بیونانوتکنولوژی همان نانوبیوتکنولوژی یا ؟؟؟

با پیشرفت علم و تکنولوژی در جهان، مرتباّ بر تعداد واژه‌های تخصصی افزوده می‌شود. در این میان، گسترش علوم و تکنولوژی نانو و تعامل آن با بیوتکنولوژی، منجر به تولید و کاربرد واژه‌هایی چون بیونانوتکنولوژی و نانوبیوتکنولوژی در گفته‌ها و نوشته‌های محققان مختلف در سطح جهان شده است. آشنایی محققان و سیاستگذاران علمی کشور با این واژه‌ها، می‌تواند آنها را در مطالعات و تصمیم‌گیری‌ها یاری کند. در این مطلب، سعی شده است با استفاده از منابع اینترنتی، مقالات و کتب موجود و همچنین استفاده از نظرات برخی متخصصین امر، تعاریف ساده‌ای از دو واژة بیونانوتکنولوژی و نانوبیوتکنولوژی ارایه شود.

مفهوم و زمینة کاربرد بیونانوتکنولوژی

تلفیق بیوتکنولوژی با فناوری نوظهور نانوتکنولوژی، مباحث جدیدی را بین محققان، هم در سطح دانشگاهی و هم در حوزة صنعت به‌وجود آورده است. نتیجة این تلفیق، ظهور " بیونانوتکنولوژی " به‌عنوان یک زمینة تحقیقاتی بین‌رشته‌ای است که به‌سرعت در حال رشد و توسعه است و با مقولة علم و مهندسی در سطح مولکول ارتباط دارد.

برخی از صاحب‌نظران، بیونانوتکنولوژی را به‌عنوان زیرمجموعه‌ای از نانوتکنولوژی، به این صورت تعریف کرده‌اند: " مطالعه و ایجاد ارتباط بین بیولوژی مولکولی ساختاری و نانوتکنولوژی مولکولی " [ مأخذ4 ] . برخی دیگر، آن‌را به‌عنوان زیر مجموعه‌ای از بیوتکنولوژی بدین شکل تعریف کرده‌اند: " به‌کارگیری پتانسیل بالقوة بیولوژی در ساخت و سازماندهی ساختارهای پیچیده با استفاده از مواد ساده و با دقت در حد اتم " [ مأخذ2و7 ] . در این زمینه، تنها تفاوتی که بین بیونانوتکنولوژی و بیوتکنولوژی وجود دارد این است که طراحی و ساخت در مقیاس نانو جزء لاینفک پروژه‌های بیونانوتکنولوژی است در حالی‌که در پروژه‌های بیوتکنولوژی، نیازی به فهم و طراحی در حد نانو نیست [ مأخذ7 ] .

چنان‌که ملاحظه می‌گردد، برخلاف تعریف "بیوتکنولوژی" که به معنی فناوری استفاده از موجودات زنده و اجزای موجودات زنده در راستای نیازهای صنایع مختلف است و همچنین برخلاف تعاریف واژه‌هایی چون "بیومتریال" و "بیومکانیک" که معمولا به‌معنی استفاده از قابلیت‌های فناوری‌های "مواد" و یا "مکانیک" در کاربردهای زیستی است، در تعریف بیونانوتکنولوژی، هم کاربرد ابزارهای بیولوژیکی به‌عنوان سازمان‌دهنده و مادة اولیه جهت ساخت محصولات و مواد نانویی، مورد توجه است و هم کاربرد محصولات تولیدی تکنولوژی نانو، جهت مطالعة وقایع درون سلول‌های زنده و تشخیص و معالجة بیماری‌ها [ مأخذ2و6و7 ] .

آنچه مسلم است ظهور این زمینة تحقیقاتی، حاصل تغییر عقیدة 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 [ مأخذ2و7 ] . 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 به‌یکدیگر است؛ در این راهکار از الگوهای بیولوژیکی بهره‌گیری می‌شود.

محصولات و زمینه‌های فعالیت بیونانوتکنولوژی

برخی از محصولات و زمینه‌های فعالیت بیونانوتکنولوژی عبارتند از:

1- بیونانوماشین‌ها

مهمترین زمینة کاربرد بیونانوتکنولوژی، ساخت بیونانوماشین‌ها (ماشین‌های مولکولی با ابعادی در حد نانومتر) است. در یک باکتری هزاران بیونانوماشین مختلف وجود دارد. نمونة آنها، ریبوزوم‌ (دستگاه بسته‌بندی پروتئین) است که محصولات نانومتری (پروتئین‌ها) را تولید می‌کند. از خصوصیات خوب بیونانوماشین‌ها (به‌عنوان مثال حسگرهای نوری یا آنتی‌بادی‌ها)، امکان هیبریدکردن 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 به‌وجود آورد. نمونة کاربردی این سیستم، ساخت شبکیة مصنوعی با استفاده از پروتئین باکتریورودوپسین است.

2- مواد زیستی ( Biomaterial )

کاربرد دیگر بیونانوتکنولوژی، ساخت مواد زیستی مستحکم و زیست‌تخریب‌پذیر است. از جملة این مواد می‌توان به DNA و پروتئین‌ها اشاره نمود. موارد کاربرد این مواد و به‌خصوص در زمینة پزشکی متعدد است. از ‌جمله موارد کاربرد این مواد، استفاده از آنها به‌عنوان بلوک‌های سازندة نانومدارها و در نهایت ساخت وسایل نانویی ( Nano-Device ) است. همچنین به‌دلیل خصوصیات مناسب این مواد از آنها در ترمیم ضایعات پوستی استفاده می‌شود.

3- موتورهای بیومولکولی

موتورهای بیومولکولی، موتورهای محرکة سلول هستند که معمولا از دو یا چند پروتئین تشکیل شده‌اند و انرژی شیمیایی (عموماً به شکل ATP ) را به حرکت (مکانیکی) تبدیل می‌کنند. از جملة این موتورها، می‌توان به پروتئین میوزین (باعث حرکت فیلامنت‌ها می‌شود)، پروتئین‌های درگیر در تعمیر DNA یا ویرایش RNA (به‌عنوان مثال، آنزیم‌های برشی) و ATPase اشاره کرد. از این موتورها در ساخت نانوروبات‌ها و شبکة هادی‌ها و ترانزیستورهای مولکولی (قابل استفاده در مدارهای الکترونیکی) استفاده می‌شود. از جمله زمینه‌های دیگری که از بیونانوتکنولوژی استفاده می‌شود، می‌توان به تکنولوژی دستکاری تک مولکول ( Single Molecule )، تکنولوژی Biochip و Drug Delivery ( ساخت نانوکپسول و نانوحفره)، تکنولوژی Microfluidics (به‌عنوان مثال، ساخت lab on a chip )، BioNEMS (ساخت پمپ‌ها، حسگرها و اهرم‌های نانویی)، Nucleic Acid Bioengineering (ساخت نانوسیم DNA و یا کاربرد در همسانه‌سازی و ترانسفرمیشن)، Nanobioprocessing (خودساماندهی، دستکاری سلولی و تولید فرآورده‌های زیستی)، حسگرهای زیستی (ارزیابی ایمنی غذا و محیط‌زیست) و Bioselective surface (مورد استفاده در تکنولوژی‌های جداسازی زیستی)، اشاره نمود [ مأخذ 5، 7و10 ] .

نانوبیوتکنولوژی و رابطة آن با بیونانوتکنولوژی

اما نانوبیوتکنولوژی نیز واژة دیگری است که در سال‌های اخیر، محققان و صاحب‌نظران در کتب، مقالات و کنفرانس‌ها به‌کار می‌برند. طبق تعریف برخی از این محققان، نانوبیوتکنولوژی، زیرمجموعه‌ای از نانوتکنولوژی است که در آن از ابزارها و فرآیندهای نانویی و میکرونی برای ساخت و تهیة محصولاتی استفاده می‌شود که در مطالعة سیستم‌های زنده استفاده می‌شوند [ مأخذ7و8و10 ] . برخی دیگر از محققان، نانوبیوتکنولوژی را زمینه‌ای از نانوتکنولوژی می‌دانند که در آن از سیستم‌های بیولوژیکی موجود، همچون سلول، اجزای سلولی، اسیدهای نوکلئیک و پروتئین‌ها برای ایجاد ساختارهای نانویی تلفیقی (مرکب از مواد آلی و معدنی) استفاده می‌شود [ مأخذ10 ] .

اگر به مفهوم و هدف دو زیرشاخة نانوتکنولوژی یعنی بیونانوتکنولوژی و نانوبیوتکنولوژی نگاه شود، می‌توان فهمید که اهداف هر دو شاخه (یعنی تولید محصولاتی که جهت مطالعة سیستم‌های زنده به‌کار می‌روند) و همچنین فرآیندها و مقیاس فعالیت هر دو شاخه (یعنی مقیاس‌های در سطح نانو)، تقریبا یکسان است. بنابراین می‌توان این دو شاخه را به‌صورت کلی با نام نانوبیوتکنولوژی نامید. منتهی زمانی که به‌طور 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 واژة بیونانوتکنولوژی تخصصی‌تر از واژة 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 واژة نانوبیوتکنولوژی، استفاده از ابزارهای نانویی در کاربردهای بیولوژیک نیز مورد نظر خواهد بود. بار دیگر تأکید می‌شود که کاربرد هر کدام از این دو واژه، تا حد زیادی سلیقه‌ای است و به زمینة تخصصی محققان مختلف، بستگی دارد [ مأخذ1 ] .

نتیجه‌گیری و چشم‌انداز

از مجموع مباحث فوق نتیجه گرفته شد که " بیونانوتکنولوژی " یک حوزة نوین ناشی از تلفیق علوم زیستی و مهندسی در حوزة نانو است که افق‌های جدیدی را در زمینة ساخت و توسعة سیستم‌های تلفیقی به‌وجود آورده و محققان را امیدوار کرده‌است که بتوانند از این تلفیق، در ساخت نانوساختارهایی استفاده کنند که در آنها از مولکول‌های بیولوژیکی به‌عنوان اجزای سیستم مورد نظر استفاده شود؛ به‌عنوان مثال، از استراتژی‌ طراحی بیولوژیک (مثلاٌ، حالت زیپ‌مانند مولکول دورشته‌ای DNA ) بتوانند در ساخت چارچوب‌های 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 نه‌تنها در حل مسائل مهمی در علوم زیستی چون کاوش و شناسایی دقیق ساختار موجودات زنده کابرد خواهد داشت، بلکه می‌تواند محققان را در رفع چالش‌های عمدة 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. به‌عبارت دیگر این شاخة مهم علمی (یعنی بیونانوتکنولوژی)، به زودی قابلیت کاربرد در حوزه‌های مختلف غیرزیستی و حوزه‌های کاربردی ماکرو را خواهد داشت؛ کاربردهایی که هرچند در حوزة زیستی نیستند ولی الهام گرفته از فرآیندهای زیستی ( Bio-inspired ) هستند [ مأخذ4و7و10] .

مآخذ:

1) نظرخواهی از صاحب‌نظران (دکتر چمن‌خواه، دکتر Goodsell از موسسة تحقیقاتی Scripps کالیفرنیا)

2) Bionanotechnology. Available from: http://www.msm.cam.ac.uk/nanoenterprise/Science.html

3) Bionanotechnology. Available from: www.atip.or.jp/public/atip.reports.01/atip01.018.pdf

4 )Bionanotechnology. Available from: http://www.nyas.org/ebriefreps/main.asp?intSubsectionID=1186

5 )Bionanotechnology. Available from: www.atip.or.jp/public/atip.reports.01/atip01.018.pdf

6) Bionanotechnology Euroconference on Biomolecular Devices. Available from: www.esf.org/euresco/03/lc03192

7) Goodsell, David S. 2004. Bionanotechnology: Lessons from Nature. Wiley Publishers.

8) Nanobiotechnology. Available from: http://www.nbtc.cornell.edu/

9) Nanobiotechnology: Commercial Opportunities from Innovative Concepts. Available from: http://www.researchandmarkets.com/reports/17455

10) Niemeyer, C.M., C. A. Mirkin. 2004. Nanobiotechnology: Concepts, Applications and Perspectives. WILEY-VCH Verlag Gmbh & Co. KGaA.

تهیه کننده :مهدی رهایی