نانو بیوتکنولوژی
نانوتکنولوژی+بیوتکنولوژی=نانوبیوتکنولوژی
نانوبیوتکنولوژی،
بیش از آنکه شاخه ای از بیوتکنولوژی باشد، شاخه ای از نانوتکنولوژی است.
توضیح این مطلب که بیوتکنولوژی، استفاده از سازواره های
زنده
در کاربردهای صنعتی مختلف است ولی نانوبیوتکنولوژی، استفاده از قابلیت های
نانوتکنولوژی در کاربردهای زیستی است. بنابراین واژه نانوبیوتکنولوژی
نیز
همانند واژه هایی چون "بیومکانیک" و "بیومتریال"، به استفاده از تکنولوژی
های مختلف در کابردهای زیستی اشاره دارد و نه به استفاده از قابلیت های
ارگانیزم
های حیاتی در کاربردهای مختلف صنعتی. البته نانوبیوتکنولوژی، ابزاری
کارآمد در پیشبرد بیوتکنولوژی بوده و نقش آن در توسعه تحقیقات
بیوتکنولوژی حائز اهمیت است؛ لذا بعضاً همانند "بیوانفورماتیک"، به عنوان شاخه ای از بیوتکنولوژی نیز مطرح شده است:
طبق تعریف، نانوتکنولوژی تولید کارآمد مواد، دستگاه ها و سیستم ها با کنترل
ماده در مقیاس نانومتری می باشد و اساس آن بر مبنای توانایی کار در سطح
مولکولی
و اتم به اتم و ایجاد ساختارهای بزرگ بوده که موجب بهره برداری از خواص و
پدیده های نوظهوری می شود که در مقیاس نانو توسعه یافته اند.
بررسی ها نشان می دهد که نظام سیستماتیک ماده در مقیاس نانومتری، کلیدی برای سیستم های فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی با خواص جدید و
بهتر
می باشد. نانوبیوتکنولوژی عبارت است از شاخه ای از نانوتکنولوژی که در
زمینه های بیولوژی (ژنتیک مولکولی و سلولی) و بیوتکنولوژی کاربرد یافته
است.
بدین ترتیب نانوبیوتکنولوژی به عنوان یک رویکرد جدید و همگراکننده حوزه
های مختلف علوم پایه، فنی مهندسی، کشاورزی و صنایع غذایی، محیط
زیست، علوم پزشکی و بیوتکنولوژی بوده و کاربردهای فراوانی خواهد داشت.
نانوبیوتکنولوژی به ما اجازه می دهد تا اجزا و ترکیبات را داخل سلول ها
قرار داده و مواد جدیدی را با استفاده از روش های جدید مثل خوداسمبلی
بسازیم.
در روش خوداسمبلی، برای سرهم کردن اجزا، نیاز به روبات یا ابزار دیگری نیست.
ایجاد
ساختارهایی بر مبنای DNA در علوم پزشکی، داروسازی، مهندسی ژنتیک و
بیوتکنولوژی، ایجاد یک تحول و انقلاب جدید در این علوم خواهد بود.
تحقیقات
گسترده و سرمایه گذاریهای جهانی در ساخت سیستمها، فرایندها یا
فراوردههای زیر، نشان دهنده رویکرد جدید محققین علوم و صنایع
زیستی، صاحبان سرمایه و دولت هایی همچون آمریکا، ژاپن، روسیه و کشورهای اروپایی به نانوبیوتکنولوژی است:
۱) ساخت سیستمهایی به¬منظور رهایش دارو در بدن
۲) ساخت قطعات سازگار برای جایگزینی اعضای بدن
۳) بیوسنسورهایی به¬منظور آزمایشگاه¬های کامل طراحیشده روی یک تراشه بسیار کوچک
۴) تشخیص همزمان چندین بیماری از روی یک قطره خون (براساس تشخیص از رویDNA)
۵) ساخت یک مولکول بیولوژی ناروماتیک از DNA
۶) ساخت ابزارهای نانومتری بر پایه DNA.
اجزای سازنده بدن از مولکولهایی چون پروتئینها، اسیدهای نوکلئیک، لیپیدها
و کربوهیدرات ها با خواص منحصربهفرد تشکیل شده است. اعمال
فیزیکوشیمیایی
داخل سلول ها و اجزای بدن در مقیاس نانو، کنترل و هدایت می شوند. بررسی ها
نشان می دهد که تحقیقات در بخش نانوبیوتکنولوژی
تاثیرات
زیادی در حوزه های پزشکی، داروسازی، ژنتیک مولکولی و بیوتکنولوژی داشته و
خواهد داشت؛مثلاً:نانوبیوتکنولوژی می تواند با فرمولاسیون جدید
داروها
و مشخص کردن مسیرهایی برای رهایش دارو، موجب بهینهکردن کاربرد و مصرف
دارو شود. نانوذرات این امید را می دهند که دارو دقیقاً به بافت های
مشخصی برسد.
در
ژندرمانی نیز با استفاده از داروهای نانو (نانوذرات)، می توان نوع خاصی
از سلول ها را هدف گیری کرد. نانوذرات قادرند اسیدهای نو کلئیک را به سلول
های مشخص و حتی جزء مشخصی از سلول (سیتو¬پلاسم یا هسته) و یا هر جا که لازم باشد، تحویل دهند.
همچنین تحقیقات نشان می دهد که استفاده از ابزارها و سیستم های نانوساختاری
می تواند فرآیند آزمایشگاهی کنونی توالی ژن ها و تشخیص حالت ژن
را بسیار کارآمد کرده و قطعاً تشخیص ساختار ژنتیک فردی، روش های شناسایی و درمان بیماری ها را دچار انقلاب خواهد کرد.
با
توجه به اهمیت رشته های DNA در ژنتیک مولکولی و بیوتکنولوژی و با عنایت به
اینکه DNA یک ساختار بسیار مهم و مناسب برای کاربردهای نانوتکنولوژی
است، تحقیقات زیادی در مورد ایجاد اشکال پیوندی با استفاده از مولکول های DNA شاخه دار و پایدار انجام شده است.
این شاخه در توسعه تکنولوژی های جدید مربوط به تشخیص و درمان زودتر بیماری
ها، تولید داروهایی هدفمند و با تاثیرات جانبی بسیار اندک، تولید
محصولات
اختصاصی بیوتکنولوژی در صنایع کشاورزی، تولید بیوسیستم ها، بیومواد و
سرامیک های سازگار با محیط، نانوبیوسنسورها، دستگاههایی برای
تشخیص
و کاهش اثرات سلاح های بیوشیمایی و میکروبی، تکنولوژی های جدید مربوط به
ژنومیک و الگوبرداری و تحلیل DNA، نانوبیوتکنولوژی نشان داده
است که می تواند نقش اصلی را ایفا کند
قطعاً توانمندیهای بدست آمده از این طریق در بالا بردن بهداشت جامعه و فرد
و طولانی شدن عمر انسان ها، رفع تنگنا های موجود در تولید داروها و تولید
مواد
غذایی و مبارزه با سلاح های بیولوژیکی و تولید داروهای مربوط به درمان
کامل سرطان، ایدز، آلزایمر وMS موثر است و بهعنوان یک فرصت در ایجاد
توانمندی
برای تولید سلاحهای جدید ژنتیکی و بیولوژیکی، وارد شدن به حریم خصوصی
افراد (شناسایی بیماری های ژنتیکی و دست یابی به قابلیت های
فردی
و استعداد افراد) از طریق آزمایش های مرتبط با ژنومیک انسانی و ایجاد
موجودات ناشناخته از طریق تولید DNA مصنوعی، به عنوان یک تهدید برای
کشورها محسوب می شود،در نتیجه نانوتکنولوژی به عنوان انقلاب صنعتی آینده جهان، در حال تغییر وضعیت کنونی جهان است.
در این میان به نظر می رسد که تاثیرات نانوبیوتکنولوژی به عنوان رشته ای که
حیات موجودات زنده را دگرگون می کند، از اهمیت ویژه ای در بررسی
پیامدهای
صنعتی و اجتماعی این انقلاب، برخوردار است. به نظر می رسد که برای بررسی
فرصت ها و تهدیدهای نانوبیوتکنولوژی به دلیل اینکه ماهیتی
بسیار
پیچیده در پیشرفت تکنولوژی کشورها دارند، می باید دانشمندان، سیاستمداران و
مردم هر کشور در مورد نانوتکنولوژی مطالعه کنند تا بتوانند با تحلیل
صحیح
از انقلاب آینده جهان، مسایلی که پیرامون فرصت ها و تهدیدهای
نانوبیوتکنولوژی به وجود خواهد آمد را درک نمایند. در خاتمه باید به این
نکته توجه
داشت
که تاثیرات نانوبیوتکنولوژی در همه نقاط جهان یکسان نبوده و بسته به میزان
تحقیقات، سرمایه گذاری و تلاش سیاستمداران و اعتماد ملت ها، متغیر
خواهد
بود.در ایران وزارت بهداشت، درمان و آموزش پزشكي، در ميان شاخههاي مختلف
كاربرد نانوتكنولوژي در پزشكي نيز اقدام به تعيين اولويت مشخص
نموده
است تا بتوان منابع محدود موجود را بر روي اهداف روشني متمركز ساخت. محور
فعاليتهاي تحقيقاتي وزارت بهداشت در حوزة نانو تكنولوژي،
تشخيص و درمان سرطان با استفاده از تكنيكهاي نانويي دارورساني ( Drug Delivery ) قرار داده شده است.
دید کلی
فناوری
نانو ، چنانکه از نام آن برمیآید با اجسامی به ابعاد نانومتر سروکار
دارد. فناوری نانو در سه سطح قابل بررسی است: مواد ، ابزارها و سیستمها. در
حال
حاضر در سطح مواد ، پیشرفتهای بیشتری نسبت به دو سطح دیگر حاصل شده است.
موادی را که در فناوری نانو بکار میروند، نانو ذره نیز مینامند.
برای
آنکه تصوری از ریزی نانو ذرهها داشته باشیم بهتر است آن را با ابعاد سلول
مقایسه کنیم. اندازه متوسط سلول یوکاریوتی 10 میکرومتر است. اندازه
متوسط
یک پروتئین 5 نانومتر است که با ابعاد ریزترین جسم ساخت بشر قابل مقایسه
است. بنابراین میتوان با بکارگیری نانو ذرهها نوعی مامور مخفی به
درون سلول فرستاد و به کمک آن از بعضی رازهای نهفته در سلول پرده برداری کرد.
این
ذرات آنقدر ریزند که تداخل عمدهای در کار سلول بوجود نمیآورند. پیشرفت
در زمینه نانو فناوری نیازمند درک وقایع زیستی در سطح نانوهاست. از میان
خواص
فیزیکی وابسته به اندازه ذرات نانو ، خواص نوری (Optical) و مغناطیسی این
ذرات ، بیشترین کاربردهای زیستی را دارند. استفاده از فناوری نانو در
علوم
زیستی به تولد گرایش جدیدی از این فناوری منجر شده است یعنی
نانوبیوتکنولوژی. کاربردهای نانو ذرهها در زیست شناسی و پزشکی عبارتند از:
نشانگرهای
زیستی فلورسنت ، ترابری دارو و ژن ، تشخیص زیستی پاتوژنها ، تشخیص
پروتئینها ، جستجو در ساختار DNA ، مهندسی بافت ، تخریب تومور
از طریق گرمادهی به آن و بهبود تباین (کنتراست)
رابطه نانوتکنولوژی و بیوتکنولوژی
نانوتکنولوژی
مجموعهای است از فناوریهایی که به صورت انفرادی یا باهم در جهت بکارگیری و
یا درک بهتر علوم مورد استفاده قرار میگیرند. بیوتکنولوژی
جزء
فناورهای در حال توسعه میباشد که با بکارگیری مفهوم نانو به پیشرفتهای
بیشتری دست خواهد یافت. نانوبیوتکنولوژی به عنوان یکی از حوزههای
کلیدی
قرن 21 شناخته شده است که امکان تعامل با سیستمهای زنده را در مقیاس
مولکولی فراهم میآورد. بیوتکنولوژی به نانوتکنولوژی مدل ارائه
میدهد، در حالی که نانوتکنولوژی با در اختیار گذاشتن ابزار برای بیوتکنولوژی آن را برای رسیدن به اهدافش یاری میرساند.
نشانگرهای زیستی
از
آنجا که انداه نانو ذرات ، در محدوده اندازه پروتئینهاست، میتوان از آنها
برای نشاندار کردن نمونههای زیستی استفاده کرد. برای این کار ، باید نانو
ذره
بتواند
به نمونه زیستی هدف متصل شود و نیز راهی برای دنبال کردن و شناسایی نانو
ذره وجود داشته باشد. به منظور ایجاد میان کنش بین نانو و نمونه
زیستی
، نانو ذره را با پوشش بیولوژیکی مانند آنتی بادیها ، بیوپلیمرهایی مانند
کلاژنها که نانو ذره ها را از نظر زیستی سازگار میکند، میپوشانند.
میتوان
نانو ذرهها را فلورسنت کرده یا خواص نوری آنها تغییر داد.
نانو ذرهها در مرکز نشانگر زیستی قرار میگیرند و بقیه اجزا روی آنها قرار
داده میشوند و این ساختار غالبا کروی است. کنترل دقیق بر اندازه متوسط
ذرات
امکان
ایجاد کاوشگرهای فلورسنت را که باریکههای نوری را در طیف وسیعی از طول
موج گسیل میدارند، فراهم میآورند. این امکان به تهیه نشانگرهای
زیستی
با رنگهای فراوان و قابل تشخیص ، کمک شایانی میکند. ذره مرکزی معمولا
توسط چندین تک لایه از موادی که تمایل به واکنش ندارند مثل سیلیکا
محافظت میشود.
مهندسی بافت Tssue engeering :
سطح
استخوان از ترکیباتی تشکیل شده است که حدودا 100 نانومتر عرض دارند. اگر
سطح یک عضو مصنوعی به استخوان طبیعی پیوند بخورد بدن آن را
پس
میزند. دلیل امر تولید بافت مصنوعی در محل استخوان طبیعی و سطح مصنوعی
میباشد. استئوبلاستها در بافت پیوندی استخوان وجود دارند و
بخصوص
در استخوانهای در حال رشد دارای فعالیت چشمگیری هستند. با ایجاد ذراتی در
اندازه نانو در سطح مفاصل و استخوانهای مصنوعی احتمال دفع
عضو جایگزین به دلیل تحریک سلولهای استئوبلاست کمتر میشود. ایجاد این ذرات با ترکیب مواد پلیمری ، سرامیکی و فلزی چندی پیش توسط
دانشمندان به اثبات رسید.
مواد مورد استفاده در ترمیم استخوان :
تیتانیوم
ماده شناخته شدهای برای ترمیم استخوان است و به دلیل ترکیبات خاص و وزن
زیادش جهت بالا بردن میزان استحکام بطور وسیع در دندانپزشکی و
ارتوپدی
استفاده میشود. ولی متاسفانه به دلیل آنکه بخش چسبندهای که با Apatite
(بخش فعال استخوان) پوشیده شده با تیتانیوم سازگار نیست فاقد
فعالیت
زیستی میباشد. استخوان واقعی نانوکامپوزیتی از موادی است که از ترکیب
بلورهای هیدروکسید Apatite در ماتریکس آلی بوجود آمده و به حالت
منفرد یافت میشود. استخوان طبیعی از نظر مکانیکی ، ضخیم و در عین حال دارای الاستیسیته میباشد و در نتیجه قابل ترمیم است.
ساخت یک دندان :
مکانیسم
نانویی دقیقی که منجر به تولید ترکیباتی با خواص مفید شود، همچنان مورد
مطالعه و بررسی قرار دارد. اخیرا با استفاده از روش tribology یک
دندان
مصنوعی به صورت viscoelastic ساخته شده و دارای روکش نانویی میباشد. از
خواص منحصر به فرد این دندان مصنوعی میتوان به عایق بودن آن در
مقابل خراش و افزایش التیام دندان اشاره کرد.
معالجه سرطان به روش فتودینامیک :
معالجه
سرطان با استفاده از روش فتودینامیک بر اساس نابودی سلولهای سرطانی بوسیله
لیزری است که تولید اکسیژن اتمی میکند. به این طریق که
اکسیژن اتمی رنگ خاصی را تولید میکند و سلولهای سرطانی بیش از سلولهاهای دیگر آن را جذب میکنند. در نتیجه فقط سلولهای سرطانی توسط
اشعه
لیزر نابود میشوند. البته یکی از معایب این روش آن است که به دلیل آب
گریز بودن مواد رنگی ، این مواد به سمت پوست و چشمها حرکت میکند و
در صورتی که شخص در معرض نور خورشید قرار گیرد باعث حساسیت در پوست و چشمها میشود.
برای
این حل مشکل صورتهای آب گریز مولکول رنگها را داخل ذرات نانویی متخلخل مثل
ormosil nano partical که دارای منافذی در حدود یک نانومتر
میباشند
قرار میدهند که این دارای دو مزیت است اولا از انتقال مواد رنگی به سایر
نقاط بدن جلوگیری میکنند و ثانیا امکان ورود و خروج آزادانه اکسیژن را
مهیا میسازد.
کاربردهای اکسید تیتانیوم :
اکسید
تیتانیوم (Tio2) می تواند به عنوان کاتالیزور نوری عمل نماید. هنگام تابش
نور جذب فوتونها با انرژی بالا ، باعث برانگیختگی الکترونها و ایجاد
رسانایی
در
مولکول میگردد. شکاف ایجاد شده بین دو جفت الکترون به مشابه یک جریان
الکتروپوزیتیو در طول مولکول DNA باعث باز شدن دو رشته DNA از یکدیگر
میگردد.
در واقع تغییرات ایجاد شده بوسیله فوتونهای نور در مولکول Tio2 باعث
میشود که این مولکول به شکل یک آنزیم آندونوکلئاز عمل نماید. این
تواناییها
در آینده میتواند تغییرات زیادی را در استفاده از داروها و ژن درمانی
ایجاد نماید و توانایی پیوند Tio2 با بیومولکولهای مختلف راه را در ژن
درمانی
هموار خواهد نمود
کی از بزرگترین اشکالات دستکاری داخل سلول بوسیله این ریز ابزار این است که
این ذرات به اندازه کافی توانایی کنترل ماده ژنتیکی داخل هسته را ندارند.
ترکیب
مولکول DNA با Tio2 در محیط خارج سلول نشاندهنده این مشکل است. به ازای
اتصال Tio2 به هر 60 - 50 جفت باز فقط یک ناحیه ژنی در سلول
پستانداران
تحت پوشش قرار میگیرد که دانشمندان امیدوارند این مشکل نیز در آینده
نزدیک حل شود. همچنین تحقیقاتی در زمینه استفاده از این ذرات به
عنوان
جایگزینی در توقف سنتز RNA به عنوان بازدارندههای سنتز RNA با مکانیزم
ایجاد شکاف در RNA صورت گرفته که میتواند در صورت تکمیل شدن،
امکان استفاده از این ذرات را در توقف سنتز RNA در سلولهای سرطانی فراهم نماید
مقایسه نانوبیوتکنولوژی و بیوتکنولوژی :
برخلاف
تعریف بیوتکنولوژی که به معنی فناوری استفاده از موجودات و اجزای موجودات
زنده در راستای نیازهای صنایع مختلف است و همچنین برخلاف
تعاریف
واژههایی چون بیومتریال و بیومکانیک که معمولا به معنی استفاده از
قابلیتهای فناوریهای مواد و یا مکانیک در کاربردهای زیستی است، در تعریف
بیونانوتکنولوژی
، هم کاربرد ابزارهای بیولوژیکی به عنوان سازمان دهنده و ماده اولیه جهت
ساخت محصولات و مواد نانویی ، مورد توجه است و هم کاربرد
محصولات تولیدی تکنولوژی نانو ، جهت مطالعه وقایع درون سلولهای زنده و تشخیص و معالجه بیماریها.
آنچه
مسلم است ظهور این زمینه تحقیقاتی ، حاصل تغییر عقیده بسیاری از محققان در
استفاده از راهکارهای پایین به بالا Bottom-Up approach به جای
استفاده
از راهکار بالا به پایین Top-Down approach جهت ساخت وسایل و مواد بسیار
ریز است. در راهکارهای بالا به پایین نانوتکنولوژی ، سعی بر این
است
که وسایل موجود مرتبا کوچکتر شوند به این راهکار ، نانوتکنولوژی مکانیکی
نیز گفته میشود. اما در راهکار پایین به بالا ، هدف ایجاد ساختارهای ریز
از طریق اتصال اتمها و مولکولها به یکدیگر است در این راهکار از الگوهای بیولوژیکی بهره گیری میشود.
محصولات و زمینههای فعالیت بیونانوتکنولوژی بیونانوماشینها:
مهمترین
زمینه کاربرد بیونانوتکنولوژی، ساخت بیونانوماشینها یا ماشینهای مولکولی
با ابعادی در حد نانومتر است. در یک باکتری هزاران بیونانوماشین
مختلف
وجود دارد. نمونه آنها ، ریبوزوم دستگاه بسته بندی پروتئین است که محصولات
نانومتری پروتئینها را تولید میکند. از خصوصیات خوب
بیونانوماشینها
به عنوان مثال حسگرهای نوری یا آنتی بادیها ، امکان هیبرید کردن آنها با
وسایل سیلیکونی با استفاده از فرآیند میکرولیتوگرافی است. به
این
ترتیب با ایجاد پیوند بین دنیای نانویی بیونانوماشین و دنیای ماکروی
کامپیوتر ، امکان حسگری مستقیم و بررسی وقایع نانویی را میتوان بوجود
آورد.
نمونه کاربردی این سیستم ، ساخت شبکیه مصنوعی با استفاده از پروتئین باکتریورودوپسین است.
موتورهای بیومولکولی :
موتورهای
بیومولکولی ، موتورهای محرکه سلول هستند که معمولا از دو یا چند پروتئین
تشکیل شدهاند و انرژی شیمیایی عموما به شکل ATP را به حرکت
مکانیکی
تبدیل میکنند. از جمله این موتورها ، میتوان به پروتئین میوزین باعث
حرکت فیلامنتها میشود، پروتئینهای درگیر در تعمیر DNA یا ویرایش RNA
به
عنوان مثال ، آنزیمهای برشی و ATPase اشاره کرد. از این موتورها در ساخت
نانو روباتها و شبکه هادیها و ترانزیستورهای مولکولی قابل استفاده در
مدارهای الکترونیکی استفاده میشود.
اهداف بیونانوتکنولوژی و نانوبیوتکنولوژی :
اگر
به مفهوم و هدف دو زیرشاخه نانوتکنولوژی یعنی بیونانوتکنولوژی و
نانوبیوتکنولوژی نگاه شود، میتوان فهمید که اهداف هر دو شاخه یعنی تولید
محصولاتی
که جهت مطالعه سیستمهای زنده بکار میروند و همچنین فرآیندها و مقیاس
فعالیت هر دو شاخه یعنی مقیاسهای در سطح نانو ، تقریبا
یکسان
است. بنابراین میتوان این دو شاخه را به صورت کلی با نام نانوبیوتکنولوژی
نامید. منتها زمانی که بطور صرف ، از الگوها و مواد زیستی جهت ساخت
وسایل در ابعاد نانو استفاده میشود، بهتر است پیشوند «بیو» مقدم بر پیشوند «نانو» بیاید.
در
این حالت ، کاربرد واژه بیونانوتکنولوژی تخصصیتر از واژه نانوبیوتکنولوژی
خواهد بود. میتوان بیونانوتکنولوژی را شکلی خاص از نانوبیوتکنولوژی دانست
که
مبنای
آن ، استفاده از موادزیستی برای مثال پروتئینها یا DNA جهت ساخت وسایل
نانویی است اما در هنگام استعمال واژه نانوبیوتکنولوژی ، استفاده از
ابزارهای
نانویی در کاربردهای بیولوژیک نیز مورد نظر خواهد بود. بار دیگر تٲکید
میشود که کاربرد هر کدام از این دو واژه ، تا حد زیادی سلیقهای است و به
زمینه تخصصی محققان مختلف بستگی دارد.
بيوتكنولوژي، بيونانوتكنولوژي و نانوبيوتكنولوژي: مرزها و هم پوشاني ها، تشابهات و تمايزات
خلاصه :
سؤالي
كه به ذهن متواتر شده و محققان به علم بيوتكنولوژي و نانوبيوتكنولوژي را
متوجه آن كرده است اين است كه مرز بيوتكنولوژي و نانوبيوتكنولوژي در
كجاست؟
بيو
تکنولوژي در اوائل قرن بيستم وارد عرصه جهاني شد ليکن مهندسي بيوفرايند
بعد از جنگ جهاني دوم و با توليد صنعتي پني سيلين به روش تخمير وارد
معادلات
علمي تجاري و اقتصادي جهان گرديد. بيو تکنولوژي يک مفهوم کلي و يک موضوع
بين رشته اي مي باشد که دامنه و سيعي از علم (مهندسي،
پزشکي،
کشاورزي، صنايع غذايي ...) را شامل مي شود. شايد يکي از تعاريف ساده و
نزديک به ذهن در بيوتکنولوژي انواع دسته بند يهاي محصولات حاصل
از تخمير باشد که به چهار دسته مهم تقسيم مي شود:
• مولکولهاي کوچک ( (Small Molecules
• ماکرو مولکولها (مانند آنزيمها و پروتئين ها)
• مواد ساده سلولي (مانند مخمر نان)
• محصولات کمپلکس (مانند غذاهاي تخميري و محصولات کشاورزي)
ماکرومولکولها که از مهمترين اين محصولات مي باشند بخش بسيار وسيعي از
فرايندهاي بالا دستي و پايين دستي بيو تکنولوژي را به خود اختصاص داده و
بيو
تکنولوژي نيز بيشترين پيشرفت و توسعه را به اين دست از محصولات اختصاص
داده است. به لحاظ اهميت و گستره اين محصولات لقب نسل اول مواد و
يا محصولات بيو تکنولوژيکي ( First Generation ) را مي توان به آنها اطلاق نمود.
اما
در سالهاي اخير علاقه مندي بشر به نسل ديگري از محصولات بيو تکنولوژيکي
روز بروز افزون شده و تا جايي که تکنيکهاي بالا دستي و پايين دستي را
کاملا
تحت شعاع خود قرار داده است. امروزه نياز فراواني براي توليد، بازيافت و
خالص سازي نانو بيو مواد (محصولات) نظير پلاسميد DNA و ويروس ها براي
ژن
درماني، اسمبلي ماکرومولکولها (مانند پروتئين نانو ساختارها) بعنوان حامل
دارو و ذرات ويروس مانند (Virus-like particle) براي استفاده در واکسن ها
(
Vaccine components ) وجود دارد و محققين خود را مواجه با مشکلات و معضلات
جديدي در اين خصوص مي بينند. نانو بيو مواد بواسطه اندازه ويژه شان
(با
قطر10-300 نانو متر) ، شيمي سطح پيچيده و ارگانيزمهاي دروني شان تکنيکهاي
بلا دستي و پايين دستي گسترش يافته براي نسل اول مواد بيولوژيکي
را
به مخاطره انداخته و روش هاي جديدي را براي توليد و بازيافت طلب مي
نمايند. به همين منظوربا يک دسته بندي منطقي ميتوان اين دست از محصولات
بيو تکنولوژيکي را نسل دوم ( Second Generation ) محصولات ناميده و راه کارهاي جديد را در مواجهه با آنها جستجو نمود
نانوتكنولوژي مجموعهي است از فناوريهايي كه بصورت انفرادي يا با هم جهت
در به كارگيري و يا درك بهتر علوم مورد استفاده قرا رميگيرند. بعضي از اين
فناوريها
هماكنون در دسترساند و بعضي نيز در حال توسعه و پيشرفت ميباشند كه ممكن
است در طي سالها و يا دهههاي بعد مورد استفاده واقع
شوند.
بيوتكنولوژي جزء فناوريهاي در حال توسعه ميباشد كه با به كارگيري مفهوم
نانو به پيشرفتهاي بيشتري دست خواهد يافت. يک تعريف کلاسيک از
تعامل بيوتكنولوژي و نانوتكنولوژي بصورت زير بيان مي گردد:
"
بيوتكنولوژي به نانوتكنولوژي مدل ارئه مي دهد در حالي که نانوتكنولوژي با
در اختيار گذاشتن ابزار براي بيوتكنولوژي آنرا براي رسيدن به اهدافش ياري
مي رساند."
پر واضح است که تعامل بيوتكنولوژي و نانوتكنولوژي ويا به تعبيري
نانوبيوتكنولوژي بسيار فراتر از اين مي باشد. شايد بتوان گفت
نانوبيوتكنولوژي استفاده از
قابليت
هاي نانو در کاربردهاي زيستي است و اين شاخه از فناوري به ما اجازه مي دهد
تا اجزا و ترکيبات را داخل سلولها بصورت عام قرار داده و يا با استفاده
از
روش هاي جديد خو آرايي و مکان آرايي در موج اول نانوبيوتكنولوژي نانو بيو
مواد را ساخته و با تکنيکهاي پيشرفته به خالص سازي و بازيافت آنها
بپردازيم.
بي
گمان زمينه ها و فازهاي بعدي اين فناوري جديد به توليد وسايل نانو بيو (
موج دوم ) و در نهايت به ارائه ماشين هاي هوشمند و روباط ها منجر خواهد
شد ( موج سوم ) که کاربردهاي فراواني در حوزه هاي مهم بيوتكنولوژي مانند پزشکي، کشاورزي و صنايع غذايي خواهند داشت.
سوالي که به ذهن متواتر شده و محققان و متخصصان به علوم بيوتكنولوژي ونانو
بيوتكنولوژي را متوجه آن کرده است اين است که مرز بيوتکنولوژي و
نانوبيوتکنولوژي در کجاست ؟
اگرچه
اين دوفناوري هم پوشانيهاي زيادي دارند و به تعبيري داراي مرزهاي نامشخص (
( Fuzzy مي باشند اما شايد دسته بندي محصولات بيوتکنولوژيکي
به
نسل اول و نسل دوم کمک قابل توجه اي به اين موضوع بنمايد .حوزه اي از
فناوري که با توليد، باز يافت و بکارگيري نسل دوم مواد و محصولات
بيوتکنولوژيکي
سروکار دارد ، همان نانوبيو موادي که توليد و بازيافت و خالص سازيشان
خصوصا" در ابعاد صنعتي به شدت تکنيک هاي موجود را به مخاطره
انداخته و روشهاي نوين را مي طلبد، مي تواند محدوده کاري نانوبيوتکنولوژي و يا بيونانوتکنولوژي باشد
با تقسيم بندي اولويت هاي تحقيقاتي نانوبيوتکنولوژي به سه موج نانو بيو
مواد، نانو وسايل و نانو ماشين ها (همانگونه که در متن بالا به آن اشاره
شد) ،
لزوم
تمايز بيو تکنولوژي و نانو بيو تکنولوژي بطور وضوح در محدوده کاري موج اول
نانو بيو تکنولوژي خود را نمايان مي سازند چون بي ترديد موج هاي دوم و
سوم اين فناوري هم پوشاني بسيار ناچيزي با بيوتکنولوژي به معناي عام خواهند داشت.
اما موضوع بعدي که ضرورت شفاف سازي و بيان وا ژه ها در آن مهم مي باشد
تشابه و تمايز نانوبيوتکنولوژي و بيونانوتکنولوژي مي باشد. به بيان ديگر
اصولا
فرقي بين اين دو واژه وجود دارد و اگر چنين است اين تمايزات چيست؟
براي
ساخت تمام نانو مواد ها (ذرات ها) همواره دو روش در نانو تکنولوژي مد نظر
مي باشد، ابتدا روشهاي بالا به پايين Top down) ) وسپس روش هاي
پايين
به بالا ( (Bottom up . نانو بيو ذرات نيز از اين قاعده مثتثني نبوده و
بوسيله يکي از اين دو روش توليد مي شوند. اگر يک نانو بيو محصول از روش هاي
بالا
به پايين توليد شود، به بيان ديگر با تکيه بر اصول و مباني اصلي بيو
تکنولوژي، و در ادامه با روش هاي اصلاح شده خالص سازي و بازيافت که با کمک
تکنيکهاي
جديد توسعه يافته و براي محصولات نسل دوم (نانو بيو مواد ها) بکار گرفته
مي شود به محصول نهايي ( (End product تبديل شود، به اين
مجموعه
از فناوريها بيونانو تکنولوژي اطاق مي شود. به عنوان مثال بيوراکتوري را
در نظر بگيريد که يک سلول حيواني خاص در آن کشت داده شده و در
شرايط
ويژه رشد نمايد. محصول مورد نظر يک ويروس درون سلولي مي باشد که براي
استفاده در ژن درماني با درجه خلوصي ويژه مورد نياز مي باشد. بدين
ترتيب
نانو بيو محصول مورد نظر در درون سلول توليد شده و سپس بازيافت مي شود (از
بالا به پايين). از طرفي ديگر اگر با بهره وري مستقيم از فناوري نانو
يک
نانو بيو محصول از پايين به بالا ساخته شود مي توان اين حوزه از فناوري
نانو را نانوبيو تکنولوژي دانست. مثال واضح آن توليد تمام نانو بيو ذرات از
طريق
خود
آرايي و مکان آرايي مي باشد که بادر کنارهم قرارگرفتن اجزا تشکيل دهنده،
محصول مطلوب توليد مي شود. اسمبلي ماکرومولکولها و بطور خاص
پروتئين
نانو ساختارها از مثال هاي جالب توليد از پايين به بالاي نانو بيو مواد مي
باشد که مي توانند بعنوان حاملهاي دارو استفاده شوند. بکارگيري اين روش
در ابعاد آزمايشگاهي خوشبختانه در داخل کشور آغاز شده و در حال گسترش وتکامل مي باشد.
بطور کل بنظر مي رسد که دنيا در ساخت مواد از بالا به پايين تا حدودي زيادي
موفق بوده است و از ساخت توده اي مواد وبازيافشان (بيونانو تکنولوژي) و
رسيدن
به بيوذرات در اندازه نانو بهره ها برده و ما نيز بايد با برنامه ريزي
مدون در داخل اين مهم را گسترش داده و تقويت نماييم ( البته در اندازه هاي
آزمايشگاهي
موفق بوده ايم و بايد در فاز بعدي به سمت توليد انبوه و صنعتي برويم ).
ساخت از پايين به بالاي بيوذرات در دستور کار مراکز تحقيقاتي جهان
قرار دارد و پيش بيني ها حاکي از آن است که دنيا بتواند به توليدات قابل توجه اي در اين خصوص تا سال 2015 ميلادي دست يابد.
بمانند مبحث قبلي (مرزهاي بيو تکنولوژي و نانوبيو تکنولوژي) با عبور از موج
اول تحقيقات و توليدات، اهميت شفاف سازي واژه ها بين بيونانو تکنولوژي
ونانو
بيو تکنولوژي نيز کم رنگ شده ونانو بيو تکنولوژي تا حد زيادي موج هاي دوم و سوم تحقيقات و فعاليتها را در انحصار خود قرار مي دهد.
محققان همواره براي رسيدن به اهداف ريز و درشت علمي تحقيقاتي خود نيازمند
به دسته بندي ها و اولويت بنديها مي باشند. با توفيقات نسبتا" خوبي که
در
زمينه هاي تحقيقاتي بيونانو تکنولوژي در فرايندهاي بالا دستي بوجود آمده
است، لزوم توجه بيشتر به فرايندهاي پايين دستي بيونانو تکنولوژي بيش از
پيش
نمايان مي شود. البته نياز پژوهش گران به بهينه سازي توليد نانو بيو مواد
در ابعاد صنعتي همچنان از دغدغه هاي جدي در سالهاي آينده مي باشد.
در
کنار بيونانو تکنولوژي که به تعبيري مقدم بر نانو بيوتکنولوژي مي باشد،
بايد با جديت به نانو بيوتکنولوژي و سه موج مهم آن پرداخت و بر اساس
اولويتهاي
مطرح
شده براي رسيدن به اهداف کوتاه مدت، ميان مدت و بلند مدت برنام ريزي نمود
تا بتوان همگام با ديگران در جهان شعار تعلق قرن بيست و يکم به نانو
تکنولوژي را منصه ظهور رساند.
معرفی پژوهشکده نانوبیوتکنولوژی:
پس از اخذ موافقت قطعی تأسیس مركز تحقیقات نانوتكنولوژی زیستی در تاریخ ۱۹/۱۰/۱۳۸۶ از سوی شورای گسترش دانشگاههای علوم پزشكی وزارت
بهداشت
و درمان و آموزش پزشكی، مجوز تأسیس پژوهشكده نانوبیوتكنولوژی نیز از سوی
هیأت امنای جهاد دانشگاهی در تاریخ ۱۷/۸/۱۳۸۷ صادر گردید.
این
پژوهشكده همگام با توسعه فعالیتهای بنیادین پژوهشگاه ابن سینا در زمینه
فنآوریهای نوین علوم زیستی و در راستای اجرای سیاستها و اهداف
كوتاه
مدت و بلند مدت ستاد نانوتكنولوژی در كشور با ایده محوری تولید و كاربرد
نانومواد در زمینههای مختلف علوم پزشكی و تلاش برای كاربرد نانوتكنولوژی
در تشخیص و درمان بیماریها شروع به فعالیت نمود. این پژوهشكده عضو قطعی شبكه آزمایشگاهی فنآوری نانو كشور میباشد. برنامه اصلی
پژوهشكده
نانوتكنولوژی زیستی اجرای پروژههای تحقیقاتی مرتبط با نانوبیوتكنولوژی و
به طور اختصاصی، كاربرد نانوذرات و ساختارهای در اندازه نانو در
تشخیص و درمان سرطانها میباشد.
در حال حاضر این پژوهشكده دارای ۳ گروه پژوهشی میباشد:
1. گروه پژوهشی نانوتکنولوژی
2. گروه پژوهشی تکنولوژی نوترکیب
3. گروه پژوهشی نانوبیوسنتز
این پژوهشكده طرحهای پژوهشی متعددی را درخصوص موضوعات مرتبط با اولویتها و
محورهای فعالیت خود با تأمین بودجه از منابع داخلی و بینالمللی در
دست
انجام دارد. ازجمله وجوه تمایز این پژوهشكده همكاری و فعالیت تحقیقاتی
متخصصین علوم پایه از رشتههای مختلف علوم زیستشناسی و شیمی
در
كنار یكدیگر در انجام طرحهای پژوهشی و درمانی میباشد. هدف همه متخصین و
افراد صاحبنظر در این پژوهشكده توسعه دانش و فنآوری نانو در
زمینههای مختلف علوم پزشكی از جمله تشخیص و درمان بیماریهای مزمن و صعبالعلاج میباشد.
با
توجه به جوان بودن نسبی علم نانوتكنولوژی و گسترش فوقالعاده سریع آن در
یك دهه گذشته، گستره وسیعی از تحقیقات، فراروی محققین علاقهمند به
فن
آوری نانو قرار گرفته است كه البته دستیابی و برنامهریزی برای تمام این
جنبهها امكان پذیر نیست لذا این پژوهشكده اولویتهای تحقیقاتی خود را در
حیطه كاربرد نانو در بیوتكنولوژی و پزشكی بر روی محورهای ذیل متمركز نموده است:
1. طراحی سیستم های تشخیصی و درمانی نوین سرطان
2. طراحی سیستم رهایش كنترلشده دارو
3. تولید پروتئینهای نوتركیب داروئی و مطالعات مولكولی با استفاده از این پروتئینها.
4. جداسازی و تخلیص سلول یا پروتئینها با استفاده از روشهای نوین (همچون ذرات مغناطیسی...)
5. ساخت نانو ساختارهای هوشمند برای انتقال دارو
6. سنتز نانوذرات شیمیایی و یا بیولوژیكی
اكنون با تلاش اعضاء هیأت علمی این پژوهشكده، دانش فنآوریهای ذیل در این پژوهشكده راهاندازی و تثبیت شده است:
1. تولیدذرات نیمه هادی نقاط كوانتومی(CdSe)، استقرار گروههای عاملی و كونژوگاسیون آنها به آنتیبادی ضد سرطان پستان و تخمدان.
2. اتصال نانوذرات مغناطیسی به آنتیبادیهای منوكلونال و پپتیدها، بهینهسازی و استفاده در تشخیص سرطان پستان.
3.
بررسی و بهینهسازی كروماتوگرافی تمایلی یون فلزی (metal-ion affinity
chromatography) پروتئینهای واجد دم هییستیدین با استفاده از
ذرات مغناطیسی).
4. استخراج و تخلیص نانوذرات مغناطیسی از باكتری مگنتوتاكتیك.
5. ساخت و بررسی كیفیت ستونهای MACS با همكاری شركت نانورنگدانه شریف.
از طرف دیگر در حال حاضر كارگاههای تئوری-عملی متنوعی توسط گروههای پژوهشی این پژوهشكده جهت آموزش دانشجویان و محققین علاقهمند
طراحی شده است. این كارگاهها آموزشی شامل موارد ذیل میباشند:
1. سنتز نانوذرات كوانتومی در حلالهای كوئوردینه شده و غیر كوئوردینه كننده
2. اندازهگیری خلوص دارو در aqua-gel با HPLC در شرایط مختلف
3. سنتز و محافظت نانوذرات مغناطیسی
برنامههای توسعه در آینده:
1. دستیابی به دانش بومی تولید نانوذرات مورد استفاده در پزشكی كه قابلیت جایگزینی نمونههای خارجی موجود در بازار را داشته باشند.
2. انجام طرحهای تحقیقاتی در زمینه Drug Delivery كه اولویت اول وزارت بهداشت، درمان و آموزش پزشكی در زمینه نانو فنآوری میباشد.
3. توسعه و راهاندازی آزمایشگاه های جدید مرتبط با تكنولوژی نانو.
4. حضور فعال در شبكه آزمایشگاهی نانو.
5. جذب نیروی انسانی متخصص در راستای افزایش بهره وری.
6. پذیرش و آموزش دانشجویان مقطع كارشناسی ارشد و دكتری نانوبیوتكنولوژی.
7. تبدیل شدن به یك قطب پژوهشی از طریق: دستیابی به آخرین فنآوریهای روز و رشتههای مرتبط، افزایش توان تخصصی جهت انجام
فعالیتهای
پژوهشی و خدمات تخصصی، ایجاد محیط پژوهشی پویا و مولد علم، برقراری ارتباط
موثر بین المللی، انجام پژوهش های نوین در حیطه تخصصی
مربوطه و پرورش دانشجویان پژوهشگر قابل و شاخص در حیطه تخصصی.
بخشی از تجهیزات آزمایشگاهی پژوهشكده نانوبیوتكنولوژی:
Flow
Cytometer (فلوسایتومتر)، Peptide Synthesizer (پپتیدسنتسایزر)، DNA
Sequencer ، High Resolution Immunofluoresent Microscope ، Invert
Immunofluoresent Microscope ، Wallac 1420 Multilable Counter ( با
امكانات Fluorimetry، Photometry، Luminometry ، Time-resolved Flurometry،
Kinetic measurements، Scanned measurements ، Temperature control،
Shaking of plates و Dual filter measurements)، كوره الكتریكی، سیستمهای
كروماتوگرافی HPLC، FPLC ، سیستم های الكتروفورز تك بعدی و دو بعدی، دستگاه
Developer وسترن بلات، Cryotome (كرایوسكشن)، Automated Immunostainer،
انواع انكوباتورهای كشت، هود بیولوژیك، هود شیمیایی، دستگاه سونیكاتور و
هموژنایزر، Freeze Drying (lyophilization or cryodesiccation)،
ترموسایكلر، Real time PCR، اسپكتروفتومتر(UV/Vis)، ترازوهای مختلف
دیجیتالی با دقت بسیار بالا و رطوبت سنج، دستگاههای سانتریفیوژ با قابلیت
تنظیم دما و دور بیش از ۱۳۰۰۰ دور در دقیقه، انواع شیكر، یخچالهای ۴+، ۲۰-
و ۷۰-، دستگاه تزریق اتوماتیك، روتاری، دستگاه Glove Box، ژلدرایر و ...
روند برگزاری دورههای دکتری نانوبیوتکنولوژی در دانشگاه علوم پزشک:
با
توجه به اهمیت فعالیت در عرصة نانوتکنولوژی در کشور، برخی از دانشگاههای
کشور در نظر دارند دورههای آموزشی مرتبط با نانوتکنولوژی راهاندازی کنند.
دانشگاه
علوم پزشکی تهران یکی از این دانشگاهها است که درنظر دارد با تأکید بر
نانوتکنولوژی، دانشکده فناوریهای نوین را تأسیس نماید. در این رابطه،
گروه
بیوتکنولوژی شبکة تحلیلگران تکنولوژی ایران با دکتر سرکار، عضو هیأت علمی
دانشگاه علوم پزشکی تهران و عضو حقیقی ستاد ویژة نانوتکنولوژی
کشور، گفتگویی انجام داده است که مطلب زیر حاصل این گفتگو است:
تأسیس دانشکدة فناوریهای نوین در دانشگاه علوم پزشکی تهران :
دانشگاه
علوم پزشکی تهران در نظر دارد در سال جاری، دانشکدة فناوریهای نوین در
پزشکی " را تأسیس نماید. تصمیم بر این است که در ابتدا این
دانشکده با سه رشته راهاندازی شود که عبارتند از:
1- بیوتکنولوژی
2- نانوبایومدیسین، شامل نانوبیوتکنولوژی، نانومدیسین ( Nanomedicine ) و نانوفارماسی ( Nanopharmacy ) و
3-
بیومدیکال انفورماتیک، شامل انفورماتیک بهداشت عمومی ( Public Health
Informatics ) ، انفورماتیک پزشکی ( Medical Informatics ) و بیومدیکال
انفورماتیک ( Biomedical Informatics ) .
برای
شروع، هر یک از این رشتهها و زیررشتههای مربوطه، بهصورت بالک و به شکل
سه رشته راهاندازی میشوند و سپس با گسترش آنها و افزایش
مطالب
در هر یک از بحثهای تخصصی، هر زیررشته به صورت یک رشته مجزا تشکیل خواهد
شد. لازم بهذکر است که برگزاری این دوره، نتیجة فعالیت
گروهی از استادان، معاون آموزشی و رییس دانشگاه علوم پزشکی تهران است.
راهاندازی دورة دکترای نانو بایومدیسین ( Nanobiomedicine ) :
این
دوره در مقطع دکتری برگزار خواهد شد. در رابطه با این رشته،
برنامهریزیهای لازم انجام شده و واحدها و سیلابسهای درسی تعیین شدهاند.
مطالبی
که در این دوره گنجانده شده است، عبارتند از: نانوبیوتکنولوژی،
نانودیوایسها، نانوفارماسی، نانوبیوسنسورها و نانوروبوتها. دانشجویان
متناسب با
زمینة تحصیلی خود و علاقة فردی میتوانند در هر یک از مباحث فوق یک پروژة تحقیقاتی انجام دهند.
همچنین
برنامة درسی دورة کارشناسی ارشد این رشته جهت تصویب به وزارت بهداشت،
درمان و آموزش پزشکی داده شده است.قرار بر این است که این
دوره از بهمن ماه سال جاری، در این دانشگاه فعال شود.
علاوه بر این، دانشگاه در راستای تقویت کادر علمی خود، چهار نفر از متخصصان را جهت ادامة تحصیل در خارج از کشور، بورسیه نموده است.
هماهنگی با ستاد ویژة نانوتکنولوژی
اگرچه
اغلب فعالیتهای فوق، قبل از راهاندازی ستاد ویژة نانوتکنولوژی انجام شده
است، ولی با روشن شدن برنامة این ستاد مبنی بر توسعة منابع
انسانی،
فعالیتهای قبلی دانشگاه و این ستاد در این خصوص همراستا شدند. در حال
حاضر نیز با توجه به برنامههای تصویب شده در ستاد نانوتکنولوژی،
این دانشگاه متقاضی برگزاری دورة PhD در زمینة نانو شده است.
هماهنگی با ستاد ویژة نانوتکنولوژیک
اگرچه
اغلب فعالیتهای فوق، قبل از راهاندازی ستاد ویژة نانوتکنولوژی انجام شده
است، ولی با روشن شدن برنامة این ستاد مبنی بر توسعة منابع
انسانی،
فعالیتهای قبلی دانشگاه و این ستاد در این خصوص همراستا شدند. در حال
حاضر نیز با توجه به برنامههای تصویب شده در ستاد نانوتکنولوژی،
این دانشگاه متقاضی برگزاری دورة PhD در زمینة نانو شده است.
چرا با دورة دکتری آغاز شده است؟
تأکید
بر راهاندازی دورة دکتری در شروع کار، از این جهت است که زمینة فعالیت در
فناوریهای نوین بسیار تخصصی است. به عبارت دیگر، شروع هر فعالیت
در
این گونه فناوریها از نوآوری و تحقیق آغاز میشود؛ لذا بهدلیل اینکه
تنها در مقطع دکتری امکان انجام تحقیقات جامع وجود دارد، در ابتدا باید
مقطع دکتری
را
تأسیس کرد و سپس به سوی راهاندازی دورههای کارشناسی ارشد و کارشناسی قدم
برداشت (برخلاف فناوریهای قدیمیتر که میتوان آموزش را از
مقاطع پایینتر آغاز نمود) .
بیبوک
سلام!