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.