کانون آموزش زیست شناسی گرگان

بیوتکنولوژی، بیونانوتکنولوژی و نانوبیوتکنولوژی: مرزها و هم پوشانی ها، تشابهات و تمایزات

خلاصه :
سؤالی که به ذهن متواتر شده و محققان به علم بیوتکنولوژی و نانوبیوتکنولوژی را متوجه آن کرده است این است که مرز بیوتکنولوژی و نانوبیوتکنولوژی در کجاست؟ در این مقاله به بحث راجع به پاسخ این سؤال پرداخته میشود.

منبع: ستادتوسعه فناوری نانو

مقدمه

تلفیق بیوتکنولوژی با فناوری نوظهور نانوتکنولوژی ، مباحث جدیدی را بین محققان ، هم در سطح دانشگاهی و هم در حوزه صنعت بوجود آورده است. نتیجه این تلفیق ، ظهور بیونانوتکنولوژی به عنوان یک زمینه تحقیقاتی بین رشته‌ای است که به سرعت در حال رشد و توسعه است و با مقوله علم و مهندسی در سطح مولکول ارتباط دارد. تنها تفاوتی که بین بیونانوتکنولوژی و بیوتکنولوژی وجود دارد این است که طراحی و ساخت در مقیاس نانو جزء لاینفک پروژه‌های بیونانوتکنولوژی است در حالی که در پروژه‌های بیوتکنولوژی ، نیازی به فهم و طراحی در حد نانو نیست.

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.

مواد زیستی

کاربرد دیگر بیونانوتکنولوژی ، ساخت مواد زیستی مستحکم و زیست تخریب پذیر است. از جمله این مواد می‌توان به DNA و پروتئین‌ها اشاره کرد. موارد کاربرد این مواد و بخصوص در زمینه پزشکی متعدد است. از جمله موارد کاربرد این مواد ، استفاده از آنها به عنوان بلوک‌های سازنده نانومدارها و در نهایت ساخت وسایل نانویی Nano-Device 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 ت?کید می‌شود که کاربرد هر کدام از این دو واژه ، تا حد زیادی سلیقه‌ای‌ است و به زمینه تخصصی محققان مختلف بستگی دارد.

نتیجه‌گیری و چشم انداز

بیونانوتکنولوژی یک حوزه نوین ناشی از تلفیق علوم زیستی و مهندسی در حوزه نانو است که افقهای جدیدی را در زمینه ساخت و توسعه سیستمهای تلفیقی بوجود آورده و محققان را امیدوار کرده است که بتوانند از این تلفیق ، در ساخت نانوساختارهایی استفاده کنند که در آنها از مولکولهای بیولوژیکی به عنوان اجزای سیستم مورد نظر استفاده شود. به عنوان مثال ، از استراتژی طراحی بیولوژیک مثلا ، حالت زیپ مانند مولکول دورشته‌ای DNA بتوانند در ساخت چارچوب های جداشدنی و الگویی برای چینش Assembly پایین به بالای فرآیندی که طی آن ، سازماندهی مولکولی ، بدون دخالت نیروی خارجی صورت می‌گیرد مواد معمول‌تر استفاده کنند.

این توانمندی نه تنها در حل مسائل مهمی در علوم زیستی چون کاوش و شناسایی دقیق ساختار موجودات زنده کاربرد خواهد داشت، بلکه می‌تواند محققان را در رفع چالشهای عمده مهندسی همچون نیاز به تکنیکهای نوین جهت سنتز مواد و دستکاری آنها یاری دهد و به این ترتیب دنیای نانو را به دنیای ماکرو وصل کند. به عبارت دیگر این شاخه مهم علمی یعنی بیونانوتکنولوژی ، به زودی قابلیت کاربرد در حوزه‌های مختلف غیرزیستی و حوزه‌های کاربردی ماکرو را خواهد داشت کاربردهایی که هر چند در حوزه زیستی نیستند ولی الهام گرفته از فرآیندهای زیستی Bio-inspired هستند.

جلوگیری از انعقاد خون با نانوذرات نقره

منبع : www.physorg.com

استفاده از نانوذرات به‌عنوان تقویت‌کننده در چسب‌های دندانی

به‌تازگی در پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران، نانوذره‌ای سنتز شده است که می‌توان از آن، بهعنوان تقویت‌کننده در چسب‌های دندانی استفاده کرد. همچنین استفاده از این نانوذره، خطر سمیت ناشی از استفاده از سایر نانوذرات را ندارد.

پژوهشگران پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران بر این باورند که با توجه به اتصال مستقیم سیستم چسباننده با عاج یا مینای دندان، استفاده از نانوذرات هیدروکسی آپاتایت به عنوان تقویت‌کننده در سیستم‌های چسب دندانی، مناسب به‌نظر می‌رسد.

همچنین برخی شواهد نشان می‌دهند که استفاده از نانوذرات هیدروکسی آپاتایت احتمالاً می‌تواند باعث ترمیم مجدد بخش از دست رفته دندان شود. عامل دیگری که استفاده از نانوذرات هیدروکسی آپاتایت را در سیستم‌های اتصال‌دهنده عاجی مناسب می‌سازد، امکان نفوذ نانوذرات به داخل توبول‌های عاجی و در نتیجه، افزایش اتصال ریزمکانیکی است. استفاده از این نانوذرات در سیستم‌های چسب دندانی، علاوه بر افزایش در استحکام اتصال به دندان، می‌تواند باعث کاهش خطر سمیت در اثر استفاده از سایر نانوذرات شود.

مهندس مهدی سادات شجاعی در گفتگو با بخش خبری سایت ستاد ویژه توسعه فناوری نانو گفت: «دو ویژگی مهم نانوذرات هیدورکسی آپاتایت برای استفاده در چسب‌های دندانی، درجه بلورینگی و پایداری کلوئیدی آنهاست. با افزایش درجه بلورینگی، خواص استحکام‌بخشی نانوذرات افزایش می‌یابد. پایداری کلوئیدی بالای نانوذرات نیز برای سهولت کار کردن با چسب دندانی به‌وسیلۀ دندانپزشک ضروری است».

مهندس سادات شجاعی افزود: «به این منظور، در این تحقیق، از دو فرایند کاملاً متفاوت و ابتکاری اصلاح حلالی و هیدروترمال برای سنتز نانوذرات هیدروکسی آپاتایت استفاده کردیم. در روش اصلاح حلالی، ابتدا محلول‌های با غلظت مشخص از کلسیم نیترات چهار آبه و آمونیوم فسفات تهیه کرده و مقدار مشخصی هگزان نرمال و پنتانول نرمال و CTAB و محلول نیترات کلسیم چهار آبه با یکدیگر مخلوط کردیم. سوسپانسیون حاصل را به شدت هم زده و تحت امواج التراسونیک قرار دادیم تا محلول شفافی حاصل گردد. سپس مقدار مشخصی سورفکتانت خنثی و مقدار مشخصی از محلول آمونیوم فسفات را به صورت قطره قطره اضافه کرده و تغییرات pH را با استفاده از محلول آمونیاک تنظیم نمودیم. در پایان، برای جدا کردن قالب و کلسینه کردن نمونه، محصول را در دمای 600 درجه سانتیگراد برای مدت دو ساعت تحت حرارت قرار دادیم. در روش هیدروترمال بر خلاف روش قبل از آب به جای حلال آلی استفاده می‌شود. همچنین مواد فعال سطحی نیز حذف می‌گردند. در این روش، بعد از پایان واکنش، سوسپانسیون حاصله وارد راکتور شده و در دمای 200 درجه سلسیوس به مدت 60 ساعت تحت اصلاح هیدروترمالی قرار می‌گیرد».

نتایج نشان دادند که نانوذرات سنتز شده در روش هیدروترمال بدون نیاز به انجام اصلاح سطحی دارای پایداری کلوئیدی و درجه بلورینگی بالاتری نسبت به روش اصلاح حلالی هستند.

ستاد ویژه توسعه فناوری‌نانو www.nano.ir

نحوه ی عملکرد سیستم عصبی

درک روزافزون ما از آناتومی مغز و فیزیولوژی دستگاه عصبی به درک جدید ما از"انعطاف پذیری مغز" کمک می کرد. همه ما میدانیم که نحوه ی عملکرد حس بینایی، شنوایی، لامسه و بویایی متفاوت است. ولی ریشه ی این تفاوت در کجاست؟ چگونه مغز می تواند تفاوت تحریک های حسی مختلف را تشخیص دهد؟

از اوایل قرن نوزدهم بحث در این مورد موضوع مورد توجه بسیاری از محققان بود. بعضی از محققان بر این باور بودند که همه ی عصبهای انسان انرژی را منتقل می کند  و تفاوت بین حسهای مختلف "میزان" متفاوت انرژی موجود  در آن حس خاص میباشد. آنها بر این باور بودند که چشم می تواند نور را حس کند، زیرا که نسبت به پوست عضو بسیار حساس تر و ظریف تری است. بعضی محققان دیگر بر این باور بودند که هر حسی انرژی متفاوتی را که خاص همان حس است منتقل می کند و عصب های یک حس نمی توانند تحریک های حس دیگر را منتقل کنند.

در سال 1826 ژوهانس مولر(1) "قانون انرژی مشخص اعصاب" را مطرح کرد. او اضافه کرد که به نظر می رسد اعصاب هر حس فقط توان درک یک نوع حس را دارند و توان درک تحریک های حس دیگر را ندارند. در نتیجه اعضای یک حس نمی توانند جایگزین حس دیگر بشوند و یا عمل حس دیگر را تقبل کنند.(2) یکی از شاگردان ژوهانس مولر مطرح کرد که اگر با عمل جراحی می توان عصب بینایی و عصب شنوایی را به هم وصل کرد پس باید بتوانیم صدا را ببینیم و رنگ را بشنویم.

البته با رشد علم و مطالعات 150 سال گذشته درک ما از عملکرد سیستم عصبی دقیقتر شده است. مثلاً ما می دانیم که گیرنده های حسی، منبع انرژی خارجی را (صدا، نور، فشار فیزیکی و غیره) تبدیل به جریان های الکتریکی می کنند و آن جریان های الکتریکی از طریق اعصاب مختلف به مغز منتقل می شوند. این جریان های الکتریکی زبان مشترک مغز می باشد. به عبارت دیگر صدا، نور، بو، فشار و غیره همه به جریان های الکتریکی بدل می شوند. این درک جدید از سیستم عصبی این امکان را به وجود آورد که از سیستم عصبی یک حس مثلاً بینایی برای کمبود سیستم حس دیگر مثلاً شنوایی استفاده شود. به عبارت دیگر یک سیستم حسی می تواند کار سیستم حسی دیگر را انجام بدهد.

مطالعه ساختار مغز هم شباهت فوق العاده قسمت های مختلف مغز را نشان داد. به طور مثال ورنون مونت کسل(3) نشان داد که غشاء خارجی مغز در قسمت های بینایی، شنوایی و حسی یک ساختار سلولی شش لایه ای مشابه دارد. باخی ریتا از این مطالعات نتیجه گرفت که هر قسمت مغز، به دلیل این شباهت ساختاری و شباهت روش انتقال تحریک عصبی، باید بتواند هر مسئولیتی را از لحاظ درک حس های مختلف به عهده بگیرد. برای ثابت کردن این موضوع دانشمندان تکه هایی از غشاء بینایی مغز را برداشته و آن را به قسمت های حسی مغز پیوند زدند. این دانشمندان متوجه شدند که سلول های بینایی می توانند تحریک های لمسی را درک کنند.(4)

در یک مطالعه ی فوق العاده مریگانکا سور(5) عصب بینایی(6) یک حیوان را به قسمت شنوایی مغز او متصل کرد. با مطالعه ی تحریک های عصبی مغز این حیوان مرینگانکاسور نشان داد که حیوان می تواند ببیند و عمل تحریک مغز در واقع در قسمت شنوایی مغز رخ می دهد. یعنی قسمتی از مغز که وظیفه درک داده های صوتی را داشت تغییر وظیفه داده و به بررسی داده های بینایی پرداخته است.

درک غالب دانشمندان از مغز، همانگونه که اشاره شد، این بود که نور و رنگ و سایر تحریک های بینایی به قسمت بینایی مغز می رود و تحریک های صوتی به قسمت شنوایی مغز منتقل می شوند و در قسمت های مربوط به خود درک می شوند. این مطالعه بسیاری از شکاکان انعطاف پذیری مغز را قانع کرد و ثابت کرد که مغز انعطاف پذیری قابل توجهی دارد. این مطالعات درک دقیقتری از فعالیت مغز و امکانات مغز فراهم کرد.

این مطالعات و تحقیقات درک فعالانه تر و امیدوارانه تر و آینده نگرانه تری از مغز انسان و توان مغز انسان ارائه داده است. این شناخت نوین این پیام را به دنبال داشته است که با تلاش و روش های درست می توان توان مغز را بالا برد؛ پیامی امیدوار کننده، زیرا این نوید را می دهد که یک مشکل، یک سکته، یک ضربه فیزیکی به مغز الزاماً پایان کارخلاقیت و فعالیت مفید انسان نیست و او می تواند  با تداوم و پشتکار توانایی های خود را باز یابد. پیامی آینده نگر، زیرا امکانات جدیدی برای کمک به انسانهای آسیب دیده در پیش پای محققان قرار می دهد.

مطالعاتی که تا کنون به آن اشاره کردم فوائد عملی فراوانی برای بیماران متعددی داشته است. به طور مثال بعضی از بیماران دچار سرگیجه دائم هستند و فکر می کنند  دائم در حال افتادن هستند. این بیماران توان حفظ تعادل خود را ندارند. معمولاً علت عدم تعادل این بیماران ناتوانی قسمت گوش درونی(7) آنها است که وظیفه حفظ تعادل را به عهده دارد و دچار مشکل شده است و به خوبی کار نمی کند. مشکل ناتوانی حفظ تعادل آنچنان ویران کننده است که بسیاری از بیمارانی که چنین ناتوانی دارند دست به خودکشی می زنند. در اینجا قصد توضیح نحوه ی فعالیت سیستم حفظ تعادل بدن را ندارم. فقط اشاره می کنم که این سیستم به وسیله ی دستگاه بسیار ظریفی که در گوش درونی قرار دارد اطلاعات ضروری را که موقعیت بدن را در فضا تعیین می کند، به مغز انسان می رساند. برای حفظ تعادل، مغز، به اطلاعات بینایی هم نیاز دارد تا جایگاه ما را در فضا و در رابطه با محیط تعیین کند. اطلاعاتی که از مفاصل ما به مغز می رسد هم در این مجموعه اطلاعاتی نقش مهمی بازی می کند . مغز از تمامی این داده های حسی استفاده می کند  و تعادل انسان را هنگام فعالیت های مختلف روزانه مثل دویدن، ایستادن و غیره حفظ می کند . این کار از طریق ابلاغ دستورات لازم به عضلات بدن صورت میگیرد. درک انعطاف پذیری مغز برای این بیماران امید درمان ایجاد کرده است. باخی ریتا کلاهی ابداع کرده است که الکترودی به آن وصل است. این الکترود را در داخل دهان و در تماس با زبان قرار می دهند. در کلاه گیرنده ای است که حرکت در دو جهت را ثبت می کند . این اطلاعات به وسیله کامپیوتر نقشه ای ایجاد می کند  که روی مانیتور کامپیوتر می افتد. همان نقشه به وسیله ی الکترود به زبان فرد بیمار منتقل می شود. از این طریق فرد می تواند  جایگاه خود را در فضا ثبت کند و رابطه ی خود را در فضای سه بعدی بداند. ولی همانگونه که اشاره شد این اطلاعات نه از طریق گوش درونی بلکه از طریق زبان به مغز منتقل می شود. این آزمایش نه تنها انعطاف پذیری دستگاه عصبی را نشان می دهد بلکه ثابت می کند  که می توان از این انعطاف پذیری برای درمان ناتوانی ها و بیماری های سیستم عصبی و مغز انسان هم استفاده کرد. بعضی از بیمارانی که از این دستگاه استفاده کرده اند به زندگی طبیعی برگشته اند و نه تنها دچار مشکل تعادل نیستند بلکه به ورزش و رقص و لذت بردن از زندگی ادامه می دهند.

ناسا(8) از باخی ریتا خواست که دستکش حساسی برای فضانوردان تهیه کند. دستکش های موجود آنچنان ضخیم بودند که به فضانوردان امکان لمس اشیاء کوچک را نمی دادند. باخی ریتا گیرنده های الکتریکی بر روی دستکش جاسازی کرد که تحریک های  الکتریکی را به دست منتقل می کردند. این ابداع به فضانوردان امکان می داد که تماس کوچکترین شئی به دستکش را احساس کنند. باخی ریتا از این هم فراتر رفت و سعی کرد دستکشی بسازد که به بیمارانی که پوست آنها احساس خود را کاملاً از دست داده بود، مثل جذامیان، کمک کند. این دستکش ها می توانند تحریک های  الکتریکی حاصل از برخورد با اشیاء را در محیط به قسمت های عمقی و سالم پوست منتقل کنند و امکان حس اشیاء را فراهم بکنند. در همین چارچوب او سعی کرد دستکشی بسازد که به نابینایان امکان خواندن کامپیوتر را بدهد.

 خوانندگانی که در این نوشته و نوشته ی هفته ی گذشته ی شهروند با کارهای باخی ریتا آشنا شدند، مسلماً موافقت خواهند کرد که موفقیت های این دانشمند به نحوه ی تفکر او وابسته بود. باخی ریتا به توان انسان و توان خود باور داشت و میدانست که با کوشش و تلاش میتوان بر محدودیتهای محیط تا حد زیادی غلبه کرد. باخی ریتا به این گفته ی سوفوکل در آنتیگون که "شگفتیهای جهان بیشمارند، اما هیچ یک به عظمت شگفتی انسان نیست" باور داشت. در همه ی ما نیروهای بالقوه و ذاتی فراوانی وجود دارند که  متاسفانه اکثر ما این تواناییهای بالقوه را به فعل در نمی آوریم و اسیر محیط خود میمانیم. اگر میخواهیم از این نیروهای درونی خود استفاده کنیم، اگر میخواهیم در جامعه نقش فعال تری داشته باشیم باید نحوه ی تفکر خود را تغییر دهیم.

پانویس ها:

1-Johannes Muller

2-J. Muller. 1838. Printed in: Norman Doidge. The Brain that charge itself. Page 325-326

3-Vernon Mont Kessel

4-J. Haukins & S. Blakeslee. 2004. On Intelligence. New York Times Books, Henry Holt & Co. Page 54

5-Mriganka Sur

6-Ferrer

7-Vestibular apparatus

8-NASA 

منبع: