اثر مثبت نانوذرات بر درمان ام اس در موش‌ها

کانال تلگرام بیوتکنولوژی و مهندسی ژنتیک

یافته‌های محققان نشان می‌دهد که مرگ نوعی سلول مغزی در شکل‌گیری بیماری ام اس نقش دارد. پژوهشگران نانوذراتی ساختند که بتواند مانع از بروز این بیماری شده یا آن را به تعویق بیندازد.

به گزارش سرویس فناوری ایسنا، تحقیقات محققان روی موش‌ها نشان می‌دهد که می‌توان با استفاده از نانوذرات، بیماری ام اس را با دقت بالاتری مورد مطالعه قرار داد. پژوهشگران دریافته‌اند که مرگ برخی از سلول‌های مغزی باعث تحریک سیستم ایمنی بدن و بروز ام اس می‌شود. مرگ این سلول‌ها می‌تواند سرآغازی برای پاسخ سیستم ایمنی برعلیه ملین در بدن باشد. ملین ماده‌ای است که روی سطح اعصاب در بدن کشیده شده و نقش عایق را ایفا می‌کند.

یافته‌های پژوهشگران دانشگاه نورث‌وسترن نشان می‌دهد که نوعی نانوذرات می‌تواند مانع از بروز ام اس شود. در حال حاضر این نانوذرات در حال بهبود برای استفاده در آزمون بالینی هستند.

برایان پوپکو از محققان دانشگاه شیکاگو می‌گوید: «هر چند این پروژه روی موش‌ها انجام شده اما برای اولین بار ساز و کاری را به نمایش گذاشته که در آن بیماری ام اس آغاز می‌شود. محافظت از این سلول‌ها می‌تواند بروز ام اس را به تعویق انداخته یا مانع از بروز این بیماری شود.»

این گروه تحقیقاتی با استفاده از یک مدل موش آزمایشگاهی که از نظر ژنتیکی مهندسی شده بودند اقدام به انجام این پروژه کردند. این گروه، موش‌ها را طوری مهندسی کردند که بتوان اولیگودندروسایت‌ها را که مسؤول ساخت ملین در مغز هستند، مورد هدف قرار داد. این محققان با از بین بردن اولیگودندروسایت‌ها، دریافتند که رفتاری شبیه به MS در موش‌ها بروز کرد به طوری که قادر به راه رفتن نیستند.

برای حل این مشکل در بدن موش‌، بدن موش اقدام به تولید ملین می‌کند تا موش بتواند دوباره راه برود اما بعد از شش ماه حالت‌های ام اس در موش‌ها دیده شد. این اولین باری است که نشان داده شده‌ است که اولیگودندروسایت‌ها مسؤول بروز بیماری MS هستند. دلیل از بین رفتن این سلول‌ها نیز، ممکن است باکتری، ویروس، سموم یا آلودگی‌های محیطی باشد. در انسان بروز ام اس می‌تواند سال‌ها بعد از مرگ اولیگودندروسایت‌ها دیده شود.

کانال تلگرام بیوتکنولوژی و مهندسی ژنتیک

نتایج این پژوهش در قالب مقاله‌ای در نشریه Nature Neuroscience منتشر شده‌ است.

استفاده از نانوذرات برای از بین بردن عفونت های باکتریال

محققان دانشگاه نیو ساوت ولز استرالیا برای مقابله با زیست لایه های مضر راه جدیدی کشف کرده اند. روش غیر سمی آنها که با ترکیب نانوذرات و گرما همراه است، می تواند استفاده های گسترده ای در علم پزشکی داشته باشد.

هنگامی که باکتری به عنوانی واحدی مجزا و مستقل وجود داشته باشد، انسان قادر است به راحتی و به واسطه آنتی بیوتیک آن را کنترل و درمان نماید. اما وقتی سلول های آنها با یکدیگر ترکیب می گردند شبکه ای از زیست لایه ها موسوم به بایوفیلم را تشکیل می دهند که از بین بردنشان چندان آسان نخواهد بود.

حدود 80 درصد از عفونت ها و آلودگی دستگاه ها و تجهیزات پزشکی همانند تیوب های دیالیز به بایوفیلم ها مربوط می شود و از آنجایی که بسیار مقاوم هستند، می توانند موجب رشد مشکل در محیط های بیمارستانی شوند.

در پی یافتن راهکار مناسب برای این مسئله، محققان دانشگاه نیو ساوت ولز هنگام کار با پاتوژن (عامل بیماری زا) Pseudomonas aeruginosa (ارگانیسمی که مدل واکنش باکتری های دیگر به درمان را نمایش می دهد) به پیشرفت بسیار خوبی دست پیدا کرده اند.

به منظور از بین بردن زیست لایه ها، گروه مورد بحث سعی کردند روندی که سلول ها هنگام مهاجرت به مکان جدید در پیش می گیرند را بازسازی نمایند و به واسطه آن موجب شکسته شدن ساختار و تقسیم آنها به سلول های مجزا گردند. پس از این کار، سلول های جدا از هم در مقابل حملات درمانی مقاومت کمتری خواهند داشت و در نتیجه راحت تر می توان آنها را از بین برد.

برای این منظور، دانشمندان نانوذرات اکسید آهن را به زیست لایه ها تزریق نمودند، سپس آنها را به واسطه میدان مغناطیسی حرارت دادند. این کار موجب افزایش دما تا 5 درجه سانتی گراد و گرمازدگی مقطعی گردید و در نهایت پراکنده شدن سلول های بایوفیلم را موجب شد.

هنگامی که ماتریکس سلول ها در هم شکست، درمان باکتری نیز برای تیم تحقیق ساده تر گردید.

استاد راهنمای این تحقیقات، Cyrille Boyer در این رابطه اظهار داشته: «می توان این نانوذراتِ اکسید آهن که از پلیمر پوشیده شده اند را به منظور پراکنده ساختن سلول های زیست لایه ها در بسیاری از مصارف صنعتی و پزشکی مورد استفاده قرار داد. پس از متفرق نمودن باکتری ها، کار کردن با آنها آسان می گردد و پتانسیل لازم برای از بین بردن عفونت بایوفیلم های بسیار مقاوم و مضر، پدید می آید.»

در آخر نیز جای دارد اشاره کنیم یافته های علمی مورد بحث در مجله «ساینتیفیک ریپورت» به چاپ رسیده است.

کاربرد جدید DNA و نانوذرات طلا در فناوری نانو

یک گروه تحقیقاتی از مؤسسه بین‌المللی استاندارد و فناوری آمریکا (‏NIST‏) نشان داد با ‏قرار دادن نانوذرات طلا در نزدیکی نقاط کوانتومی و همچنین استفاده از الگوی ‏DNA‏ در ‏کنترل فاصله‌ها، می‌توان شدت نور فلورسانس این نقاط را به شکل قابل پیش‌بینی، کم یا زیاد ‏کرد. 
به گزارش سرویس فناوری ایسنا، این اکتشاف مسیر بالقوه جدیدی را در استفاده از نقاط کوانتومی بعنوان یک جزء در ‏بهبود عملکرد آشکارسازهای نوری، حسگرهای شیمیایی و لیزرهای در ابعاد نانو ایجاد ‏می‌کند.‏ 
این گروه راه‌هایی برای قرار دادن درست و دقیق انواع مختلفی از نانوذرات در کنار ‏یکدیگر و اندازه‌گیری رفتار هندسی نانومتری حاصله را ارائه داد. از آنجا که این اختراع ‏نیازمند عملکرد همزمان چندین نوع ذره است، استفاده از روش‌های قابل اطمینان برای ‏آرایش و و درک چگونگی تعامل آنها امری ضروری است.‏ 
این پژوهشگران به دنبال دو نوع نانوذره بودند؛ نقاط کوانتومی که در اثر تابش نور از خود ‏نور فلورسانت قرمز ساطع می‌کنند و نانوذرات طلا که برای تقویت نور اطراف نقاط ‏کوانتومی استفاده می‌شوند. عملکرد این دو در کنار هم، با استفاده از مستطیل‌هایی از ‏DNA‏ ‏تابیده و بافته شده (تکنیک موسوم به ‏DNA origami‏)، حسگرهای نانومقیاسی را تشکیل ‏می‌دهد.‏ 
آلکس لیدل از اعضای این گروه اشاره کرد: این مستطیل‌های ساخته شده از ‏DNA‏ ‏می‌توانند طوری طراحی شوند که نانوذرات را در نقاط مشخص، با دقت حدود یک نانومتر ‏ثابت نگه دارند. تغییرات بسیار کوچک در فاصله بین نقطه کوانتومی و نانوذره طلا در ‏نزدیکی یکدیگر (دور شدن یا نزدیک شدن به طلا) در مستطیل ‏DNA، باعث می‌شود که نقطه ‏کوانتومی بیشتر یا کمتر بدرخشد. از آنجا که این جابه‌جایی‌های کوچک می‌تواند به راحتی ‏با پیگیری تغییرات نور نقاط کوانتومی شناسایی شود، از آنها می‌توان به عنوان مثال برای ‏آشکار کردن حضور ماده شیمیایی خاص که به صورت انتخابی روی مستطیل ‏DNAای متصل ‏شده است، استفاده کرد. اگرچه راه‌اندازی صحیح این سیستم کاری بسیار پیچیده است. 
لیدل و همکارانش، چندین نوع مستطیل ‏DNA، هر کدام با آرایش مختلف نقاط کوانتومی ‏و نانوذرات طلا در محلول را ساخته‌اند. این پژوهشگران ‏توانستند با استفاده از لیزر بعنوان منبع نور، حرکت منفرد مستطیل‌های ‏DNA‏ را در محلول دنبال کنند. آنها همچنین توانستند ‏تغییرات عمر نور فلورسانت نقاط کوانتومی، هنگامی که به ذرات طلا با ابعاد مختلف نزدیک ‏می‌شوند را شناسایی کنند. 
بعلاوه آنها نشان دادند می‌توانند عمر دقیق نور فلورسانت ساطع ‏شده از نقطه کوانتومی وابسته به اندازه نانوذرات طلای مجاور را نیز پیش‌بینی کنند.‏ 
لیدل در انتها تصریح کرد: هدف آینده ما، بهره‌مندی از روش فوق برای ساخت ‏حسگرهایی با عملکرد بهتر در مقیاس نانو و کشف روش‌های اندازه‌گیری مورد نیاز برای ‏سنجیدن عملکرد این حسگرها است. 
این پژوهشگران، جزئیات نتایج کار تحقیقاتی خود را در مجله‌ی ‏Angewandte Chemie‏ ‏منتشر کرده‌اند.‏ 

فناوري نانو ابزاري قدرتمند براي توسعه كشاورزي پايدار

دكتر رضا پور رحيم - عضو هيئت علمي موسسه تحقيقات گياه پزشكي كشور

بدون شك افرادي كه اين روزها مجلات و منابع علمي را مطالعه مي‌نمايند در متن‌هاي مورد مطالعه، واژه‌هايي مانند "نانو" يا "فناوري نانو" را ملاحظه نموده‌اند. احتمالا همگي ما خوانده يا شنيده‌ايم كه آينده متعلق به فناوري نانو بوده و اين فناوري، اولين فناوري انقلابي در هزارة سوم محسوب مي‌شود.

در يك تعريف ساده‌تر، فناوري نانو عبارت است از دست‌ورزي يا خودگردايي (self assembly) تك اتم‌ها، مولكول‌ها يا دستجات مولكولي، بنحوي كه ساختمان‌هاي تشكيل يافته، منجر به توليد مواد و ابزارهايي با خصوصيات جديد يا كاملاً متفاوت گردند. براي ميليون‌ها سال، طبيعت شاهكارهاي بزرگي از فناوري نانو را بوجود آورده است. فناوري نانو شامل تحقيق و توسعة فناوري در محدودة فضاهاي 1 تا 100 نانومتر بوده و در اين فناوري ذراتي با اندازه‌هاي بسيار كوچك و در مقياس‌هاي اتمي ساخته و دستورزي مي‌شوند كه بدليل كوچكي فوق‌العادة اندازه، داراي خواص جديدي مي‌باشند.

فناوري نانو، ذاتاً يك فناوري بين‌رشته‌اي بوده و از اينرو بسياري از نظريه‌پردازان علمي، آنرا نوعي رويكرد جديد در علوم مختلف محسوب مي‌نمايند. اين فناوري روز به روز توسعه و گسترش يافته و كاربردهاي بسيار جالب و مفيدي براي آن تعريف مي‌گردد. فناوري نانو موجب ارتقاء سطح زندگي انسان مي‌گردد و اثرات شگرفي در بهبود و توسعة امنيت، رفاه و بهداشت انسان داشته و موجب افزايش بهره‌وري در استفاده از منابع محدود مواد و انرژي خواهد شد.

با توجه به پتانسيلهاي ويژه فناوري نانو، غالب كشورها به اين فناوري بعنوان ابزاري براي پيشتازي در جهان و زمينه‌اي براي خيز برداشتن در جهت "جهش توسعه‌اي" نگريسته و آن را در راستاي منافع اقتصادي و ملي خود به حساب مي‌آورند. بعنوان مثال تنها سرمايه‌گذاري بخش دولتي كشورهاي مختلف در فناوري‌ نانو، از مبلغ 432 ميليون دلار در سال 1997 به مبلغ 1/4 ميليارد دلار در سال 2005 افزايش يافته‌است (Kuzma and VerHage, 2006). بر همين اساس پيش‌بيني مي‌گردد كه ارزش بازار جهاني محصولات فناوري نانو، تا سال 2015 ميلادي به حدود 1 تريليارد دلار رسيده و براي 2 ميليون نفر فرصت شغلي مستقيم جهت كار در صنايع مختلف اين فناوري و براي 6 ميليون نفر نيز فرصت شغلي غيرمستقيم در زمينه‌هاي پشتيباني اين صنايع فراهم شود (Roco, 2006). فناوري نانو حدود دهة 1990 شروع شده‌است و پيش‌بيني مي‌شود كه در سال‌هاي 2015 تا 2020 به مرحلة آغاز رشد و نمو سريع خود خواهد رسيد و اين وضعيت گسترش و تكامل، تا دهة 2080 ادامه خواهد يافت.

خوشبختانه حركت‌هاي ترويجي براي اين توسعه اين فناوري نوين در كشور، از سال 1380 با برگزاري سمينار، چاپ كتاب و خبرنامه، راه‌اندازي سايت و همچنين برگزاري جلسات با افراد مؤثر، آغاز شده و همچنان ادامه دارد. به منظور پيگيري توسعة فناوري نانو به عنوان يكي از اولويت‌هاي كشور، ستاد ويژه توسعه فناوري نانو در شهريورماه 1382 تشكيل گرديد. همچنين برنامه و راهبرد آيندة توسعة فناوري نانو در كشور، در مردادماه 1384 به تصويب هيئت محترم دولت رسيده و ابلاغ گرديده‌است. در اين سند قرار گرفتن در بين 15 كشور برتر فناوري نانو (تا سال 1393) و تلاش براي ارتقاي مداوم اين جايگاه به منظور توليد ثروت و بهبود كيفيت زندگي مردم هدف‌گيري شده است. در اين برنامه از نظر توليد علم پيش‌بيني شده‌ است كه مجموع تعداد مقالات مرتبط با فناوري نانو محققان ايراني تا پايان سال‌هاي 1386، 1389، 1391 و 1393 بترتيب به حدود 450، 1000، 1500 و 2000 مورد برسد. تمامي اين تلاش‌ها حاكي از اهميت فناوري نانو و علاقمندي كشور به توسعه و گسترش اين فناوري مي‌باشد (بي‌نام، 1384).

 

بخش كشاورزي از جمله مهم‌ترين عرصه‌‌هايي است كه با استفاده از دستاوردهاي فناوري نانو، منافع زيادي را متوجه اين بخش خواهد نمود. اولين گزارش مستند از كاربرد فناوري نانو در كشاورزي در جهان در سال 2003 ميلادي انتشار يافت (Scott and Chen 2003). در اين گزارش تاكيد شده‌است كه فناوري نانو، كل صنايع غذايي را متحول ساخته و تغييرات اساسي در روند توليد، نگه‌داري، فراوري، بسته‌بندي و جابجايي محصولات كشاورزي و در نهايت مصرف آن‌ها ايجاد خواهد نمود. بر اساس تعريف، هر محصول كشاورزي و غذايي كه در يكي از مراحل توليد، نگه‌داري، فراوري، بسته‌بندي و جابجايي آن از يكي از دستاورد‌هاي فناوري نانو استفاده گردد، اصطلاحا نانوغذا (nano food) ناميده‌مي‌شود (Scott and Chen 2003).

توسعة روش‌ها، محصولات و ابزار‌هاي مختلفي كه بكمك دستاورد‌هاي فناوري نانو هر روز بر تنوع و كارايي آنها افزوده مي‌شود، از نكات اميدبخشي است كه نشان دهندة آيندة پرجاذبه‌اي براي بازار محصولات فناوري نانو در زمينه‌هاي مختلف كشاورزي مي‌باشد. به جرات مي‌توان گفت كه تمام جنبه‌ها و زمينه‌هاي علوم كشاورزي از دستاوردهاي فناوري نانو بطور جدي متاثر خواهند شد. در سال‌هاي آتي و نه چندان دور، شاهد ورود اولين مجموعه از محصولات فناوري نانو در بخش‌ كشاورزي شامل آفت‌كش‌ها و كودهاي نسل‌ جديد با كارايي بالاي غيرقابل تصور براي كنترل هوشمند آفات، بيماري‌ها و علف‌هاي‌ هرز و نيز رساندن دقيق نهاده‌هاي كشاورزي به موجودات هدف، سيستم‌هاي جديد تشخيص بيماري‌هاي گياهي، دام، طيور، آبزيان، واكسن‌ها و دارو‌هاي نسل جديد با كارايي بسيار بالا براي محافظت دام و طيور و آبزيان، ادوات و ماشين‌آلات كشاورزي بسيار مقاوم‌تر، دقيق، حساس و هوشمند، مكمل‌هاي غذايي جديد براي دام، مواد جديد با خواص بسيار مناسب براي ابزارآلات و سازه‌هاي كشاورزي، دامپروري و ... به بازار خواهيم بود.

حسگرهاي هوشمند و سيستم‌هاي حمل هوشمند كه توسط فناوري نانو بدست‌آمده‌اند، ابزارهاي توانمندي براي رديابي و مبارزه با عوامل بيمارگر دامي و گياهي مي‌باشند (Scott and Chen, 2003). كريستال‌هاي ساخته‌شده به ابعاد نانو، از ديگر دستاوردهاي فناوري نانو محسوب مي‌شوند كه كارايي آفت‌كش‌ها را افزايش داده و منجر به كاربرد مقادير (دزهاي) كمتر اين تركيبات خطرناك براي محيط زيست و كاهش مصرف آفتكشها مي‌گردند.

در دهه‌هاي اخير، آلودگي خاك و اراضي زراعي و باغي با عناصر و تركيبات خطرناك موجود در فاضلاب‌هاي صنعتي و شهري، از جمله مهمترين عوامل محدود كنندة توسعة كشت و توليد محصولات كشاورزي وغذايي در دنيا بوده ‌است. امروزه بكمك فناوري‌ نانو، كاتاليست‌هاي نانوذره‌اي توليد و مورد آزمايش قرار گرفته‌اند كه از كارايي و توانمندي بسيار بالايي جهت حذف بي‌خطر تركيبات و عناصر مضر فوق‌الذكر از اكوسيستم‌هاي زراعي، باغي و جنگلي برخوردار مي‌باشند. اين موضوع از ديدگاه كاهش بيماري‌هاي گياهي فيزيولوژيك، رفع مسمويت‌هاي غذايي و توليد محصولات ارگانيك و در نهايت توليد محصولات سالمتر، داراي اهميت خاصي است. در عرصة‌ ماشين‌آلات كشاورزي، شاهد تحولات شگرفي در ساخت ابزارآلات و ماشين‌آلات كشاورزي بسيار مستحكم، سبك، دقيق و هوشمندتر هستيم. دستيابي به روغن‌هاي روان‌كنندة بسيار پايدار (با بيش از 50 هزار كيلومتر كاركرد)، شيشه‌هايي كه هيچوقت كثيف نمي‌شوند و شفافيت آنها با شدت نور محيط تنظيم مي‌شوند،‌ افزايش استحكام قطعات سايشي در ادوات كشاورزي برنده مانند تيغه‌هاي دستگاه‌هاي كمباين، بكمك روكش‌هاي نانويي از مواد بسيار مقاوم، رنگ‌ها و پوشش‌هاي محافظتي ضد خش و بسيار مقاوم، لاستيك‌هاي "پنچررو" و بسيار مقاوم به سايش و استهلاك در شرايط سخت كار در اراضي سفت و سنگلاخي و رايانه‌هاي مجهز به سيستم‌هاي پردازش‌گر مناسب براي دريافت اطلاعات ارسالي از حسگرهاي مستقر در پايگاه‌هاي زميني در سطح مزرعه يا باغ يا ارسالي از ماهواره، همگي از دستآورد‌هاي ارزشمند فناوري نانو مي‌باشند كه موجب افزايش كارايي و راندمان استفاده از ماشين‌آلات كشاورزي مي‌گردد.

اخيرا حسگرهايي طراحي و ساخته‌ شده‌اند كه در نواحي مختلف ماشين‌آلات كشاورزي مستقر شده‌ و اطلاعات مربوط به نحوة كاركرد قطعات مختلف ماشين را به يك سامانة مركزي در داخل ماشين ارسال مي‌نمايند. بدين ترتيب قبل از بروز و پيشرفت تخريب، مي‌توان از آن پيش‌گيري نموده و با هزينه‌هاي كم، تنظيم‌ها و تعميرات لازم را انجام داد. در ماشين‌آلات و ادوات كشاورزي هوشمند نسل جديد، انجام عمليات سم‌پاشي و كنترل رديف‌هاي تيمار شده و نشده،‌ تعيين دقيق مسير حركت ماشين‌آلات سم‌پاش، هدايت و تنظيم ماشين‌آلات مربوط به تهيه و آماده‌سازي بستر كشت، تنظيم صحيح دستگاه‌هاي سم‌پاش، كود‌پاش، بذركار و نشاكار و نيز هدايت و تنظيم دقيق ادوات برداشت محصول، همگي بكمك حسگرهايي كه محصول فناوري نانو و مهندسي دقيق (precision engineering) مي‌باشند، انجام مي‌گردد. در علوم پرورش دام، طيور و آبزيان نيز پيشرفت‌هاي چشمگيري حاصل شده‌است. بخش اعظم اين كاربردها، مربوط به واكسن‌ها و داروهاي نسل جديد براي پيش‌گيري و درمان بيماري‌هاي دامي مي‌باشد. بكمك نانوذرات هوشمند مي‌توان داروها و نيز مواد غذايي يا تنظيمي مورد نياز دام را با دقت بالايي، فقط به بافت‌ها و اندام‌هاي مورد نظر هدايت نموده و بدون اينكه سلول‌ها و بافت‌هاي ديگر از اثرات سوء آنها متاثر شوند، فقط بافت‌هاي هدف را در معرض اين مواد قرار مي‌دهند (انتقال هوشمند).

اين فرآورده‌ها تحول زيادي را در افزايش كارايي و نوع بهره‌برداري از اكوسيستم‌ها و واحدهاي كشاورزي ايجاد نموده و باعث تعديل در هزينه‌هاي تمام شدة محصولات كشاورزي خواهند شد. در چنين بازاري، تنها كشورهايي قادر به رقابت و ارائة محصول خواهند بود كه بتوانند محصولات فناوري‌ نانو را براي بكارگيري در سيستم توليدات كشاورزي خود، به قيمت مناسب فراهم نمايند. در غير اينصورت بدلايل ناشي از بازار رقابتي، امكان صادرات محصولات كشاورزي فراهم نبوده و حتي توليدات داخلي نيز تحت الشعاع قيمت‌هاي جهاني قرار خواهند گرفت.

در سال‌هاي اخير، فناوري زيستي و فناوري‌ اطلاعات در حال همگرايي به سمت فناوري نانو بوده و در نهايت با همگرايي اين سه فناوري، مرحلة توسعة سريع نوآوري‌هاي مهم و تاثيرگذار از جمله در بخش كشاورزي شروع خواهد شد. در اين مرحله شاهد حضور محصولات دستورزي شدة اتمي خواهيم بود.

در سال 1380، اولين حركت منسجم در زمينة توسعة فناوري نانو در شاخه‌هاي علوم كشاورزي، توسط وزارت جهاد كشاورزي و با تشكيل كميتة فناوري ‌نانو در سازمان تحقيقات، آموزش و ترويج كشاورزي اين وزارتخانه شروع گرديد. با تشكيل اين كميته‌، تمام فعاليت‌هاي پژوهشي مرتبط با توسعة فناوري ‌نانو در كشاورزي از تمام موسسات تحقيقاتي سازمان و نيز معاونت‌هاي اجرايي وزارت جهاد كشاورزي در اين كميته متمركز گرديد و تمام تلاش‌ها در جهت تعيين "اولويت‌هاي راهبردي اين فناوري" در رستة كشاورزي بكار گرفته شد. به همين منظور، تدوين و اجراي برنامه‌هاي ترويجي و نيز آموزش نيروي انساني، انجام پروژه‌هاي تحقيقاتي، بسترسازي آزمايشگاه‌ها و تجهيزات لازم براي گسترش فناوري نانو در كشاورزي در دستور كار قرار گرفت. در تمام برنامه‌هاي مرتبط با توسعة فناوري نانو در كشاورزي، تلاش بعمل آمده است تا اعتبارات مالي تخصيص يافته به اين برنامه‌ها، فقط در راستاي اهداف فوق ‌الذكر صرف شود.

كشور آمريكا بيشترين سرمايه‌گذاري را در تحقيق و توسعة فناوري نانو انجام مي‌دهد. در سال 2006 ميلادي، موسسة ملي فناوري نانو (National Nanotechnology Initiative-NNI) در‌ آمريكا، حدود 7/3 ميليارد دلار در اين زمينه سرمايه‌گذاري كرده است. در سال 2006 ميلادي از كل پروژه‌هاي تحقيقاتي مرتبط با فناوري نانو در زمينة غذا و كشاورزي در آمريكا، 55 درصد مربوط به پروژه‌هاي كاربردي، 28 درصد توسعه‌اي و 17 درصد پايه‌اي بوده‌اند (Kuzma and VerHage, 2006). اتحادية اروپا و ژاپن بترتيب با 2/1 و 75/0 ميليارد دلار سرمايه‌گذاري، در مقام‌هاي بعدي قرار دارند (Anonymous, 2005b).

در سال 2005 ميلادي بازار جهاني فروش محصولات حاصل از فناوري‌ نانو، معادل 30 ميليارد دلار بوده‌است (Anonymous, 2006a). بر اسـاس پيش‌بيني‌هاي انجام‌شده، بازار جهاني نانوغذا از 6/2 ميليارد دلار در سال 2004، به 4/20 ميليارد دلار در سال 2010 ميلادي خواهدرسيد (Kaiser, 2006). قارة آسيا بدليل انباشت بيش از 50 درصد جمعيت جهان، تا سال 2010 ميلادي بيشترين بازار مصرف نانوغذا را بخود اختصاص داده و كشور چين نيز بيشترين سهم از بازار فروش نانوغذا را در اختيار خواهدگرفت. كشور استراليا نيز با سرمايه گذاري حدود 53 ميليون دلاري در سال‌هاي 2002 و 2003 در فناوري نانو، سعي دارد تا سهم مناسبـي از بـازار جهاني فروش محصولات فناوري نانو بويژه در بازار آسيا را در اختيار بگيرد (Warris, 2004).

در حال حاضر بيش از 400 شركت در زمينة تحقيق و توسعة‌ فناوري ‌نانو در سطح جهان فعاليت مي‌نمايند كه پيش‌بيني مي‌شود تعداد آن‌ها تا 10 سال آينده، به بيش از 1000 عدد برسد. بر همين اساس پيش‌بيني مي‌گردد كه بازار محصولات فناوري نانو از 6/7 ميليارد دلار در سال 2003، به يك تريليارد دلار در سال‌هاي 2011 تا 2015 با حدود هشت ميليون نفر فرصت شغلي برسد (Joseph and Morrison, 2006، Roco, et al. 2000، Wei-xian and Karn 2005).

مروري بر برخي از كاربردهاي فناوري نانو در صنايع غذايي و نوشيدني؛ با رويكرد بازار

مقدمه

فناوري نانو پتانسيل ايجاد تغييرات اساسي در صنايع غذايي و نوشيدني را با ابزارهاي جديد براي درمان مولكولي و شناخت سريع بيماري­ ها، اصلاح توانايي گياه براي جذب مغذي­ ها و... دارد.

 

مهم ‌ترين پتانسيل­ هاي كاربرد نانو در غذا شامل موارد زير است:

·         غذاهايي با امكان تغيير رنگ، مزه يا مواد مغذي مطابق درخواست مشتري يا نيازهاي سلامت

·         فيلترهايي براي زدودن سموم

·         بهبود طعم به‌ وسيله ‌ي عبور از مولكول­ هاي خاص برپايه شكل مخصوص مواد به جاي اندازه آنها

·         بسته ­بندي ‌شناسايي ­كننده فساد غذايي و هشدار به مشتريان با تغيير رنگ

 

حوزه ­هاي كاربردي فناوري نانو در غذا و نوشيدني­ ها كه هم ­اكنون تحت تحقيق است شامل موارد زير است:

·         اصلاح رسانش مواد غذايي دارويي و تركيبات فعال زيستي در غذاهاي دارويي براي بهبود سلامت انسان ­ها

·         بهبود طعم‌، نسوج و رسانش تركيبات دارويي فعال زيستي

·         بهبود حلاليت

·         رهايش كنترل شده و اصلاح رنگ محصولات

·         اصلاح دسترس­ پذيري زيستي

·         محافظت از پايداري ريزمغذي­ ها و تركيبات  فعال زيستي طي فرآيند، انبار و توزيع

از مهم‌ترين فناوري­هاي كليدي در حوزه نانو براي غذا و نوشيدني مي ­توان به نانوذرات، نانوپوشش­ ها، نانوكامپوزيت ­ها، مواد نانومتخلخل و نانو كپسول ­ها اشاره كرد.

بازار فناوري نانو در صنايع غذا و نوشيدني

بازار جهاني فناوري نانو در صنعت غذا و نوشيدني در سال 2007 بالغ بر 105 ميليون دلار بود، كه عمدتاً در بخش بسته­بندي جريان داشت. انتظار مي­رود بازار توليدات و فرآيندهاي برپايه نانو، ارزشي بالغ بر 135/2 ميليارد دلار در سال 2015 داشته باشند.

 

 انتظار مي­رود كه 29% فعاليت­هاي صورت گرفته در صنعت غذا و نوشيدني از فرآوري تا توليد نهايي، در سال 2015 از گونه­اي فناوري مرتبط با نانو استفاده نمايد. شروع كاربردهاي برپايه فناوري نانو از سال 2012 با كاهش هزينه­هاي مواد بسته­بندي تأثير خود را مي­گذارد.

 

در جدول زير شركت‌هاي فعال در حوزه صنايع غذايي و نوشيدني مرتبط با فناوري نانو در چهار دسته «توليدات كشاورزي»، «بسته­بندي»، «فرآوري و ايمني» و «رسانش طعم و مواد مغذي» دسته­بندي شده­اند.

شركت­هاي فعال در حوزه صنايع غذايي و نوشيدني مرتبط با فناوري نانو
نام شركت	توليدات كشاورزي	بسته­بندي	فرآوري و ايمني	رسانش طعم و مواد مغذي
AC Serendip Ltd.				×
Advanced Nanotechnologies		×
AgroMicron Ltd.			×
Ambri Pty Ltd			×
Aquamarijn			×
Aquanova				×
Bayer		×		×
Biodelivery Sciences				×
Buhler AG		×
Chengdu Somo Nano-biology Co, Ltd			×
China Beijing Petna Nanotech Co., Ltd			×
Cornelius Group		×
Crown Bio Technology Ltd		×
DGTec		×
Heinz
Honeywell		×
InMat		×
Iota Nanosolutions Limited		×
Kodak		×
Kraft			×	×
Landek Corporation	×
Leatherhead Food International Ltd			×
Nanocor		×
Nanomi				×
Nanosciences Inc		×
Nanova		×
NGimat		×
Nestle			×	×
Nutralease				×
PChem Associates		×
Proctor & Gamble		×		×
Protista International AB			×
Surface Innovations Ltd		×
Unilever		×	×	×

 مروري بر فراورده­ها و فناوري­هاي در حال توسعه در حوزه­هاي كاربردي غذا و نوشيدني

در اين قسمت به بررسي اجمالي فراورده­ها و فناوري­هاي در حال توسعه در سه حوزه اصلي كاربردي غذا و نوشيدني يعني فرآوري و ايمني، بسته­بندي و رسانش و رهايش هدفمند مي­پردازيم.

 تأمين­كنندگان فناوري در بخش فرآوري و ايمني در صنعت غذا و نوشيدني

شناسايي پاتوژن­ها در غذا و نوشيدني­ها: شركت AgroMicron يك اسپري نانوبيولومينسنس[1]  را توسعه داده است كه مي­تواند براي ‌شناسايي طيف وسيعي از پاتوژن­ها استفاده شود.

جداسازي و فيلتر كردن: كمپاني Aquamarijn فناوري پيشرفته نانوفيلتراسيون را براي‌ شناسايي سريع ميكروارگانيزم­ها در غذا و نوشيدني توسعه داده است. اين فيلترها با استفاده از مواد برپايه سيليكون يا پليمر ساخته مي­شوند.

بيوسنسورهاي نانوسيم: شركت Nanosens سيستم­هاي حسگر قابل حملي براي‌شناسايي سريع گونه­هاي بيولوژيك و شيميايي ساخته است.

نانوفيبرهاي اكسيد آلومينيوم/كامپوزيت­هاي شيشه­اي براي‌ شناسايي سريع و محاسبه غلظت ويروس­هاي به‌وجود آمده در غذا: شركت Leatherhead Food International در اين حوزه فعاليت مي­كند.

جداسازي زيستي نانوذرات: شركت Protista در حال توسعه ژل­هاي سوپرماكرومتخلخل براي كمك به جداسازي نانوذرات (به طور مثال ويروس­ها و organelles) است. اين فناوري در فرآوري غذا كاربرد دارد.

به غير از موارد فوق، گروه­هاي تحقيقاتي مختلفي در سراسر دنيا در حال انجام تحقيقات براي توسعه فناوري­هايي در اين زمينه هستند كه از فعاليت­هاي آنها مي­توان به موارد زير اشاره كرد: مواد نانومتخلخل براي جداسازي‌ زيستي، فرآيندهايي براي پراكنده كردن نانوذرات در يك واسط مايع براي توليدات غذايي و مصرفي، سنسورهاي زيستي در مقياس نانو براي ‌شناسايي پاتوژن­ها و تشخيص، تجهيزات مبتني بر لايه نازك اكسيد روي، نانولوله­هاي كربني، سيستم­هاي ميكروالكترومكانيكي بر پايه Si، سيستم­هاي Nafion/Zirconium sol-gel، نانوفيبرهاي پاك­كننده براي تشخيص و زدودن پاتوژن­ها، ابزاري براي ذخيره­سازي كنترل شده، فرآوري و رهايش طعم­ها، نظارت بر غلظت آلودگي­ها براي كنترل كيفيت، سنسورهاي وابسته به زمان براي غذا، سطوح خودتميزشونده، پليمرهاي نسوز، ابزار چسباننده، سنسورهاي وابسته به زمان براي مواد غذايي، برچسب­هاي ‌شناسايي‌كننده حاوي مواد هوشمند براي اندازه­گيري ميزان آنتي‌اكسيدان در مواد غذايي، زبان الكترونيك براي اندازه­گيري طعم­ها، بيني الكترونيك، جداره­هايي براي تنظيم بو و مزه در محصولات غذايي، آناليز غذا و نانوحسگرها، حسگرهايي براي كيفيت و ايمني غذا و....

 تأمين­كنندگان فناوري در بخش بسته­بندي در صنعت غذا و نوشيدني

استفاده از نانومواد براي بسته­بندي نوشيدني­ها: گروه Cornelius نانوذرات اكسيد روي را با نام NanoZ با خاصيت ضد نور ماوراء بنفش براي Advanced Nanotechnology توليد نموده است.

باركدگذاري با نقاط كوانتومي براي بسته­بندي محصولات: اين فناوري به‌وسيله‌ي Ingenia Technology Limited به نام Laser Surface Authentication system (LSA) توسعه داده شده است.

شناساگرهاي نانومقياس تازگي: شركت Crown Bio Technology در توليد اين‌شناساگرها فعاليت مي­كند.

بسته­­بندي هوشمند و فعال براي حفظ تازگي و ممانعت از گاز: شركت Sun Chemical در بخش تحقيقات پوشش خود در آزمايشگاه­هاي تحقيقاتي اروپا اقدام به توسعه اين بسته­بندي نموده است.

لايه­هاي فعال در برابر نور براي ذخيره­سازي غذا: شركت CVD Technologies در اين حوزه فعاليت مي­كند.

نانوكامپوزيت­هاي PET براي طولاني­تر كردن زمان ماندگاري: اين نانوكامپوزيت به‌وسيله‌ي شركت Nanova ساخته شده است.

نانوسيليكات­هاي پراكنده در بسته­بندي غذا: شركت Nanolok پوشش­هاي پليمري محافظ در برابر گاز براي استفاده در بسته­بندي توليد مي­كند.

پوشش­هاي محافظ در برابر گاز اكسيژن و دي­اكسيدكربن براي طيفي از پليمرها: اين پوشش­ها براي PET و PET/polyolefin كاربرد دارد. اين پوشش­ها به‌وسيله‌ي NGimat توليد و به‌وسيله‌ي فرآيند اختصاصي Nanomiser اين شركت بر روي پليمر هدف مي­نشيند.

پوشش­هاي پلاستيكي ضد باكتري براي بسته­بندي غذا: شركت PChem Associates در حال توسعه اين پوشش­ها با استفاده از نانوذرات نقره است.

سيستم­هاي پوشش نانومقياس براي محافظت گازها: شركت Nano Scale Surface Systems در حال توسعه اين پوشش حاوي SiOx براي داخل بطري­هاي پلاستيكي است تا مقاومت آنها را در برابر اكسيژن و بخار آب بهبود دهد.

مواد محافظ انعطاف­پذير: شركت ConverTec مواد محافظ انعطاف­پذيري را براي بسته­بندي غذا و دارو توسعه داده است.

نانوباركدها: با استفاده از جوهرهاي هوشمند، امكان دريافت اطلاعات دماي بسته­بندي (جوهرهاي ترموكروميك) يا اتمسفر بسته­بندي فراهم مي­شود. همچنين امكان كاربري­هاي ضد جعل و امنيت برند نيز از ديگر قابليت­هاي اين فناوري است. شركت Nanoplex فناوري نانوباركدها را توسعه داده است. اين باركدها به شكل ميله و با استفاده از فلزات مختلف ساخته مي­شوند. تركيب مختلف فلزات باعث ايجاد كدهاي مفتلف و فراواني مي­شود.

شناساگرهاي نانويي اكسيژن: شركت DGTec در حال توسعه و توليد پركننده­هاي بهبوديافته از لحاظ ساختاري برپايه سراميك­هاي نانوساختار است. از خصوصيات اين مواد مي­توان به بهبود مقاومت مكانيكي، رنگدانه­هاي مغناطيسي براي رديابي و خواندن اطلاعات و رنگدانه­هاي نوراني براي رديابي و خاصيت دكوري بودن اشاره كرد. اين مواد در نانوباركدها هم كاربرد دارند. بدين ترتيب اين شركت بسته­بندي NoReplicaSystems را براي جلوگيري از جعل توليد نموده است.

فيلترهاي بسيار نانومتخلخل براي بسته­بندي محصولات: فناوري نانوكامپوزيت براي توليد لايه­هاي قابل تنفس براي بسته­بندي به‌كار رفته است. با استفاده از نانوذرات زيست­سازگار در چارچوب متخلخل امكان ساخت صفحه­اي با ساختار متخلخل وجود دارد. شركت Caesar در حال توسعه روشي نوين در اين حوزه است.

به غير از موارد فوق، گروه­هاي تحقيقاتي مختلفي در سراسر دنيا در حال انجام تحقيقات براي توسعه فناوري­هايي در اين زمينه هستند كه از فعاليت­هاي آنها مي­توان به موارد زير اشاره كرد: نانولوله­هاي كربني براي انواع جديدي از بسته­بندي با كاربردهاي بهبود يافته، نانوكامپوزيت پلي­اتيلن ترفتالات براي بسته­بندي ضد عبور گاز، لايه­هاي قابل تنفس براي بسته­بندي غذا، برچسب­هاي RFID، نانوباركدها، مواد محافظ كاربردي، بسته­بندي جاذب اكسيژن، پليمرهاي يك­لايه‌اي و فوم­هاي مكانيكي قابل نصب، نانورس­ها براي بسته­بندي، لايه­هاي نازك براي بسته­بندي غذا، هيبريدهاي نانويي در بسته­بندي، لايه­هاي نازك در بسته­بندي، بسته­بندي­هاي محافظ، نانوكامپوزيت­هاي بر پايه پليمرهاي زيستي در بسته­بندي، سنسورها براي اندازه­گيري تازگي، عبوردهنده انتخابي گاز و...

 تأمين­كنندگان فناوري در بخش رسانش و رهايش هدفمند در صنعت غذا و نوشيدني

رهايش كنترل شده طعم­ها: شركت Glycologic Limited با استفاده از سيستم APS خود مولكول­هاي فعال را كپسوله مي­نمايد. اين مواد كپسوله شده در يك فرآيند كنترل شده با واكنش آنزيمي يا شيميايي رها مي­شوند.

مواد هوشمند براي كپسوله كردن: شركت Vivamer با همكاري يك شركت فرمولاسيون كه IP مواد هوشمند براي كپسوله كردن را دارد، مشغول توليد ساختارهايي است كه بسته به شرايط محيطي موادي را رها مي­نمايد.

نانوحامل­ها براي غذا: شركت Aquanova فناوري نويني را توسعه داده كه مواد فعال براي كاهش چربي و ايجاد حس سيري را در يك نانوحامل ميسلي به نام NovaSOL قرار مي­دهد. اين فناوري همچنين براي حمل ويتأمين E (SoluE) و C (SoluC) مورد استفاده قرار گرفته است.

مواد Nanocochleates براي رسانش مواد مغذي: شركت Biodelivery Sciences International در حال توسعه فناوري nanocochleates است كه قابليت رسانش مواد مغذي مانند ويتأمين­ها، ليكوپن­ها و اسيدهاي چرب امگا را بدون تأثير بر رنگ و طعم غذا دارد.

رهايش كنترل شده: شركت RBC Life Sciences در حال حاضر محصولات زير را توليد مي­نمايد:

·         محصول Nanoceuticals Artichoke Nanoclusters: كاهش تنش سطحي غذا و مكمل­ها براي افزايش جذب

·         محصول Nanoceuticals Hydracel: كاهش تنش سطحي آب نوشيدني و افزايش خصوصيات حلاليت

·         محصول Nanoceuticals Slim Shake Chocolate: سيستم رسانش نانوكلاستر براي فراهم آوردن طعم بهبوديافته در خوشه­هاي كاكائو

·         محصول Nanoceuticals Spirulina Nanoclusters: سيستم رسانش نانوكلاستر براي توليد غذا

·         محصول Nanoceuticals Silver 22: نقره كلوئيدي معلق شده در آب خالص

·         محصول Nanoceuticals Microhydrin and Microhydrin Plus: سيليكات معدني نانوكلوئيدي براي خنثي كردن راديكال­هاي آزاد

نانوامولسيون­ها براي كاهش چربي: شركت Nanomi ابزاري را توسعه داده كه مي­تواند قطرات بسيار ريزي از سيال را به صورت متوالي توليد نمايد. با عبور دادن چربي از يك فيلتر، ميله­هاي چربي توليد مي­شود. با فشار آب قسمت بالايي ميله­ها قطع شده و ذرات ريز توليد مي­شوند. با اين فناوري پتنت شده اين شركت قادر به كنترل شكل و تركيب ذرات است.

نانوامولسيون­ها: شركت AC Serendip Ltd نانوامولسيون­هايي براي شير، مايونز، سس­ها و سوپ­ها توليد مي­نمايد. فناوري اين شركت بر پايه امولسيون در فشار بالا و فيلترهاي امولسيون‌كننده است كه منتج به ذرات ريزتر، انتقال سريع AI يا كنترل مستقيم اندازه ذرات مي­شود.

رهايش كنترل شده: فناوري NutraLease يك سيستم رسانش براي غذا و نوشيدني­ها است. اين فناوري بر پايه سيالات خودتشكيل شونده نانوساختار است. كاربردهاي اين فناوري در صنعت نوشيدني به قرار زير است:

رهايش ويتأمين­هاي E، D، A، K و Isoflavones، روغن OmegaCran، CoQ10، carotenoids و روغن­هاي ضروري، طراحي شده مخصوص نوشيدني­هاي زلال و بهبود دسترسي زيستي

به غير از موارد فوق، گروه­هاي تحقيقاتي مختلفي در سراسر دنيا در حال انجام تحقيقات براي توسعه فناوري­هايي در اين زمينه هستند كه از فعاليت­هاي آنها مي­توان به موارد زير اشاره كرد: مواد هوشمند براي كپسوله كردن، رهايش كنترل شده از مواد لايه­اي، ميكروسيالات براي رهايش حباب، نانوكپسوله كردن برپايه پليمرهاي طبيعي و اصلاح شده، ژل­هاي Supramolecular براي فرمولاسيون و رسانش مواد مغذي دارويي، رسانش اجزاء فعال زيستي با نانوكپسوله كردن و....

اين مقاله در ماهنامه فناوري نانو شماره 158 به چاپ رسيده است.
منبع:

“The Market for Nanotechnology in Food and Drink to 2015”, nanoposts, 2008.

فرق بیوتکنولوژی با نانوتکنولوژی

مفهوم و زمینه کاربرد بیونانوتکنولوژی

 

«مطالعه و ایجاد ارتباط بین بیولوژی مولکولی ساختاری و نانوتکنولوژی مولکولی»

 برخی دیگر، آن را به عنوان زیرمجموعه ای از بیوتکنولوژی بدین شکل تعریف کرده اند:

«به کارگیری پتانسیل بالقوه بیولوژی در ساخت و سازماندهی ساختارهای پیچیده با استفاده از مواد ساده و با دقت در حد اتم»

 در این زمینه، تنها تفاوتی که بین بیونانوتکنولوژی و بیوتکنولوژی وجود دارد این است که طراحی و ساخت در مقیاس نانو جزء لاینفک پروژه های بیونانوتکنولوژی است در حالی که در پروژه های بیوتکنولوژی، نیازی به فهم و طراحی در حد نانو نیست.

چنان که ملاحظه می شود برخلاف تعریف «بیوتکنولوژی» که به معنی فناوری استفاده از موجودات و اجزای موجودات زنده در راستای نیازهای صنایع مختلف است و همچنین برخلاف تعاریف واژه هایی چون «بیومتریال» و «بیومکانیک» که معمولا به معنی استفاده از قابلیت های فناوری های «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 سلول های زنده و تشخیص و معالجه بیماری ها. 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 کوچک تر شوند به این راهکار، نانوتکنولوژی مکانیکی نیز گفته می شود.

اما در راهکار پایین به بالا، هدف ایجاد ساختارهای ریز از طریق اتصال اتم ها و مولکول ها به یکدیگر است در این راهکار از الگوهای بیولوژیکی بهره گیری می شود.

فتوسنتز مصنوعي با کمک فناوري‌نانو

انرژي مورد نياز براي واکنش‌‌هاي شيميايي فتوسنتز، بيشتر از مقداري است که بتوان آن را با تبديل نور مرئي به سيگنال‌‌هاي الکتروني فراهم کرد. دانشمندان چيني يک راهکار نانويي را براي تقويت انرژي حاصل از سيستم چند الکتروني توسعه داده‌اند. 

کولين باراس بيان مي‌‌کند: نانولوله‌‌ها ما را يک گام به فتوسنتز مصنوعي نزديک‌تر مي‌‌کنند. يک تيم از محققان چيني بيان مي‌‌کنند که نانولوله‌هاي کربني، عوامل شيميايي تعيين کننده‌‌اي هستند که مي‌‌توانند فتوسنتز مصنوعي را ممکن سازند. اين تيم دريافتند که نانولوله‌ها يک مرحله مهم از فتوسنتز را شبيه‌‌سازي مي‌کنند که شيميدان‌‌ها تاکنون قادر به کپي کردن آن نشده‌‌اند. 

فتوسنتز مصنوعي اين قابليت را دارد که براي توليد هيدروژن با راندمان بالا به‌‌کار رود. هيدروژن مي‌‌تواند به‌‌عنوان يک سوخت تميز براي وسايل نقليه و همچنين براي کاهش دي‌‌اکسيدکربن هوا به‌‌کار رود. ارگانيزم‌‌هاي فتوسنتزي، انرژي نور را براي تجزيه آب به اکسيژن و هيدروژن به‌‌کار مي‌‌برند. هيدروژن سپس براي توليد کربوهيدرات‌‌هاي سنتزي با دي‌اکسيدکربن واکنش مي‌‌دهد.

شيميدان‌‌ها از مدت‌ها پيش به‌دنبال ايجاد فرآيند فوتوسنتز مصنوعي هستند، اما تاکنون قادر به کپي کردن يکي از مراحل کليدي اين فرآيند نشده‌اند. 

فتون‌‌هاي مرئي تنها مي‌‌توانند يک مقدار محدود از انرژي را در واکنش‌‌هاي شيميايي شرکت دهند. اين انرژي به وسيله الکترون‌هاي سهيم در واکنش، جذب مي‌شود. 

واکنش‌‌هايي که نياز به انرژي بيشتري دارند- مانند سنتز کربوهيدرات‌‌ها- تنها وقتي مي‌‌تواند انجام شوند که الکترون‌هاي انرژي‌‌دار متعددي در واکنش سهيم باشند. به اين دليل، شيميدان‌‌ها معتقدند که فتوسنتز مصنوعي محدود به يک دسته از واکنش‌‌هاي معروف به سيستم‌‌هاي چند الکتروني است. 

اما هيچ کس موفق به ساختن سيستم‌‌هاي چند الکتروني مصنوعي که توانايي تهيه انرژي لازم براي فتوسنتز مصنوعي را داشته باشند، نشده است. 

اکنون يک تيم با هدايت Xian-Fu Zhangدردانشگاه علوم و فناوري Hebei Normal در چين دريافته‌است که نانولوله‌هاي کربني تک ديواره مي‌‌تواند به‌‌عنوان قلب شيميايي در يک سيستم چند الکتروني عمل کند.

نانو کاتالیزور و نانو حسگرهای زیستی

از مهمترین آنزیمهایی که در علم نانوتکنولوژی مورد توجه است ، آنزیم هیدروژناز باکتریایی است  که کاربرد اصلی آن در حذف آلودگی و استفاده از آن به عنوان نانو کاتالیزورهایی برای حفظ و بقای انرژی است. این آنزیم کارهای زیادی انجام می دهد که عبارت است از:

1.کاهش فلزات سنگین و حذف آلودگی ناشی از آنها
2.تولید Bio-pdکه خود کاربرد های گوناگون در علم نانو تکنولوژی دارد.
هیدروژناز و احیاء بیولوژیکی فلزات  
بسیاری از میکرو اورگانیسم ها قادر به احیاء فلزات سمی با مکانیسم متفافتی هستند که سبب کاهش میزان سمیت و اثرات زیان آور آنها می شوند که یکی از مهمترین این روش ها فعالیت آنزیم هیدرژناز است. به عنوان مثال یک آنزیم که سبب اورانیوم (U) و سلونیوم (IV) می شود و یا حتی توانایی ایجاد حالت احیاء در فلزات رادیواکتیو مشکل زا از جمله TC)VII) می شود که این عمل توسط آنزیم فرمات هیردروژن لیاز آشریشیا کلی صورت می گیرد و سبب رسوب این ماده رادیواکتیو وکاهش سمیت آن می شود. علاوه بر آشریشیای کلی باکتری دسولفو ویبریو نیز قادر به حذف آلودگی تکنتیوم TC VII می باشد. رودوکتاز فلزات نیز قادر به احیاء فلزات گران بها از فاضلاب پساب خواهد بود که برای این عمل، مولکول هیدروزن را مصرف می کنند. دانشمندان با ایجاد موتاسیون قادر به کشف 3نوع هیدروژناز در باکتری دسولفو ویبریو فروکتو ورانس شده اند که قادر است فلز پالادیوم pd)II) را احیا نموده و تولید (.) pd نماید که در این حالت رسوب کرده و یک الگو و حفاظت نانو کریستال فلزی را در سطح سلول برعهده دارد.
احیای میکروبی pd بر کاربوردهای آن  
همان طور که گفته شد فلز pd)II) از طریق میکروبی احیا شده و به شکل pd(.) درون سلول رسوب می کند. این ترکیب (Bio-pd) دارای خواص و کاربورد های گوناگون است از جمله:
1-این ترکیب دارای خواص کاتالیزوری فراوانی نسبت به نوع تجاری است که قادر است فلز کروم (VI) که سمی است را به نوع  (III) که سمیت کمتری دارد تبدیل کند.
2-سبب کاهش و با فعالیت بیوکاتالیزوری قادر به حذف پلی کلورونیت های فنیل از پساب ها خواهد بود.
3-کاربورد دیگر آن در نانو تکنولوژی است که Bio-pd به واسطه ی خاصیت مغناطیسی که دارد، قادر به تشخیص نانو کریستال ها خواهد بود. 
4-ساخت و روشد قابل کنترل نانو پارتیکل ها (نانو ذرات).
نانو ذرات به دو طریق ساخته می شوند: روش شیمیایی و روش میکروبی. در روش شیمیایی در سنتز نانو ذرات، احتیاج به یک هسته ی اولیه است که سایر نانو ذرات به ان متصل می شوند معمولا در روش های شیمیایی روشت نانو ذرات سخت و گران و غیر قابل کنترل است و برای تولید نانو ذرات بزرگتر بایستی نانو ذرات کوچکتر را به نانو ذرات قبلی اضافه کرد و این کار را چندین بار تکرار نمود. ولی سیستمهای باکتریایی این طور نیست و یک باکتری منفرد میتواند یک مرکز و یک ماتریکس برای رشد قابل کنترل نانو ذرات باشد از جمله باکتری هایی که تولید Bio-pd میکنند. این ترکیب در این باکتریها به واسطه خاصیت فرو مغناطیسی و کاتالیزوری یک هسته ای و الگویی برای نانو ذرات خواهد شد. 
یکی دیگر از کاربورد های هیدروژناز تولید انرژی و الکتریسیته است. در واقع در ابتدا مواد آلی فاضلاب ها توسط یک باکتری مانند آشریشیا کلی تخمیر و تولید ترکیبات آلی ساده تر و هیدروژن میکند. هیدروزن تولیدی توسط آنزیم هیدروژناز شکافته و تولید الکترون مورد نیاز برای ساخت سل های سوختی میشود که این سل ها آلودگی زیست محیطی نخواهند داشت.

کاربرد فناوری نانو در بیوتکنولوژی (نانوبیوتکنولوژی)

نانوتكنولوژي، توانمندي مواد، ابزارها و سيستمهاي جديد با در دست گرفتن كنترل در سطوح مولكولي و اتمي و استفاده از خواصي است كه در آن سطوح ظاهر مي‌شود. از همين تعريف ساده بر مي‌آيد كه نانوتكنولوژي يك رشته جدي نيست، بلكه رويكردي جديد در تمام رشته‌هاست، بررسي‌ها نشان مي‌دهد كه نظام سيستماتيك ماده در مقياس نانومتري، كليدي براي سيستم‌هاي فيزيكي، شيميايي و بيولوژيكي با خواص جديد و بهتر مي‌باشد. در مقياس نانو، ويژگي‌هاي معمولي مواد تغيير مي‌كند. و رفتار سطوح، رفته رفته بر رفتار توده‌ايي ماده غالب مي‌شود و قلمروي كاملاً نوين گشوده خواهد شد (مقياس نانو). با توجه به این که شاهد رشد روز افزون کاربرد فناوری های  نانو در بیوتکنولوژی هستیم در صدد بر آمدیم تابه  برسی این کاربردها و وسعت آن داشته باشیم .همانند:
•    ساخت سيستم‌هايي به منظور رهايش دارو در بدن
•    ساخت قطعات سازگار براي جايگزيني اعضاي بدن
•    بيو سنسورهايي به منظور آزمايشگاه‌هايي كامل طراحي شده روي يك تراشه بسيار كوچك
•    و...
مقدمه:
        نانو تقريباً همه چيز زندگي ما را تحت تاثير قرار خواهد داد. از داروهاي كه مصرف مي‌كنيم. تا توان رايانه هايمان؛ منابع انرژي مورد نيازمان؛ غذايي كه مي‌خوريم؛ ماشيني كه مي‌رانيم؛ خانه‌هايي كه در آن زندگي مي‌كنيم و لباسي كه بر تن داريم و مهمتر آنكه در هر زمينه‌اي كه تصور تغييري را در آن داشته باشيم تاثيرات جديدي به وجود خواهد آورد كه كسي فكرش را هم نميكند.
            نانو تكنولوژي به عنوان انقلاب صنعتي آينده جهان، در حال تغيير وضعيت كنوني جهان است. در اين ميان به نظر مي‌رسد كه تاثيرات به عنوان رشته اي كه حيات موجودات زنده را دگرگون مي‌كند، از اهميت ويژه اي در بررسي پيامدهاي صنعتي و اجتماعي اين انقلاب، برخوردار است. در واقع براي بررسي فرصت ها و تهديدهاي نانو تكنولوژي به دليل اينكه ماهيتي بسيار پيچيده در پيشرفت تكنولوژي كشورها دارند، مي بايد دانشمندان، سياستمداران و مردم هر كشور در مورد نانوتكنولوژي مطالعه كنند تا بتوانند با تحليل صحيح از انقلاب آينده جهان، مسايلي كه پيرامون فرصت‌ها و تهديدهاي نانوبيوتكنولوژي به وجود خواهد آمد را درك نمايند. براي كشور ما نانو تكنولوژي در همه زمينه‌ها و از جمله موارد نظامي بعنوان يك فرصت و در عين حال يك تهديد تلقي مي‌شود به اين دليل كه به علت فاصله كم ما با دنيا فرصت خوبي براي تفوق جهاني در اين رشته داريم و از طرف ديگر اگر دست بكار نشويم فاصله ديگر كشورها با ما افزايش خواهد يافت و در برابر اين پيشرفت جهاني منفعل خواهيم شد.

نانوبيوتكنولوژي

        نانوبيوتكنولوژي بيش از آنكه شاخه اي از بيوتكنولوژي باشد، شاخه‌اي از نانوتكنولوژي است. بيوتكنولوژي استفاده از سازواره‌هاي زنده در كاربردهاي صنعتي مختلف است ولي نانوتكنولوژي استفاده از قابليت‌هاي نانوتكنولوژي در كاربردهاي زيستي است. بنابراين واژه نانوتكنولوژي نيز مانند واژه هايي چون «بيومكانيك» و «بيومتريال» به استفاده از تكنولوژي‌هاي مختلف در كاربردهاي زيستي اشاره دارد و نه به استفاده از قابليت‌هاي ارگانيزم‌هاي حياتي در كاربردهاي مختلف صنعتي. البته نانوتكنولوژي ابزاري كارآمد در پيشبرد بيوتكنولوژي بوده و نقش آن در توسعه تحقيقات بيوتكنولوژي حائز اهميت است، لذا بعضاً همانند «بيوانفورماتيك» به عنوان شاخه‌اي از بيوتكنولوژي نيز مطرح شده است. بنابراين نانوبيوتكنولوژي عبارت است از شاخه اي از نانوتكنولوژي كه در زمينه‌هاي بيولوژي (ژنتيك مولكولي و سلولي) و بيوتكنولوژي كاربرد يافته است. بدين ترتيب نانوبيوتكنولوژي بعنوان يك رويكرد جدييد و همگرا كننده حوزه هاي مختلف علوم پايه، فني مهندسي، كشاورزي و صنايع غذايي، محيط زيست، علوم پزشكي و بيوتكنولوژي بوده و كاربردهاي فراواني خواهد داشت.
نانوبيوتكنولوژي به ما اجازه مي‌دهد تا اجزا و تركيبات را داخل سلول‌ها قرار داده و مواد جديدي را با استفاده از روش‌هاي جديد مقل خود اسمبلي بسازيم. در روش خوداسمبلي، براي سر هم كردن اجزا، نياز به روبات يا ابزار ديگري نيست. ايجاد ساختارهايي بر مبناي DNA در علوم پزشكي، دارو سازي، مهندسي ژنتيك و بيوتكنولوژي ايجاد يك تحول و انقلاب جديد در اين علوم خواهد بود. تحقيقات گسترده و سرمايه‌گذاري هاي جهاني در ساخت سيستم‌ها، فرايندها يا فراورده‌هاي زير، نشان دهنده رويكرد جديد محققين علوم و صنايع زيستي، صاحبان سرمايه و دولت‌هايي همچون آمريكا، ژاپن، روسيه و كشورهاي اروپايي به نانوبيوتكنولوژي است.
- ساخت سيستم‌هايي به منظور رهايش دارو در بدن
- ساخت قطعات سازگار براي جايگزيني اعضاي بدن
- بيو سنسورهايي به منظور آزمايشگاه‌هايي كامل طراحي شده روي يك تراشه بسيار كوچك
- اتشخيص همزمان چندين بيماري از روي يك قطره خون (براساس تشخيص از روي DNA )
- ساخت يك مولكول بيولوژي ناروماتيك از DNA
- ساخت ابزارهاي نانومتري بر پايه DNA
مثالهايي از كاربردهاي فناوري نانو در پزشكي

              امروزه از روش‌هاي داربست يا قالب در علم ارتوژدي و بعضاً در جراحي اعصاب استفاده مي‌شود. در اين روش قالب راهنمايي خواهد بود براي «هسته گزيني و رشد مواد نانو» بطوري كه بتدريج بافت مورد نظر حاصل مي‌گردد. در حال حاضر بهترين مثال كاربرد بيومينراليزاسيون در جهت رشد استخوان مصنوعي مي‌باشد. با استفاده از تيتانيوم كه بصورت مش يا سيلندرهاي سوراخ دار ساخته مي‌شوند و از نظر جراحي قابليت پيوند دارند، تشكيل ارگانوآپاتيت عملي شده است. فرض بر آن است كه كريستال‌هاي جنيني بسيار ظريف توسط سوراخ هاي ريز به دام افتاده و در پي آن هسته‌هايي از اين كريستال‌ها تشكيل شده و شاهد رشد آپاتيت بر روي فلز خواهيم بود. در روش پيشرفته‌تر نيازي به قرارگيري بر ساختمان‌هاي فلزي ابتدائي (داربست) نيست، بلكه نانوفيبرهاي مولكولي، خود مونتاژ و ساخته مي‌شوند و در بين رشته ها كريستال‌هاي هيدروكسي اپاتيت مينزاليزه قرار خواهند گرفت و همانند ساختمان‌هاي كلاژن استخوان بوجود مي‌آيد. با ره اندازي اين نوع فناوري‌هاي بيولوژيك و تشكيل چنين مواد پيشرفته به نظر مي‌رسد نه فقط دسترسي به فرآورده هاي مورد نظر ممكن است بلكه به اطلاعاتي دست خواهيم يافت كه مي‌توان از طريق آنها به نشانه‌هاي اثرات ضد التهابي و حمايت‌هاي نوروتروپيك درون سلول پي برده و امروزه درصدد آن هستند كه علاوه بر ارتوپدي در جراحي اعصاب براي فيوژن مهره‌ها از اين فناوري بالفعل استفاده نمايند. بطور اعم با سيستم‌هاي ميكرو الكترومكانيكال و ابزارهاي الكترونيك كه هم سازگاري بيولوژيك دارند و از اجزاء مهندسي بافتي مي‌باشند آشنا هستيم و مي‌دانيم امروزه در بدن انسان در درمان دستگاه‌هاي مختلف استفاده مي‌شوند. اين ابزار و وسائل در سطح مولكولي نبوده بلكه در مقياس ماكرومولكولي( اكثراً پلي مر) مي‌باشند و قادر به اعمالي در سطح نانو نيستند.
          گر چه در حال حاضر دانش نانوفناوري بسيار ابتدائي مي‌باشد و در سطح علوم پايه اين مطالعات و پژوهش‌ها پايه ريزي مي‌شود ولي چشم انداز آن بسيار اميدوار كننده مي باشد و ديري نخواهد پائيد كه شاهد اين فناوري در كاربرد باليني باشيم. براي مثال ساخت داروهائي است كه با استفاده از نانوريزداروها بخصوص در عبور از سد خوني مغز در سال 2002 در مجلات علمي دارويي منتشر شده اند. همچنين از مولكول‌هايي كه شبيه درخت داراي شاخ و برگ بوده و براي ژن درماني يا استفاده در MRI بعنوان كنتر است استفاده مي‌شوند. كشف دنريمرها (Dendrimers ) اكتشاف جالبي از فناوري مولكول‌ها مي‌باشد. در شروع (Gene therepy  ژن درماني) براي رساندن ژن مورد نظر به سلول استفاده از ژ ويروس بعنوان حامل مطرح بوده همان گونه كه از سرنگ براي تزريق دارو استفاده مي‌شود. امروزه با كشف دنريمرها كه مولكول‌هاي ساختگي مي باشند مي توان ژن مورد نظر را به سلول انتقال داد. همچنين از اين نانو ريز ذرات مي‌توان بعنوان مواد حاجب در MRI استفاده نمود و تصاوير بسيار شفاف دريافت نمود. علاوه بر موارد فوق امروزه از مامبران هاي (پرده هاي) اختصاصي براي جدا نمودن تركيبات آلي با وزن بسيار كم از محلول‌هاي آبي استفاده مي‌شود. اين نانومامبران قادرند بطور خيلي اختصاصي الترافيلتراسيون، تركيبات سمي را جدا نمايند. سالهاست كه انديشه بهره‌وري از رايانه‌هايي كه براساس مولكول‌هاي پروتئيني ساخته خواهد شد مطرح شده است. بر پايه اين تفكر اطلاعات در نوكلئوتيدهاي DNA كدگذاري مي‌شود و در تعقيب آن راه‌هاي دسترسي به مواد مختلف بيوشيمي ظهور مي كند. گر چه دانش ما بصورت ميكرو بسياري از مسائل را ظاهراً از نظر بيماري‌ها مورد بحث و تجزيه و تحليل قرار داده است، ولي شك نيست كه تقريباً پاية هر پروسة پاتوفيزيولوژيك براساس مولكولي است، مثلاً امروزه بيماري‌هاي ديابت قندي و ارتريواسكلروز تا حدي شناخته شده است ولي فقط نانوفناوري مي‌تواند در شناسائي اختصاصي تحليل چگونگي تغييرات ريز ذرات در ايجاد بيماري‌ها كمك نمايد و با شناخت اين تحولات مكانيسم هاي پيشگيري را مي‌توان مورد بررسي و استفاده قرار داد. بطور خلاصه كاربرد نانو فناوري در پزشكي مسلماً در آينده بسيار نزديك دررسيدن به اهداف اساسي يعني شناخت پاية بيماري‌ها و راه‌هاي معابله با آنها دنياي جديدي را پيش روي ما قرار خواهد داد.

برخي از كاربردهاي بيوتكنولوژي در پزشكي

          با استفاده از فناوري جديد اسكن بار كدها به راحتي مي‌توان انواع بيماري‌ها را در كوتاه ترين زمان تشخيص داد.
          محققين دانشگاه نورث وسترن با استفاده از نانوفناوري روش جديدي براي برچسب زدن نشانگرهاي بيماري‌ها با استفاده از قطعات كوچك DNA ابداع كرده اند. آن‌ها اين روش را بار كدگذاري زيستي نام نهاده اند. از اين روش مي‌توان براي تشخيص انواع بيماري‌ها، از سرطان گرفته تا آلزايمر و يا تشخيص مواد بيولوژيك سمي مانند عامل سياه زخم در جريان حملات تروريستي استفاده كرد.
            اين روش نسبت به روش قديمي PCR جهت شناسايي و تعيين مقدار DNA در نمونه‌ها، ارزان‌تر، سريع تر، دقيق‌تر و راحت تر مي‌باشد.
            اين روش جديد كه به نام BCA ناميده شده است در طي يكسال آينده بصورت تجاري به بازار عرضه خواهد شد.
            برخلاف تست‌هاي رايج كه به يك يا چند ويال خون جهت انجام تست نياز است در اين روش با يك قطره خون تمام آزمايشات لازم در مدتي كه يك ملاقات با پزشك صورت مي‌گيرد، انجام مي‌گردد.
            اين روش بر مبناي استفاده از يكسري كاوشگرهاي (PROBES ) شيميايي كه قابليت اتصال به شناساگرهاي بيماري‌ها را دارند، ابداع شده است. به عنوان مثال اگر بخواهيم از وجود عامل سياه زخم آگاه شويم، مجموعه اي از كاوشگرها كه قابليت اتصال به DNA عامل بيماري را دارند، تهيه مي‌گردند. يك كاوشگر شامل يك نانوذره مغناطيسي است كه به يك رشتة DNA مكمل يا DNA عامل بيماري متصل شده است. كاوشگر ديگر، از يك نانوذرة طلا نشكيل شده است كه آن هم به يك رشتة DNA مكمل عامل بيماري در خون موجود باشد، نشانگر DNA آن بين اين دو كاوشگر احاطه شده و به راحتي با خاصيت مغناطيسي مي‌توان آن را جداسازي و شناسايي كرد. اين روش جهت شناسايي فكتور كشنده سياه زخم (فاكتور مرتبط با در معرض قرار گيري با عامل سياه زخم) مورد تأييد قرار گرفته است. از اين روش جهت شناسايي آنتي ژن اختصاصي پروستات (PSA ) كه شناساگر اختصاصي سرطان پروستان است، در مقادير بسيار كم نيز استفاده شده است بر اين اساس براي هر توالي DNA يا پروتئين مرتبط با بيماري‌ها مي‌توان يك باركد طراحي كرد.
              در آينده انتظار مي‌رود با كوچك شدن دستگاه هاي اسكن كننده باركدها بتوان از اين فناوري در خانه ها براي تشخيص ابتلاء به انواع بيماري‌ها استفاده كرد.


استفاده از رايانه DNA جهت در درمان سرطان

        محققين مؤسسه علوم وايزمن اخيراً يك رايانه DNA ساخته اند كه قادر به شناسايي نشانگرهاي سرطان است و در عين حال داروي مناسب درمان سرطان را نيز آزاد مي‌سازد. ورودي، خروجي و نرم افزار اين رايانه، مولكول‌هاي DNA مي‌باشند. در حالي كه آنزيم‌هاي سازندة DNA بعنوان سخت افزار آن عمل مي‌كنند. رايانه، ورودي را به منظور شناسايي نشانگرهاي مولكولي مورد بررسي قرار مي‌دهد. نشانگرها مي‌توانند توالي‌هاي جهش يافتة RNA-m و كاهش يا افزايش توليد RNA-m باشند.
    اين وقايع همگي مي‌توانند دليل وجود سرطان باشند اين سيستم، نشانگرها را تك تك مورد ارزيابي قرار مي‌دهد و در صورتي كه شرايط مرتبط با بيماري را كشف نكند، پاسخ«خير» مي دهد و در صورتي كه نشانگرها وجود يك بيماري را نشان دهند خروجي آن «بله» است. در اين حالت رايانه يك توالي DNA با نقش درماني توليد كرده و بر ميزان بيان ژن اثر مي‌گذارد.
          اين رايانه قادر است ميزان رهاسازي دارو را براساس شدن بيماري نيز تنظيم كند. به اين منظور رايانه از يكسري مولكول‌هاي تشخيصي براي هر محاسبه استفاده مي‌كند. بعضي از آن ها ممكن است خروجي مثبت توليد كنند در حالي كه بقيه خروجي منفي ايجاد مي‌كنند. بعضي از مولكول‌ها به گونه اي طراحي شده اند كه در شرايطي كه تشخيص بيماري مثبت شد، دارو را رها سازند در حالي كه بقيه در شرايط تشخيص مثبت بيماري كاري انجام نمي‌دهند اما در تشخيص منفي بيماري، مولكول‌هاي خنثي كنندة دارو رها مي‌سازند.دانشمندان اين عمل را سيستم چك كردن و تعادل نام نهاده اند. اين كار براي جلوگيري از ايجاد هر گونه مشكل در روند درمان بيماري‌ها است.
        اين دانشمندان نشان دادند كه رايانه آن‌ها قادر به شناسايي علائم سرطان پروستات و سرطان ريه است و داروهاي مورد نياز در هر مورد را آزاد مي‌سازد.
          اين افراد معتقدند كه رايانه قادر است تا حدود 15 نشانگر را شناسايي كند. اين سيستم، توانايي رهاسازي پروتئين‌ها، مولكول‌هايي طويل DNA يا مولكول‌هاي آلي را با اهداف درماني دارا مي‌باشد. اين مطالعات در خارج از سلول‌ها و محيط بدن و در شرايط آزمايشگاهي صورت گرفته اند مدت زيادي لازم است كه بررسي‌هاي تكميلي جهت استفاده از آن درون بدون صورت گيرد.


محصولات و زمينه‌هاي فعاليت بيونانوتكنولوژي

  برخي از محصولات و زمينه هاي فعاليت بيونانوتكنولوژي عبارتند از:
            1- بيونانوماشين‌ها: مهمترين زمينة كاربرد بيونانوتكنولوژي، ساخت بيونانوماشين‌ها (ماشين‌هاي مولكولي با ابعادي در حد نانومتر) است. در يك باكتري هزاران بيونانوماشين مختلف وجود دارد. نمونه آنها، ريبوزوم (دستگاه بسته بندي پروتئين) است كه محصولات نانومتري (پروتئين‌ها) را توليد مي‌كند. از خصوصيات خوب بيونانوماشين ها (به عنوان مثال حسگريهاي نوري يا آنتي بادي‌ها)، امكان هيبريد كردن آنها با وسايل سيليكوني با استفاده از فرآيند ميكرولبيتوگرافي است، به اين ترتيب با ايجاد پيوند بين دنياي نانويي بيونانوماشين‌ و دنياي ماكروي كامپيوتر، امكان حسگري مستقيم و بررسي وقايع نانويي را مي توان به وجود آورد. نمونه كاربردي اين سيستم، ساخت شبكية مصنوعي با استفاده از پروتئين باكتبورودپسين است.
          2- مواد زيستي (Biomaterial ) كاربرد ديگر بيونانوتكنولوژي، ساخت مواد زيستي مستحكم و زيست تخريب‌پذير است. از جملة اين مواد مي توان به DNA و پروتئين‌ها اشاره نمود. موارد كاربرد اين مواد و به خصوص در زمينه پزشكي متعدد است. از جمله موارد كاربرد اين مواد، استفاده از آنها به عنوان بلوك هاي سازنده نانومدارها و در نهايت ساخت وسايل نانويي (Nano- Device ) است. همچنين به دليل خصوصيات مناسب اين مواد از انها در ترميم ضايعات پوستي استفاده مي شود.
            3- موتورهاي بيومولكولي موتورهاي بيومولكولي، موتورهاي محركة سلول هستند كه معمولاً از دو يا چند پروتئين تشكيل شده اند و انرژي شيميايي (عموماً به شكل ATP ) را به حركت (مكانيكي) تبديل مي‌كنند. از جملة اين موتورها، مي‌توان به پروتئين ميوزين (باعث حرك فيلامنت‌ها مي‌شود)، پروتئين‌ها درگير در تعمير DNA يا ويرايش RNA (به عنوان مثال، آنزيم‌هاي برشي) و ATPase اشاره كرد. از اين موتورها در ساخت نانوروبات‌ها و شبكة هادي‌ها و ترانزيستورهاي مولكولي (قابل استفاده در مدارهاي الكترونيكي) استفاده مي‌شود. از جمله زمينه‌هاي ديگري كه از بيونانوتكنولوژي استفاده مي‌شود، مي توان به تكنولوژي دستكاري تك مولكول (single Molecule ) تكنولوژي Drug delivery , Biochip (ساخت نانوكپسول و نانوحفره) تكنولوژي Microfluidics (به عنوان مثال، ساخت (BioNEMS lab on a chip ساخت پمپ‌ها، حسگرها و اهرم‌هاي نانويي). Nuleic Acid Bioengineering ساخت نانوسيم DNA و يا كاربرد در همسانه سازي و ترانسرميشن)، Nanobioprocessing (خودساماندهي، دستكاري سلولي و توليد فرآورده‌هاي زيستي)، حسگرهاي زيستي (ارزيابي ايمني غذا و محيط زيست) و Bioselective surface  مورد استفاده در تكنولوژي‌هاي جداسازي زيستي)، اشاره نمود.
دسته‌بندي كاربردهاي فناوري نانو در شاخه بيوشيمي و بيوتكنولوژي

      1 - نانوبيومواد: مواد جديد همواره يكي از پيشران‌هاي توان زاي كليدي براي ساخت سيستم‌ها و كاربردهايي با اثرات چشمگير بوده‌اند. اين مواد مي‌توانند موانع فرآيندهاي قبلي را بشكنند و نهايتاً كاربردهايي با منافع بالقوه جهاني را توليد كنند. مواد در مقياس نانو، يعني موادي كه ويژگي‌هايشان در سطح كمتر از ميكرو (كوچكتر از 6- 10 ‌m ) يا نانو (9- 10m ) قابل كنترل است. خواص مواد در چنين ابعاد و اندازه‌هايي با مواد متعارف اساساً متفاوت است و به همين لحاظ تحقيقات در حوزة نانو مواد روز به روز فعال تر مي‌شود، نانوبيوذرات، ذرات كلوئيدي و جامدي هستند كه شامل اجزاء ماكرومولكولي با اندازه 10- 1000 nmc با شيمي سطح پيچيده هستند. بسته به روش توليد، نانوذرات به شكل نانوكپسول يا نانوكره هستند نانوكره‌ها سيستم‌هاي ماتريسي مي‌باشند در حالي كه نانوكپسول‌ها سيستم‌هاي وزيكولاراند. نانوكپسول‌ها نانوذراتي هستند كه داراي يك پوسته و فضاي خالي داخل آن جهت قرار گرفتن و حمل مواد مورد نظر باشند. فسفوليژيدها با يك سر آب دوست و يك سر آب گريز وقتي در يك محيط آبي قرار مي‌گيرند، تشكيل كپسول‌هايي مي‌دهند كه سر آب دوست آن در بيرون و سر آب گريز مولكول در درون آن قرار مي‌گيرند، از پليمرهايي مثل ليپيد و پروتئين نيز مي‌توان براي ساخت نانوكپسول استفاده كرد. درخت سان ها (Denderimeres ): ماكرومولكول‌هايي با ساختار منتظم و پر شاخه سه بعدي، كه به خاطر دانسيته بالاي كروه هاي فعال كاربردهاي زيادي دارند. درخت سان ها به دليل رقابت طراحي و ساخته شدن بادقت كاملاً اتمي بيشترين توانمندي را در مقايسه با نانو حفرات، نانوكپسول‌ها و نانوذرات از خود نشان مي‌دهند.
          ذرات ويروس مانند (Particles like virus ) (vlps ) بيان نوتركيب ساختمان اصلي پروتئين‌هاي بسياري از ويروس‌ها، VLP را توليد مي‌كند. چنين ذراتي موروفولوژي شبيه به كپسيدهاي خالي از ويروس دارند كه از آن منشاء گرفته اند، بنابراين ساختارشان شبيه به ويروس اصلي است در عين حال غير فعالند.
          پروتئين نانوذرات، اندازه پروتئين‌ها به طور طبيعي كمتر از مقياس نانو است. بااستفاده از روش‌هاي سنتز ذرات در نانوتكنولوژي مي‌توان پروتئين‌هايي توليد كرد كه در مقياس نانو باشند. اين ذرات نانوپروتئيني در سيستم هاي انتقال دارو (به عنوان حامل دارو)، ژن درماني، توليد كرم‌هاي ضد آفتاب و مواد آرايشي و همچنين در توليد علف كش‌هاي نانويي كاربرد دارند.
        بطور خلاصه نانوبيوموادها به خاطر اندازه كوچكشان بسيار مورد توجه‌اند و كاربردهاي بسياري دارند از جمله:
داروسازي
به كارگيري نانو بيومواد در پاكسازي محيط زيست
استفاده ار نانوبيومواد در محصولات آرايشي و بهداشتي مانند كرم هاي ضد آفتاب و رنگدانه‌ها، برخي داروها
انتقال ژن وژن درماني
توليد واكسن
استفاده در علف كش‌ها و سموم نباتي
افزودن طعم و رنگ دلخواه به غذا
آشكار سازي تهديدهاي بيولوژيكي مثل سياه زخم، آبله و سل و محدوده وسيعي از بيماري‌هاي ژنتيكي
        حفظ سلامت غذا، نانوذرات با چسبندگي خاص قادرند به صورت برگشت ناپذير به بعضي از انواع باكتري متصل شوند و مانع آلوده كردن ميزبان توسط آنها شوند.
            نكته اي كه بايد توجه شود اين است كه براي اينكه سيستم هاي انتقال (دارو، غذا و ژن) مؤثر بالشند، تركيبات فعال كپسوله كننده بايد به مكان‌هاي مشخص برسند، غلظت شان بايد در يك سطح مناسب براي مدت زمان طولاني ثابت باشد و از تجربه نابهنگام آنها جلوگيري شود. نانوذرات توانايي بيشتري در كپسوله كردن و آزاد سازي نسبت به سيستم‌هاي قديمي دارند و به خصوص به خاطر اندازه كوچكشان مي‌توانند مستقيماً به سيستم گردش خون وارد شوند.
            2- نانولوله ها و نانوكامپوزيت‌ها:
نانولوله‌هاي كربني اولين نسل محصولات نانو هستند كه در سال 1991 كشف و به جهان عرضه شدند. نانو لوله‌ها از پيچيده شدن ورقه هاي گرانيت با ساختاري شبيه شانه عسل بدست مي‌آيند. اين لوله‌ها بسيار بلند و نازك هستند و ساختارهايي پايدار، مقاوم و انعطاف پذير دارند.
نانولوله‌ها قوي‌ترين فيبرهاي شناخته شده اند 100-1 برابر قوي‌تر از واحد وزني استيل هستند و مي توانند جايگزين سراميك‌هاي معمولي، آلومينيوم و حتي فلزات در ساخت هواپيما، چرخ دنده ها، ياتاقان‌ها، اجزاء ماشين، دستگاه‌هاي پزشكي، وسايل ورزشي و دستگاه‌هاي صنعتي توليد غذا شوند.
مطالعات اخير پيشنهاد مي‌كند كه از نانو لوله‌هاي كربني براي اهداف بيولوژيكي مثل كريستاليزاسيون پروتئين‌ها و ساخت بيوراكتورها و بيوسنسورها استفاده شود. نانولوله‌هاي كربني در محيط‌هاي آبي نامحلول‌اند. بنابراين براي كاربردهاي بيولوژيكي بايد بر اين مسأله غلبه كرد.
            پيوند گروه‌هاي Functional به نانولوله‌هاي كربني براي كاربردهاي پزشكي بسيار مفيدند به عنوان مثال اتصال نانولوله‌ها به يك توالي خاص DNA مي‌تواند باعث اتصال به يك پروتئين در سلول سرطاني شود و اتصال هم سلولي به يك بخش ديگر از همان نانولوله مي‌تواند يك «پيكان راهنما» براي حمله به سلول سرطاني و نابود كردن آن باشد. نانولوله‌هاي كربني به خصوص نانولوله‌هاي چند لايه با ساختار كاملاً تعريف شده نانويي، مي‌توانند براي ساختن بيوسنسورها استفاده شوند.
            يك زمينه ديگر كابرد نانولوله‌هاي كربني توسعه غشا

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؟ در اين مقاله به بحث راجع به پاسخ اين سؤال پرداخته ميشود.

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.

نانوبیوتکنولوژی و کاربردهای آن

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 تٲکید 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.

مباحث مرتبط با عنوان

نانو بیوتکنولوژی

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.

یکی 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.

چشم انداز بحث

با توجه به پیشرفت سریع و دامنه گسترده بیوتکنولوژی زمینه‌های بروز انقالاب بیوتکنولوژی عصر جدیدی در علوم مختلف مانند بیولوژی ، پزشکی ، فارماکولوژی و مهندسی ژنتیک فراهم گردیده است. به علاوه حوزه‌های دیگری مانند اقتصاد و سیاست نیز از آن تاثیر بسزایی پذیرفته است. هم اکنون از دیدگاه اخلاق زیستی در این رابطه سوالات مهم و اساسی مطرح شده است که علاوه بر اثرات بسزایی که بر پیشرفتهای علمی و سایر زمینه‌های علوم زیستی دارد، نسلهای آینده بشر را نیز به صورت گسترده‌ای تحت‌الشعاع قرار می‌دهد. در این باره مشارکت مداوم دانشمندان کنجکاو و خردمندی می‌تواند راه گشا بوده و بایستی با در نظر گرفتن این منابع و پیشرفتهای جدید و با امید به حل چنین مشکلات و مسائلی با فائق آمدن بر همه محدودیتها در جهت گسترش این دانش فعالیت نمود.