بيوتكنولوژي، بيونانو تكنولوژي، نانو بيو تكنولوژي

بيوتكنولوژي در اوايل قرن بيستم وارد عرصه جهاني شد. ليكن مهندسي بيوفرايند بعد از جنگ جهاني دوم و با توليد صنعتي پني سيلين به روش تخمير وارد معادلات علمي، تجاري و اقتصادي جهان شد. بيوتكنولوژي يك مفهوم كلي و يك موضوع بين رشته اي است كه دامنه وسيعي از علم (مهندسي، پزشكي، كشاورزي، صنايع غذايي . . .) را شامل مي شود. شايد يكي از تعاريف ساده و نزديك به ذهن در بيوتكنولوژي، انواع دسته بنديهاي محصولات حاصل از تخمير باشد كه عمده ترين آن شامل مولكول هاي كوچك (Small Molecules) ، ماكرومولكولها (مانند آنزيمها و پروتئين ها) ، مواد ساده سلولي(مانند مخمرنان) و محصولات كمپلكس(مانند غذاهاي تخميري و محصولات كشاورزي) است.

ماكرومولكولها كه از مهمترين محصولات حاصل از تخمير به شمار مي آيند، بخش بسيار وسيعي از فرايندهاي بالادستي و پايين دستي بيوتكنولوژي را به خود اختصاص داده و بيوتكنولوژي 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 بيوتكنولوژيكي (First Generation) را مي توان به آنها اطلاق كرد.

اما در سالهاي اخير علاقه مندي بشر به نسل ديگري از محصولات بيوتكنولوژيكي افزون شده، تا جايي كه تكنيكهاي بالا دستي و پايين دستي را كاملاً تحت شعاع خود قرار داده است. امروزه نياز فراواني براي توليد، بازيافت و خالص سازي نانو بيومواد (محصولات) نظير پلاسميد DNA و ويروس ها براي ژن درماني، اسمبلي ماكرومولكولها (مانند پروتئين نانو ساختارها)، بعنوان حامل دارو و ذرات ويروس مانند (Virus-like particle) براي استفاده در واكسن ها (Vaccine Components) وجود دارد و محققين، خود را مواجه با مشكلات و معضلات جديدي در اين خصوص مي بينند. نانو بيو مواد بواسطه اندازه ويژه شان (با قطر10-300 نانومتر)، شيمي سطح پيچيده و ارگانيزمهاي دروني شان، تكنيكهاي بالا دستي و پايين دستي گسترش يافته براي نسل اول مواد بيولوژيكي را به چالش طلبيده و روش هاي جديدي را براي توليد و بازيافت طلب مي كنند. به همين منظور با يك دسته بندي منطقي مي توان اين دست از محصولات بيو تكنولوژيكي را نسل دوم (Second Generation) محصولات ناميده و راه كارهاي جديد را در مواجهه با آنها جستجو كرد.

تعريف:

نانوتكنولوژي مجموعه اي است از فناوري هايي كه بصورت انفرادي يا با هم براي به كارگيري و يا درك بهتر علوم مورد استفاده قرار مي گيرند. بعضي از اين فناوري ها هم اكنون در دسترس و بعضي نيز در حال توسعه و پيشرفت اند كه ممكن است در طي سالها و يا دهه هاي بعد مورد استفاده واقع شوند. بيوتكنولوژي جزو فناوري هاي در حال توسعه است كه با به كارگيري مفهوم نانو به پيشرفتهاي بيشتري دست خواهد يافت.يك تعريف كلاسيك از تعامل بيوتكنولوژي و نانو تكنولوژي بصورت زير بيان مي شود:

»بيوتكنولوژي به نانو تكنولوژي مدل ارايه مي دهد، در حالي كه نانوتكنولوژي با در اختيار گذاشتن ابزار براي بيوتكنولوژي آنرا براي رسيدن به اهدافش ياري مي رساند.«

پر واضح است كه تعامل بيوتكنولوژي و نانوتكنولوژي و يا به تعبيري نانوبيوتكنولوژي بسيار فراتر از اين است. شايد بتوان گفت نانو بيوتكنولوژي مترادف با استفاده از قابليت هاي نانو در كاربردهاي زيستي است. اين شاخه از فناوري به ما اجازه مي دهد تا اجزا و تركيبات را داخل سلولها بصورت عام قرار داده و يا با استفاده از روش هاي جديد خود آرايي و مكان آرايي در موج اول نانو بيوتكنولوژي، نانو بيو مواد را ساخته و با تكنيكهاي پيشرفته به خالص سازي و باز يافت آنها بپردازيم. بي گمان زمينه ها و فازهاي بعدي اين فناوري جديد به توليد وسايل نانو بيو (موج دوم) و در نهايت به ارايه ماشين هاي هوشمند و روبات ها منجر خواهد شد (موج سوم)كه كاربردهاي فراواني در حوزه هاي مهم بيوتكنولوژي مانند پزشكي، كشاورزي و صنايع غذايي خواهند داشت.

سؤالي كه به ذهن متواتر شده و محققان و متخصصان علوم بيوتكنولوژي و نانو بيوتكنولوژي را متوجه آن كرده، اين است كه مرز بيوتكنولوژي و نانو بيوتكنولوژي در كجاست؟

اگر چه اين دو فناوري هم پوشانيهاي زيادي دارند و به تعبيري داراي مرزهاي نامشخص (Fuzzy) هستند، اما شايد دسته بندي محصولات بيوتكنولوژيكي به نسل اول و نسل دوم كمك قابل توجهي به اين موضوع كند. حوزه اي از فناوري كه با توليد، باز يافت و بكارگيري نسل دوم مواد و محصولات بيوتكنولوژيكي سروكار دارد، همان نانوبيوموادي كه توليد و بازيافت و خالص سازيشان خصوصاً در ابعاد صنعتي به شدت تكنيك هاي موجود را به مخاطره انداخته و روشهاي نوين را مي طلبد، مي تواند محدوده كاري نانوبيوتكنولوژي و يا بيونانو تكنولوژي باشد.

با تقسيم بندي اولويت هاي تحقيقاتي نانو بيوتكنولوژي به سه موج نانو بيومواد، نانو وسايل و نانو ماشين ها، لزوم تمايز بيوتكنولوژي و نانو تكنولوژي بطور وضوح در محدوده كاري موج اول نانو بيوتكنولوژي خود را نمايان مي سازد. چون بي ترديد موج هاي دوم و سوم اين فناوري هم پوشاني بسيار ناچيزي با بيوتكنولوژي به معناي عام خواهند داشت.

اما موضوع بعدي كه ضرورت شفاف سازي و بيان واژه ها در آن مهم است، تشابه و تمايز نانوبيوتكنولوژي و بيونانو تكنولوژي است. به بيان ديگر اصولاً فرقي بين اين دو واژه وجود دارد و اگر چنين است اين تمايزات چيست؟

براي ساخت تمام نانو موادها(ذرات) همواره دو روش در نانوتكنولوژي مد نظر است. ابتدا روشهاي بالا به پايين (Top down) و سپس روش هاي پايين به بالا (Bottom up) . نانو بيو ذرات نيز از اين قاعده مستثنا نبوده و از طريق يكي از اين دو روش توليد مي شوند. اگر يك نانو بيو محصول از روش هاي بالا به پايين توليد شود، به بيان ديگر با تكيه براصول و مباني اصلي بيوتكنولوژي، و در ادامه با روشهاي اصلاح شده خالص سازي و بازيافت – كه با كمك تكنيكهاي جديد توسعه يافته و براي محصولات نسل دوم (نانو بيوموادها) بكار گرفته مي شود به محصول نهايي (End Product) تبديل شود، به اين مجموعه از فناوريها بيونانو تكنولوژي اطلاق مي شود. به عنوان مثال بيو راكتوري را در نظر بگيريد كه يك سلول حيواني خاص در آن كشت داده شده و در شرايط ويژه رشد كند. محصول مورد نظر يك ويروس درون سلولي است كه براي استفاده در ژن درماني با درجه خلوصي ويژه مورد نياز است. بدين ترتيب نانو بيو محصول مورد نظر در درون سلول توليد شده و سپس بازيافت مي شود (از بالا به پايين). از طرف ديگر اگر با بهره گيري مستقيم از فناوري نانو يك نانو بيو محصول از پايين به بالا ساخته شود، مي توان اين حوزه از فناوري نانو را نانو بيوتكنولوژي دانست. مثال واضح آن توليد تمام نانو بيو ذرات از طريق خود آرايي و مكان آرايي است كه با در كنار هم قرار گرفتن اجزاي تشكيل دهنده، محصول مطلوب توليد مي شود. اسمبلي ماكرومولكولها و بطور خاص پروتئين نانو ساختارها از مثال هاي جالب توليد از پايين به بالاي نانو بيو مواد است كه مي توانند بعنوان حاملهاي دارو استفاده شوند. بكارگيري اين روش در ابعاد آزمايشگاهي خوشبختانه در داخل كشور آغاز شده و در حال گسترش و تكامل است.

بطور كل بنظر مي رسد كه پژوهشگران دنيا در ساخت مواد از بالا به پايين تا حدود زيادي موفق بوده و از ساخت توده اي مواد و بازيافتشان (بيونانو تكنولوژي) و رسيدن به بيوذرات در اندازه نانو بهره گرفته اند. ضروري است در ايران نيز با برنامه ريزي مدون، اين مهم را گسترش داد و تقويت كرد. (البته پژوهشگران ايراني در اندازه هاي آزمايشگاهي موفق بوده اند و بايد در فاز بعدي به سمت توليد انبوه و صنعتي بروند). ساخت از پايين به بالاي بيوذرات در دستور كار مراكز تحقيقاتي جهان قرار دارد و پيش بيني ها حاكي از آن است كه دنيا بتواند به توليدات قابل توجهي در اين خصوص تا سال2015 ميلادي دست يابد.

همانند مبحث قبلي (مرزهاي بيوتكنولوژي و نانو بيوتكنولوژي) با عبور از موج اول تحقيقات و توليدات، اهميت شفاف سازي واژه ها بين بيونانوتكنولوژي و نانو بيوتكنولوژي نيز كم رنگ شده و نانو بيوتكنولوژي 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 به دسته بندي ها و اولويت بنديها نياز دارند. با توفيقات نسبتاًَ خوبي كه در زمينه هاي تحقيقاتي بيونانو تكنولوژي در فرآيندهاي بالا دستي بوجود آمده است، لزوم توجه بيشتر به فرآيندهاي پايين دستي بيونانو تكنولوژي بيش از پيش نمايان مي شود. البته نياز پژوهشگران به بهينه سازي توليد نانو بيو مواد در ابعاد صنعتي همچنان از دغدغه هاي جدي در سالهاي آينده است.

در كنار بيو نانو تكنولوژي كه به تعبيري مقدم بر نانو بيو تكنولوژي است، بايد با جديت به نانو بيوتكنولوژي و سه موج مهم آن پرداخت و براساس اولويت هاي مطرح شده براي رسيدن به اهداف كوتاه مدت، ميان مدت و بلند مدت برنامه ريزي كرد تا بتوان همگام با ديگران در جهان، شعار تعلق قرن بيست و يكم به نانو تكنولوژي را به منصه ظهور رساند.