مکانيکي) تبديل ميکنند. از جملة اين موتورها، ميتوان به پروتئين ميوزين (باعث حرکت فيلامنتها ميشود)، پروتئينهاي درگير در تعمير DNA يا ويرايش RNA (بهعنوان مثال، آنزيمهاي برشي) و ATPase اشاره کرد. از اين موتورها در ساخت نانوروباتها و شبکة هاديها و ترانزيستورهاي مولکولي (قابل استفاده در مدارهاي الکترونيکي) استفاده ميشود. از جمله زمينههاي ديگري که از بيونانوتکنولوژي استفاده ميشود، ميتوان به تکنولوژي دستکاري تک مولکول ( Single Molecule )، تکنولوژي Biochip و Drug Delivery ( ساخت نانوکپسول و نانوحفره)، تکنولوژي Microfluidics (بهعنوان مثال، ساخت lab on a chip )، BioNEMS (ساخت پمپها، حسگرها و اهرمهاي نانويي)، Nucleic Acid Bioengineering (ساخت نانوسيم DNA و يا کاربرد در همسانهسازي و ترانسفرميشن)، Nanobioprocessing (خودساماندهي، دستکاري سلولي و توليد فرآوردههاي زيستي)، حسگرهاي زيستي (ارزيابي ايمني غذا و محيطزيست) و Bioselective surface (مورد استفاده در تکنولوژيهاي جداسازي زيستي)، اشاره نمود.
نانوبيوتکنولوژي و رابطة آن با بيونانوتکنولوژي
اما نانوبيوتکنولوژي نيز واژة ديگري است که در سالهاي اخير، محققان و صاحبنظران در کتب، مقالات و کنفرانسها بهکار ميبرند. طبق تعريف برخي از اين محققان، نانوبيوتکنولوژي، زيرمجموعهاي از نانوتکنولوژي است که در آن از ابزارها و فرآيندهاي نانويي و ميکروني براي ساخت و تهية محصولاتي استفاده ميشود که در مطالعة سيستمهاي زنده استفاده ميشوند. برخي ديگر از محققان، نانوبيوتکنولوژي را زمينهاي از نانوتکنولوژي ميدانند که در آن از سيستمهاي بيولوژيکي موجود، همچون سلول، اجزاي سلولي، اسيدهاي نوکلئيک و پروتئينها براي ايجاد ساختارهاي نانويي تلفيقي (مرکب از مواد آلي و معدني) استفاده ميشود.
اگر به مفهوم و هدف دو زيرشاخة نانوتکنولوژي يعني بيونانوتکنولوژي و نانوبيوتکنولوژي نگاه شود، ميتوان فهميد که اهداف هر دو شاخه (يعني توليد محصولاتي که جهت مطالعة سيستمهاي زنده بهکار ميروند) و همچنين فرآيندها و مقياس فعاليت هر دو شاخه (يعني مقياسهاي در سطح نانو)، تقريبا يکسان است. بنابراين ميتوان اين دو شاخه را بهصورت کلي با نام نانوبيوتکنولوژي ناميد. منتهي زماني که بهطور صرف، از الگوها و مواد زيستي جهت ساخت وسايل در ابعاد نانو استفاده ميشود، بهتر است پيشوند "بيو" مقدم بر پيشوند "نانو" بيايد. در اين حالت، کاربرد واژة بيونانوتکنولوژي تخصصيتر از واژة نانوبيوتکنولوژي خواهد بود. ميتوان بيونانوتکنولوژي را شکلي خاص از نانوبيوتکنولوژي دانست که مبناي آن، استفاده از موادزيستي (براي مثال پروتئينها يا DNA ) جهت ساخت وسايل نانويي است؛ اما در هنگام استعمال واژة نانوبيوتکنولوژي، استفاده از ابزارهاي نانويي در کاربردهاي بيولوژيک نيز مورد نظر خواهد بود. بار ديگر تأکيد ميشود که کاربرد هر کدام از اين دو واژه، تا حد زيادي سليقهاي است و به زمينة تخصصي محققان مختلف، بستگي دارد.
نانوبيوتکنولوژي به عنوان يکي از حوزههاي کليدي قرن 21 شناخته شده است که امکان تعامل با سيستمهاي زنده را در مقياس مولکولي فراهم ميآورد. بيوتکنولوژي به نانوتکنولوژي مدل ارائه ميدهد، در حالي که نانوتکنولوژي با در اختيار گذاشتن ابزار براي بيوتکنولوژي آن را براي رسيدن به اهدافش ياري ميرساند.
نشانگرهاي زيستي
از آنجا که انداه نانو ذرات ، در محدوده اندازه پروتئينهاست، ميتوان از آنها براي نشاندار کردن نمونههاي زيستي استفاده کرد. براي اين کار ، بايد نانو ذره بتواند به نمونه زيستي هدف متصل شود و نيز راهي براي دنبال کردن و شناسايي نانو ذره وجود داشته باشد. به منظور ايجاد ميان کنش بين نانو و نمونه زيستي ، نانو ذره را با پوشش بيولوژيکي مانند آنتي باديها ، بيوپليمرهايي مانند کلاژنها که نانو ذره ها را از نظر زيستي سازگار ميکند، ميپوشانند. ميتوان نانو ذرهها را فلورسنت کرده يا خواص نوري آنها تغيير داد.
نانو ذرهها در مرکز نشانگر زيستي قرار ميگيرند و بقيه اجزا روي آنها قرار داده ميشوند و اين ساختار غالبا کروي است. کنترل دقيق بر اندازه متوسط ذرات امکان ايجاد کاوشگرهاي فلورسنت را که باريکههاي نوري را در طيف وسيعي از طول موج گسيل ميدارند، فراهم ميآورند. اين امکان به تهيه نشانگرهاي زيستي با رنگهاي فراوان و قابل تشخيص ، کمک شاياني ميکند. ذره مرکزي معمولا توسط چندين تک لايه از موادي که تمايل به واکنش ندارند مثل سيليکا محافظت ميشود.
مهندسي بافت Tssue engeering
سطح استخوان از ترکيباتي تشکيل شده است که حدودا 100 نانومتر عرض دارند. اگر سطح يک عضو مصنوعي به استخوان طبيعي پيوند بخورد بدن آن را پس ميزند. دليل امر توليد بافت مصنوعي در محل استخوان طبيعي و سطح مصنوعي ميباشد. استئوبلاستها در بافت پيوندي استخوان وجود دارند و بخصوص در استخوانهاي در حال رشد داراي فعاليت چشمگيري هستند. با ايجاد ذراتي در اندازه نانو در سطح مفاصل و استخوانهاي مصنوعي احتمال دفع عضو جايگزين به دليل تحريک سلولهاي استئوبلاست کمتر ميشود. ايجاد اين ذرات با ترکيب مواد پليمري ، سراميکي و فلزي چندي پيش توسط دانشمندان به اثبات رسيد.
مواد مورد استفاده در ترميم استخوان
تيتانيوم ماده شناخته شدهاي براي ترميم استخوان است و به دليل ترکيبات خاص و وزن زيادش جهت بالا بردن ميزان استحکام بطور وسيع در دندانپزشکي و ارتوپدي استفاده ميشود. ولي متاسفانه به دليل آنکه بخش چسبندهاي که با Apatite (بخش فعال استخوان) پوشيده شده با تيتانيوم سازگار نيست فاقد فعاليت زيستي ميباشد. استخوان واقعي نانوکامپوزيتي از موادي است که از ترکيب بلورهاي هيدروکسيد Apatite در ماتريکس آلي بوجود آمده و به حالت منفرد يافت ميشود. استخوان طبيعي از نظر مکانيکي ، ضخيم و در عين حال داراي الاستيسيته ميباشد و در نتيجه قابل ترميم است.
ساخت يک دندان
مکانيسم نانويي دقيقي که منجر به توليد ترکيباتي با خواص مفيد شود، همچنان مورد مطالعه و بررسي قرار دارد. اخيرا با استفاده از روش tribology يک دندان مصنوعي به صورت viscoelastic ساخته شده و داراي روکش نانويي ميباشد. از خواص منحصر به فرد اين دندان مصنوعي ميتوان به عايق بودن آن در مقابل خراش و افزايش التيام دندان اشاره کرد.
معالجه سرطان به روش فتوديناميک
معالجه سرطان با استفاده از روش فتوديناميک بر اساس نابودي سلولهاي سرطاني بوسيله ليزري است که توليد اکسيژن اتمي ميکند. به اين طريق که اکسيژن اتمي رنگ خاصي را توليد ميکند و سلولهاي سرطاني بيش از سلولهاهاي ديگر آن را جذب ميکنند. در نتيجه فقط سلولهاي سرطاني توسط اشعه ليزر نابود ميشوند. البته يکي از معايب اين روش آن است که به دليل آب گريز بودن مواد رنگي ، اين مواد به سمت پوست و چشمها حرکت ميکند و در صورتي که شخص در معرض نور خورشيد قرار گيرد باعث حساسيت در پوست و چشمها ميشود.براي اين حل مشکل صورتهاي آب گريز مولکول رنگها را داخل ذرات نانويي متخلخل مثل ormosil nano partical که داراي منافذي در حدود يک نانومتر ميباشند قرار ميدهند که اين داراي دو مزيت است اولا از انتقال مواد رنگي به ساير نقاط بدن جلوگيري ميکنند و ثانيا امکان ورود و خروج آزادانه اکسيژن را مهيا ميسازد.
کاربردهاي اکسيد تيتانيوم
اکسيد تيتانيوم (Tio2) مي تواند به عنوان کاتاليزور نوري عمل نمايد. هنگام تابش نور جذب فوتونها با انرژي بالا ، باعث برانگيختگي الکترونها و ايجاد رسانايي در مولکول ميگردد. شکاف ايجاد شده بين دو جفت الکترون به مشابه يک جريان الکتروپوزيتيو در طول مولکول DNA باعث باز شدن دو رشته DNA از يکديگر ميگردد. در واقع تغييرات ايجاد شده بوسيله فوتونهاي نور در مولکول Tio2 باعث ميشود که اين مولکول به شکل يک آنزيم آندونوکلئاز عمل نمايد. اين تواناييها در آينده ميتواند تغييرات زيادي را در استفاده از داروها و ژن درماني ايجاد نمايد و توانايي پيوند Tio2 با بيومولکولهاي مختلف راه را در ژن درماني هموار خواهد نمود.
يکي از بزرگترين اشکالات دستکاري داخل سلول بوسيله اين ريز ابزار اين است که اين ذرات به اندازه کافي توانايي کنترل ماده ژنتيکي داخل هسته را ندارند. ترکيب مولکول DNA با Tio2 در محيط خارج سلول نشاندهنده اين مشکل است. به ازاي اتصال Tio2 به هر 60 - 50 جفت باز فقط يک ناحيه ژني در سلول پستانداران تحت پوشش قرار ميگيرد که دانشمندان اميدوارند اين مشکل نيز در آينده نزديک حل شود. همچنين تحقيقاتي در زمينه استفاده از اين ذرات به عنوان جايگزيني در توقف سنتز RNA به عنوان بازدارندههاي سنتز RNA با مکانيزم ايجاد شکاف در RNA صورت گرفته که ميتواند در صورت تکميل شدن، امکان استفاده از اين ذرات را در توقف سنتز RNA در سلولهاي سرطاني فراهم نمايد.
چشم انداز بحث
با توجه به پيشرفت سريع و دامنه گسترده بيوتکنولوژي زمينههاي بروز انقالاب بيوتکنولوژي عصر جديدي در علوم مختلف مانند بيولوژي ، پزشکي ، فارماکولوژي و مهندسي ژنتيک فراهم گرديده است. به علاوه حوزههاي ديگري مانند اقتصاد و سياست نيز از آن تاثير بسزايي پذيرفته است. هم اکنون از ديدگاه اخلاق زيستي در اين رابطه سوالات مهم و اساسي مطرح شده است که علاوه بر اثرات بسزايي که بر پيشرفتهاي علمي و ساير زمينههاي علوم زيستي دارد، نسلهاي آينده بشر را نيز به صورت گستردهاي تحتالشعاع قرار ميدهد. در اين باره مشارکت مداوم دانشمندان کنجکاو و خردمندي ميتواند راه گشا بوده و بايستي با در نظر گرفتن اين منابع و پيشرفتهاي جديد و با اميد به حل چنين مشکلات و مسائلي با فائق آمدن بر همه محدوديتها در جهت گسترش اين دانش فعاليت نمود. از مجموع مباحث فوق نتيجه گرفته شد که " بيونانوتکنولوژي " يک حوزة نوين ناشي از تلفيق علوم زيستي و مهندسي در حوزة نانو است که افقهاي جديدي را در زمينة ساخت و توسعة سيستمهاي تلفيقي بهوجود آورده و محققان را اميدوار کردهاست که بتوانند از اين تلفيق، در ساخت نانوساختارهايي استفاده کنند که در آنها از مولکولهاي بيولوژيکي بهعنوان اجزاي سيستم مورد نظر استفاده شود؛ بهعنوان مثال، از استراتژي طراحي بيولوژيک (مثلاٌ، حالت زيپمانند مولکول دورشتهاي DNA ) بتوانند در ساخت چارچوبهاي جداشدني و الگويي براي چينش ( Assembly ) پايين به بالاي (فرآيندي که طي آن، سازماندهي مولکولي، بدون دخالت نيروي خارجي صورت ميگيرد) مواد معمولتر، استفاده کنند. اين توانمندي نهتنها در حل مسائل مهمي در علوم زيستي چون کاوش و شناسايي دقيق ساختار موجودات زنده کابرد خواهد داشت، بلکه ميتواند محققان را در رفع چالشهاي عمدة مهندسي همچون نياز به تکنيکهاي نوين جهت سنتز مواد و دستکاري آنها ياري دهد و به اين ترتيب دنياي نانو را به دنياي ماکرو وصل کند. بهعبارت ديگر اين شاخة مهم علمي (يعني بيونانوتکنولوژي)، به زودي قابليت کاربرد در حوزههاي مختلف غيرزيستي و حوزههاي کاربردي ماکرو را خواهد داشت؛ کاربردهايي که هرچند در حوزة زيستي نيستند ولي الهام گرفته از فرآيندهاي زيستي ( Bio-inspired ) هستند.
نانو فيلترها و نانو غشاها
امروزه ميتوانیم با نانو فيلترها علاوه بر بازيابي عناصري مثل نمک و کلسيم از آب، قادر به بازيابي ويروسها و باکتريها نيز از آن باشيم. بنابراين ميتوانيم از آنها در رفع، آلودگيهاي آبهاي ذخيره نوشيدني انسانها و آبهاي کشاورزي استفاده کنیم.نانوفيلترها ميتوانند به فيلتراسيون سريع خون کمک فراواني کنند. در حال حاضر مسموميت خوني يکي از مشکلات جدي در جهان است و خطر عفونت در واحدهايي که نياز به مراتب شديدتري دارند بيشتر است، چون مريضها آسيبپذيرترند. اگر مسموميت خوني اتفاق بيافتد بايد خون هرچه سريعتر از علل مسموميت پاک شود. فرآيندهاي غشايي از روشهاي نوين جداسازي هستند که بدون استفاده از تغييرفاز، اجزاء مورد نظر را از سيال جدا مينمايند. عدم تغيير فاز در طول فرآيند جداسازي موجب ميشود که جداسازي با صرف انرژي کمتري صورت گيرد. دو خصيصه اصلي غشاها يعني توانايي قابل توجه در انجام انواع جداسازيها و حداقل مصرفانرژي، عوامل گسترش روز افزون فرآيندهاي غشائي ميباشد. غشاءها کاربردهاي فراواني در زمينههاي مختلف علمي و صنعتي دارند مانند شرينکردن آبدريا، دياليز خون، تصفيهآب نظير آبرودخانه، چشمه و چاه و تصفيه پسابهاي خانگي، پسابهاي صنعتي، تغليظ شير و آبميوه، استريلکردن مايعات و جداسازي ميکروارگانيسمها از مهمترين کاربردهاي نانو غشاها ميتوان به کاربرد آنها در زمينه جداسازي گازها، شيرينکردن گاز طبيعي، تعيين نسبت CO/H2 ، تغليظ هوا به اکسيژن و نيتروژن بازيافت هليوم، بازيابي متان از بيوگازها و جداسازي اتيلين از گازهاي خروجي واحد توليد پلياتيلن اشاره کرد. | 
