گزارش کارگاه تخصصی نانوزیست فناوری

بسمه تعالی

نانوزیست فناوری (Nanobiotechnology) یک حیطه جوان در مرز بین نانوفناوری و زیست است. در این کارگاه مبانی نانوزیست فناوری و کاربردهای جدید آن به صورت فشرده مرور شدند. قابلیت های موجود در نانوزیست ماشین ها و قوانین حاکم بر آن ها، اصول ساختاری و اصول عملکردی نانوزیست ماشین ها مورد بحث قرار گرفتند. به طور کلی نانو زیست فناوری دو رویکرد متفاوت دارد. رویکرد اول، استفاده از المان های زیستی در نانوفناوری و رویکرد دوم استفاده از تکنولوژی نانو در محیط های زیستی است. رویکرد اول یک رویکرد جدیدتری است و به مرزهای دانش نزدیک تر است ولی در این زمینه از نظر کاربردی، کارهای بسیار زیادی وجود دارد که تاکنون انجام نشده است.

سوالاتی که در اینجا مطرح می شود این هست که در محیط های زیستی چه چیزی هایی وجود دارند که برای ما کاربردی باشند و یا اینکه چه قوانینی در مقیاس های نانو و در محیط های زیستی وجود دارد که اهمیت آن ها نسبت به مقیاس های ماکروسکوپی بیشتر است؟ قواعد ساختاری یک نانوزیست ماشین بر چه اساسی است؟ و اصول و توسعه عملکردی آن ها چگونه است؟

ابتدا از یک مثال شروع می کنیم. در محیط های زیستی یک نوع باکتری وجود دارد که یک تاجک فنر مانند دارند که می تواند به عنوان یک شناگر عمل کند که این نمونه مقلد خوبی است برای ساخت یک شناگر برای تحویل دارو به نقطه خاصی از بدن انسان.

همچنین می توان به کاربردهای مواد زیستی که خود شامل پروتئین ها، لیپیدها و اسید نوکلئیک ها (DNA) هستند به ساختار پروتئینی به نام ATP Synthase اشاره کرد که همانند یک موتور هم می تواند بچرخد و هم می تواند سوخت سلول را بصورت الکتروشیمیایی درون آن ذخیره کند و یا آنتی بادی های داخل سرم خون که می توانند آنتی ژن ها را شناسایی کنند مثل آنتی بادی Immunotoxins که یک سر آن آنتی بادی Y شکل است و سر دیگر آن تاکسین های پروتئینی وصل هستند که بسیار کشنده هستند و وقتی به سلول می چسبند بلافاصله آن را از بین می برند و این قابلیت دارند که مجدد به سلول بعدی بچسبند و آن را هم از بین ببرند. مورد دیگر ساختارهای لیپیدی هستند که می توان به Lipid Bilayer مثل لیپوزوم ها اشاره کرد که امروزه برای حمل دارو و مکمل های غذایی بسیار مورد استفاده قرار می گیرند و یا فناوریDNA  که مثال مهمی از نانوزیست فناوری است. در واقع رشته DNA که خود از اسیدنوکلئیک ها تشکیل شده اند نقش یک نانو سیم را می تواند داشته باشد و برا این اساس رساندگی آن را می توان بررسی کرد و یا ساختارهای نانوهرم که از کنار هم قرار گرفتن تک رشته های DNA به وجود می آیند و شکل های مختلف زیادی را می توان با DNA با استفاده از نانوتکنولوژی ساخت که در دانشگاه های مطرح دنیا و در سطح علمی روز انجام می شود.

از جمله قوانینی که در مقیاس نانو و در محیط های زیستی که یک محیط آبی است و اهمیت ویژه ای نسبت به مقیاس ماکروسکوپی پیدا می کنند می توان به شکل مولکول های زیستی (بصورت دانه ای)، حرکت های براوانی گرمایی و برهمکنش های اتمی مثل الکتروستاتیکی، آبگریزی اشاره کرد که در این مقیاس نیروهای گرانش و اینرسی اهمیتی نخواهند داشت.

از مهمترین قواعد ساختاری مولکول های زیستی Self-Assembly است در واقع وقتی واحدهای زیستی می خواهند به هم وصل شوند توسط پیوندهای غیر کووالانسی به هم وصل می شوند مثل پیوند های هیدروژنی، واندروالاس و .... اگر چه این نیروها خیلی ضعیف هستند اما به دلیل تعداد زیادشان، می توانند ساختارهای بسیار قوی مثل پلیمرزوم ها (همانند لیپوزوم که به جای لیپید از پلیمر در ساختار آنها استفاده شده است) با سختی بالا برای حمل دارو، تارهای سخت عنکبوت و پاهای چسبنده مارمولک را تشکیل دهند. همچنین ساختارهای معدنی که موجودات زیستی می سازند مثل ساختار بال پروانه و پر طاووس که با بازتاب یک سری طول موج ها، رنگ های بسیار زیبایی را به وجود می آورند و یا ساختار بدن سوسک هایی که در صحراهای آفریقا زندگی می کنند، قابلیت تبدیل بخار به صورت مایع را دارند و با تقلید از آن بطری های آب برای گردشگران در کویر ساخته شده است و یا سطح فوق آبگریز برگ نیلوفر آبی که مقلد خوبی است برای ساخت شیشه های خود تمیز شونده.

به عنوان مثال اصول عملکرد یک غشای سلول که حاوی کانال های پروتئینی است و آب را به داخل و خارج سلول عبور می دهد ایده ای را برای توالی یابی DNA با استفاده از تکنولوژی نانو ایجاد کرده است. به طوری که یک شرکت با نام OXFORD NANO PORE یک دستگاهی را مثل فلش که شخص می تواند آن را به کامپیوتر خود وصل کند طراحی کرده است و DNA شخص که به سر آن پروتئین وصل شده است به آن تزریق می شود. در داخل فلش هزاران غشای لیپیدی وجود دارند که داخل هر غشا یک نانو حفره است و یک سری مو هم در اطراف این نانو حفره ها وجود دارند که DNA را هدایت می کنند تا از درون حفره عبور کند و در حین عبور از حفره به دلیل یون هایی که آنجا حضور دارند یک جریان یونی وابسته به هر باز DNA که در آن موقع در حفره است، اندازه گیری می شود و از روی جریان یونی مشخص می شود نوع آن باز چیست و اینگونه توالی DNA مشخص می شود. همچنین مقالاتی در جهت تعیین توالی DNA بر اساس نانوحفره های گرافنی که نسبت به نانوحفره های پروتئینی ضخامت کمتری دارند، انجام شده است. این روش دقت توالی یابی را افزایش می دهد اما هنوز در فاز تحقیق و مطالعه است و وارد بازار کار نشده است.

صحبت آخر اینکه موارد بالا نمونه هایی از کاربردهای نانوزیست فناوری بودند و به طور کلی کاربردهای بسیار زیاد دیگری نیز در این زمینه وجود دارد که در حال گسترش است و می تواند نویدبخش حل معضلات مهمی از بشر باشد.

                                                                                                     پایان

                                                                                                        تاریخ: 09/02/1403