نانو بيوتکنولوژي

ديد کلي

فناوري نانو ، چنانکه از نام آن برمي آيد با اجسامي به ابعاد نانومتر سروکار دارد. فناوري نانو در سه سطح قابل بررسي است: مواد ، ابزارها و سيستمها. در حال حاضر در سطح مواد ، پيشرفتهاي بيشتري نسبت به دو سطح ديگر حاصل شده است. موادي را که در فناوري نانو بکار مي روند، نانو ذره نيز مي نامند. براي آنکه تصوري از ريزي نانو ذره ها داشته باشيم بهتر است آن را با ابعاد سلول مقايسه کنيم. اندازه متوسط سلول يوکاريوتي 10 ميکرومتر است. اندازه متوسط يک پروتئين 5 نانومتر است که با ابعاد ريزترين جسم ساخت بشر قابل مقايسه است. بنابراين مي توان با بکارگيري نانو ذره ها نوعي مامور مخفي به درون سلول فرستاد و به کمک آن از بعضي رازهاي نهفته در سلول پرده برداري کرد.

اين ذرات آنقدر ريزند که تداخل عمده اي در کار سلول بوجود نمي آورند. پيشرفت در زمينه نانو فناوري نيازمند درک وقايع زيستي در سطح نانوهاست. از ميان خواص فيزيکي وابسته به اندازه ذرات نانو ، خواص نوري (Optical) و مغناطيسي اين ذرات ، بيشترين کاربردهاي زيستي را دارند. استفاده از فناوري نانو در علوم زيستي به تولد گرايش جديدي از اين فناوري منجر شده است يعني نانوبيوتکنولوژي. کاربردهاي نانو ذره ها در زيست شناسي و پزشکي عبارتند از: نشانگرهاي زيستي فلورسنت ، ترابري دارو و ژن ، تشخيص زيستي پاتوژنها ، تشخيص پروتئينها ، جستجو در ساختار DNA ، مهندسي بافت ، تخريب تومور از طريق گرمادهي به آن و بهبود تباين (کنتراست).

رابطه نانوتکنولوژي و بيوتکنولوژي

نانوتکنولوژي مجموعه اي است از فناوريهايي که به صورت انفرادي يا باهم در جهت بکارگيري و يا درک بهتر علوم مورد استفاده قرار مي گيرند. بيوتکنولوژي جزء فناورهاي در حال توسعه مي باشد که با بکارگيري مفهوم نانو به پيشرفتهاي بيشتري دست خواهد يافت. نانوبيوتکنولوژي به عنوان يکي از حوزه هاي کليدي قرن 21 شناخته شده است که امکان تعامل با سيستمهاي زنده را در مقياس مولکولي فراهم مي آورد. بيوتکنولوژي به نانوتکنولوژي مدل ارائه مي دهد، در حالي که نانوتکنولوژي با در اختيار گذاشتن ابزار براي بيوتکنولوژي آن را براي رسيدن به اهدافش ياري مي رساند.

نشانگرهاي زيستي

از آنجا که انداه نانو ذرات ، در محدوده اندازه پروتئينهاست، مي توان از آنها براي نشاندار کردن نمونه هاي زيستي استفاده کرد. براي اين کار ، بايد نانو ذره بتواند به نمونه زيستي هدف متصل شود و نيز راهي براي دنبال کردن و شناسايي نانو ذره وجود داشته باشد. به منظور ايجاد ميان کنش بين نانو و نمونه زيستي ، نانو ذره را با پوشش بيولوژيکي مانند آنتي باديها ، بيوپليمرهايي مانند کلاژنها که نانو ذره ها را از نظر زيستي سازگار مي کند، مي پوشانند. مي توان نانو ذره ها را فلورسنت کرده يا خواص نوري آنها تغيير داد.

نانو ذره ها در مرکز نشانگر زيستي قرار مي گيرند و بقيه اجزا روي آنها قرار داده مي شوند و اين ساختار غالبا کروي است. کنترل دقيق بر اندازه متوسط ذرات امکان ايجاد کاوشگرهاي فلورسنت را که باريکه هاي نوري را در طيف وسيعي از طول موج گسيل مي دارند، فراهم مي آورند. اين امکان به تهيه نشانگرهاي زيستي با رنگهاي فراوان و قابل تشخيص ، کمک شاياني مي کند. ذره مرکزي معمولا توسط چندين تک لايه از موادي که تمايل به واکنش ندارند مثل سيليکا محافظت مي شود.

مهندسي بافت Tssue engeering

سطح استخوان از ترکيباتي تشکيل شده است که حدودا 100 نانومتر عرض دارند. اگر سطح يک عضو مصنوعي به استخوان طبيعي پيوند بخورد بدن آن را پس مي زند. دليل امر توليد بافت مصنوعي در محل استخوان طبيعي و سطح مصنوعي مي باشد. استئوبلاستها در بافت پيوندي استخوان وجود دارند و بخصوص در استخوانهاي در حال رشد داراي فعاليت چشمگيري هستند. با ايجاد ذراتي در اندازه نانو در سطح مفاصل و استخوانهاي مصنوعي احتمال دفع عضو جايگزين به دليل تحريک سلولهاي استئوبلاست کمتر مي شود. ايجاد اين ذرات با ترکيب مواد پليمري ، سراميکي و فلزي چندي پيش توسط دانشمندان به اثبات رسيد.

مواد مورد استفاده در ترميم استخوان

تيتانيوم ماده شناخته شده اي براي ترميم استخوان است و به دليل ترکيبات خاص و وزن زيادش جهت بالا بردن ميزان استحکام بطور وسيع در دندانپزشکي و ارتوپدي استفاده مي شود. ولي متاسفانه به دليل آنکه بخش چسبنده اي که با Apatite (بخش فعال استخوان) پوشيده شده با تيتانيوم سازگار نيست فاقد فعاليت زيستي مي باشد. استخوان واقعي نانوکامپوزيتي از موادي است که از ترکيب بلورهاي هيدروکسيد Apatite در ماتريکس آلي بوجود آمده و به حالت منفرد يافت مي شود. استخوان طبيعي از نظر مکانيکي ، ضخيم و در عين حال داراي الاستيسيته مي باشد و در نتيجه قابل ترميم است.

ساخت يک دندان

مکانيسم نانويي دقيقي که منجر به توليد ترکيباتي با خواص مفيد شود، همچنان مورد مطالعه و بررسي قرار دارد. اخيرا با استفاده از روش tribology يک دندان مصنوعي به صورت viscoelastic ساخته شده و داراي روکش نانويي مي باشد. از خواص منحصر به فرد اين دندان مصنوعي مي توان به عايق بودن آن در مقابل خراش و افزايش التيام دندان اشاره کرد.

معالجه سرطان به روش فتوديناميک

معالجه سرطان با استفاده از روش فتوديناميک بر اساس نابودي سلولهاي سرطاني بوسيله ليزري است که توليد اکسيژن اتمي مي کند. به اين طريق که اکسيژن اتمي رنگ خاصي را توليد مي کند و سلولهاي سرطاني بيش از سلولهاهاي ديگر آن را جذب مي کنند. در نتيجه فقط سلولهاي سرطاني توسط اشعه ليزر نابود مي شوند. البته يکي از معايب اين روش آن است که به دليل آب گريز بودن مواد رنگي ، اين مواد به سمت پوست و چشمها حرکت مي کند و در صورتي که شخص در معرض نور خورشيد قرار گيرد باعث حساسيت در پوست و چشمها مي شود.

براي اين حل مشکل صورتهاي آب گريز مولکول رنگها را داخل ذرات نانويي متخلخل مثل ormosil nano partical که داراي منافذي در حدود يک نانومتر مي باشند قرار مي دهند که اين داراي دو مزيت است اولا از انتقال مواد رنگي به ساير نقاط بدن جلوگيري مي کنند و ثانيا امکان ورود و خروج آزادانه اکسيژن را مهيا مي سازد.

کاربردهاي اکسيد تيتانيوم

اکسيد تيتانيوم (Tio2) مي تواند به عنوان کاتاليزور نوري عمل نمايد. هنگام تابش نور جذب فوتونها با انرژي بالا ، باعث برانگيختگي الکترونها و ايجاد رسانايي در مولکول مي گردد. شکاف ايجاد شده بين دو جفت الکترون به مشابه يک جريان الکتروپوزيتيو در طول مولکول DNA باعث باز شدن دو رشته DNA از يکديگر مي گردد. در واقع تغييرات ايجاد شده بوسيله فوتونهاي نور در مولکول Tio2 باعث مي شود که اين مولکول به شکل يک آنزيم آندونوکلئاز عمل نمايد. اين تواناييها در آينده مي تواند تغييرات زيادي را در استفاده از داروها و ژن درماني ايجاد نمايد و توانايي پيوند Tio2 با بيومولکولهاي مختلف راه را در ژن درماني هموار خواهد نمود.

يکي از بزرگترين اشکالات دستکاري داخل سلول بوسيله اين ريز ابزار اين است که اين ذرات به اندازه کافي توانايي کنترل ماده ژنتيکي داخل هسته را ندارند. ترکيب مولکول DNA با Tio2 در محيط خارج سلول نشاندهنده اين مشکل است. به ازاي اتصال Tio2 به هر 60 - 50 جفت باز فقط يک ناحيه ژني در سلول پستانداران تحت پوشش قرار مي گيرد که دانشمندان اميدوارند اين مشکل نيز در آينده نزديک حل شود. همچنين تحقيقاتي در زمينه استفاده از اين ذرات به عنوان جايگزيني در توقف سنتز RNA به عنوان بازدارنده هاي سنتز RNA با مکانيزم ايجاد شکاف در RNA صورت گرفته که مي تواند در صورت تکميل شدن، امکان استفاده از اين ذرات را در توقف سنتز RNA در سلولهاي سرطاني فراهم نمايد.

چشم انداز بحث

با توجه به پيشرفت سريع و دامنه گسترده بيوتکنولوژي زمينه هاي بروز انقالاب بيوتکنولوژي عصر جديدي در علوم مختلف مانند بيولوژي ، پزشکي ، فارماکولوژي و مهندسي ژنتيک فراهم گرديده است. به علاوه حوزه هاي ديگري مانند اقتصاد و سياست نيز از آن تاثير بسزايي پذيرفته است. هم اکنون از ديدگاه اخلاق زيستي در اين رابطه سوالات مهم و اساسي مطرح شده است که علاوه بر اثرات بسزايي که بر پيشرفتهاي علمي و ساير زمينه هاي علوم زيستي دارد، نسلهاي آينده بشر را نيز به صورت گسترده اي تحت الشعاع قرار مي دهد. در اين باره مشارکت مداوم دانشمندان کنجکاو و خردمندي مي تواند راه گشا بوده و بايستي با در نظر گرفتن اين منابع و پيشرفتهاي جديد و با اميد به حل چنين مشکلات و مسائلي با فائق آمدن بر همه محدوديتها در جهت گسترش اين دانش فعاليت نمود.