گیاهپزشکی110

نا نوبيوتكنولوژي

چكيده :

در اواخر سال 1959 ريچارد فاينمن مشهورترين فيزيكدان دهه ئ 60 ميلادي در همايش جامعه ئ فيزيك امريكا طي يك سخنراني بيان كرد كه در آن پايين فضاي بسياري وجود دارد.و اصول علم فيزيك چيزي جز امكان ساختن اتم به اتم اشياء بيان نمي كند. ريچارد فاينمن در سال 1965 موفق به ساخت سيليكون هاي منفذدار و توليد نانو ذرات فلزي شد.اريك دركسلر دانشجوي فاينمن يك تصوير بر اساس سيستم هاي ماشيني مولكولي ارائه داد.و فعاليت هاي خود واستادش را نانو تكنولوژي نام نهاد.

نانو در زبان يوناني به معناي كوتوله است. كه در واقع اندازه اي در حدود يك ميلياردم متر است.هر اتم و مولكول خود به تنهايي خصوصيات فيزيكي خاصي دارند كه مي توان اين خصوصيات را بالفعل كرده و از آنها براي ساخت دستگاه هاي جديد با ويژگي خارق العاده استفاده كرد. علمي كه اين عمل را انجام ميدهد نانو تكنولوژي نام دارد.در مقياس نانو اشياء شروع به تغييررفتار مي كنند و رفتار سطوح بر رفتار توده اي مواد غلبه مي كند. در علم نانو تكنولوژي دو شكل اصلي نانو مواد مورد توجه هستند:

1) با لا به پايين : تجزيه مواد تا حدي كه ديگر قابل تجزيه نباشند(در حد اتم) مي گويند

2) پايين به بالا : تركيب كردن اتم هاي مجزا و تهيه يك نانو ساختار را مي گويند.

از پيمايشگرهاي روبشي وميكروسكوپ نيروي اتمي ((AFM براي توليد نانو ساختارها استفاده مي شود.نقش مركزي در نانو بيوتكنولوژي را بيو مولكولها بر عهده دارند. واهميت آنها به دليل اندازه بسيار ريزوخاصيت خود سامان دهي وخود تعميري در حد نا نو وسميت پايين در توليد انبوه است.در نانو بيوتكنولوژي به طور مستقيم ويا به صورت الگوبرداري از ساختارهاي زيستي در ساخت نانو ساختارها استفاده مي شود. به دليل ساده تر بودن ساختار هاي پروكاريتها نسبت به يوكاريوتها بيشتر مورد استفاده قرار مي گيرند. لا يه سطحي باكتري ها به دليل خاصيت خود تجمعي در توليد ساختارهاي نانو اهميت زيادي دارند.و از كاربرد هاي آن مي توان به استفاده در ليتوگرافي, محافظ ليپوزوم ها, ماتريكسي براي تجمع مولكول هاي عملكردي و الگويي براي ساخت نانو ساختارهاي معدني اشاره كرد.از پوشش اسپور باكتري ها براي بيان پروتئن هاي  آنتي ژن در سطح اسپور و توليد واكسن استفاده مي شود. سلول به عنوان يك ساختار خود تكثير اتمهاي مورد نياز را از محيط ميگيرد و از آنها به عنوان سوخت  و محافظ و... استفاده مي كند. اين عملكردها روي اتمها توسط ماشين هاي مولكولي مانند ريبوزوم ها, كلروپلاست و... صورت مي گيرد. منافذ در حد نانو متر را نانو حفره ها مي نامند مانند پورين هاي باكتري هاي گرم منفي. از جمله كاربردهاي نانو حفره ها مي توان به جدا سازي مواد بر اساس خصوصيات دلخواه, تعيين توالي DNA با عبور از نانو حفره ها و اندازه گيري نيروهاي مابين پروتئين وDNA و... اشاره كرد. در نانوبيوتكنولوژي ازDNA به عنوان يك معمار و الگو براي ساخت مواد مختلف استفاده مي شود.مانند بكار گيري شبكه اي از مولكولهاي DNA به عنوان الگو براي طراحي نانو ذرات طلا. نانو ذرات , ذرات جامد كلوئيدي هستند كه اندازه اي در محدوده ي nm 10nm -1000 دارند. مانند نانو كپسول ها و نانواسفرها. نانو كپسول ها كره هاي كوچكي هستند كه فقط ديواره ي آنها پلي مري است و داخلشان فاز ديگري قرار دارد اما نانو اسفر ها كره هاي كوچكي با ديواره و داخل پلي مري هستند.تهيه اين پلي مرها يا مبتني بر پلي مريزاسيون مصنوعي ويا مبتني بر استفاده از پلي مرهاي از پيش تهيه شده (مانند آلبومين) است. براي توليد نانو ذرات مي توان از بعضي ميكروارگانيسم ها استفاده كرد مانند توليد نانوذرات طلا در گياه, باكتري ها, قارچ و اكتينوميست ها.

از كاربردهاي نانوبيوتكنولوژي در صنايع مختلف مي توان به توليد پارچه هاي هوشمند وپارچه هايي كه كثيفي را به خود نمي گيرند در صنايع نساجي, استفاده از نانوذرات در بسته بندي مواد غذايي براي به تاخير انداختن فساد آنها و تشخيص سريعتر بيماريهاي گياهي در كشاورزي, كاهش آلودگي هاي از پساب ها وفاضلاب ها وهمچنين به عنوان حاملين دارو در پزشكي و... اشاره كرد.

مقدمه:

در اواخر سال 1959 ريچارد فاينمن مشهورترين فيزيكدان دهه ي 60 ميلادي در همايش جامعه ي فيزيك امريكا در يك سخنراني بيان كرد كه درآن پايين فضاي بسياري وجود دارد. وي در آن سخنراني يك نكته اي را مطرح ساخت كه اصول علم فيزيك چيزي جز امكان ساخت اتم به اتم اشياء بيان نمي كند.وي پيشنهاد كرد كه مي توان اتم هاي مجزا را دستكاري كرد و مواد وساختارهاي كوچكي را توليد نمود كه خواص متفاوتي دارند. فاينمن در سال 1965 موفق به ساخت سيليكون هاي منفذدار وتوليد نانو ذرات فلزي شد.ودر همين سال برنده جايزه نوبل فيزيك شد. اريك دركسلر دانشجوي فاينمن فعاليت هاي استادش را ادامه داد و يك تصوير براساس سيستم هاي ماشيني مولكولي ارائه داد.و به فعاليت هاي خود واستادش نام نانو تكنولوژي نهاد.در سال 1966 ريچارد فاينمن موفق به ساخت اولين وسيله در حد نانو شد.

نانو چيست؟

نانو در زبان يوناني به معناي كوتوله است. كه در واقع اندازه اي در حدود 10 ننومتر يعني يك ميلياردم متر است. اين مقياس را با ذكر يك مثال عيني بهتر مي توان حس كرد. يك تار موي انسان به طور متوسط قطري حدود 50000 نانو متر, يك سلول باكتري قطري معادل چند صد نانو متر, يك مولكول پروتئين 5-50 نانومتر, عرض مولكول DNA 2.5 نانو متر است و يك اتم قطري حدود 0.1 نانو متر دارد.

نانو تكنولوژي چيست؟

هرچيزي كه در پيرامون ما قرار گرفته  از اتم ساخته شده است و در واقع اتم كوچكترين واحد سازنده مواد است. بشر همواره خود را متوجه اين مسئله كرده كه چگونه و با چه قوانيني ميلياردها اتم در كنر يكديگر قرار گرفته اند و به طور همزمان يك شكل و مدل خاصي را ايجاد مي كنند و خصوصيات ماكروسكوپيك را به وجود مي آورند. ومولكول به تنهايي خصوصيت فيزيكي خاصي دارد كه مي تواند اين خصوصيت را بالفعل كرده واز آنها براي ساخت دستگاهاي جديد با ويژگي هاي خارق العاده استفاده كرد.علمي كه اين عمل را انجام مي دهد نانو تكنولوژي است.و يا به عبارت ساده تر نانو تكنولوژي فناوري است  كه قدرت ساخت وسازماندهي در حد اتمي و مولكولي را فراهم مي كند. در قرن بيستم علوم از يكديگر تفكيك شدند وگرايش هاي فيزيك , شيمي, بيوتكنولوژي , ريضي و مهندسي را به وجود آوردند. در حالي كه با شروع قرن بيست و يكم اين علوم بار ديگر با هم تلفيق شده و در علم جديد نانوبيوتكنولوژي تبلور پيدا كرده است كه در واقع نيروي كاري نانوبيوتكنولوژي بايد داراي بينش وسيعي از مفاهيم زيست شناسي , فيزيك , شيمي, اصول مهندسي , طراحي, كنترل فرايند و محصولات است. علم فيزيك نياز است زيرا دنياي نانو دنياي نوابع موج, كوانتوم و كشف نيروهاي اتمي است. با كمك علم شيمي مي توان پيوند مولكول ها با يكديگر و چگونگي تركيب مواد را آموخت.به اصول مهندسي نياز است تا بتوان قابليت توليد و حيات اقتصادي را تضمين نمود. بنبراين اين علم عرصه هاي مختلف علوم و فناوريها را در بر مي گيرد.

چرا نانو؟

آنچه باعث ظهور نانوتكنولوژي شده نسبت سطح به حجم بالاي نانو مواد است. اين موضوع يكي از مهمترين خصوصيات مواد توليد شده در مقياس نانو است.در مقياس نانو اشياء شروع به تغيير رفتار مي كنند و رفتار سطوح بر رفتار توده اي ماده غلبه مي كند. در اين مقياس برخي روابط فيزيكي كه براي مواد معمولي كاربرد دارد نقض مي شوند. در حقيقت در اين مقياس قوانين فيزيك كوانتوم وارو صحنه مي شود و امكان كنترل خواص ذاتي مواد از جمله دماي ذوب, خواص مغناطيسي , ظرفيت بار و حتي رنگ مواد بدون تغيير در تركيب شيميايي ماده وجود خواهد داشت.

در علم نانو بيوتكنولوژي به دو شكل اصلي نانو مواد مورد توجه هستند:

1) بالا به پايين: اتم يك كلمه يوناني است به معناي غير قابل تجزيه. يو نانيان معتقدند اين امكان وجود داردكه مواد را آنقدر تجزيه كنيم تا به موادي برسيم كه غير قابل تجزيه باشند و اين زمينه بالا به پايين نانو بيوتكنولوژي را فراهم مي كند. اين كار امروزه توسط شكست فيزيكي وشيميايي مواد و با استفاده از آسياب هاي مكانيكي انجام مي شود.

2) پايين به بالا: برعكس قسمت قبل شروع از اتم هاي مجزا وتركيب كردن آنها وساختن و رسيدن به يك نانوساختار را روش ساخت پايين به بالا مي نامند.كه اين به واسطه خاصيت خود تجمعي قابل دسترس است. از نانو مواد مي توان سيستم هاي پيچيدهاي در حد ميكرو بدست آورد.

ابزارهاي لازم جهت ساخت وتوليد نانوساختارها:

پيماشگر روبشي: با استفاده از پيمايشگر روبشي مي توان اتم هاي مشخصي را روي يك سطح مشخص حركت داده و در جاهاي دلخواه قرار داد و بدين ترتيب يك ساختار دلخواه را توليد نمود. از اين دستگاه براي ديدن ساختارها نيز استفاده مي شود.

ميكروسكوپ نيروي اتمي (AFM): اين ميكروسكوپ داراي يك نوك فوق العاده ريز و نازك جهت حركت در روي سطح نمونه مي باشد كه امكان ديدن جزئيات بسيار ريز وكوچكتر از مقياس اتمي را ميسر مي سازد. ميكروسكوپ هم كانون تصوير برداري سه بعدي از نمونه هايي مانند سلول و ساختار هاي آغشته به رنگ هاي فلورسانت را امكان پذير مي سازد. مي توان به جاي برش نمونه به لايه هاي نازك با تمركز بر روي هر نقطه ازنمونه تصوير سه بعدي از آن به دست آورد.

خودآرايي (self – assembly) :

اتم ها كنار هم قرار گرفته و بيو مولكول هاي آلي را به وجود آورده اند كه آنها با خاصيت خود تجمعي توليد ساختارها ودرنهايت سلول را كرده اند. و از تجمع سلول ها موجودات به وجود امده اند. كه اين  روند تكامل مديون خاصيت خود سامان دهي است. اصوا اوليه و پايه خود سامان دهي مولكولي كلا از بيو لوژي گرفته شده است كه تركم تاخوردگي پروتئين ها و جفت بازها در DNA دو مورد از مثال هاي بسيار شناخته شده از خود تجمعي وخود ساماني است.

 اين اصول   شا مل: 1) ميانكنش هاي چندتايي,ضعيف وبرگشت پذير ميان واحدهاي مولكولي منفردسبب تجمع وسامان دهي آنها وتوليد مجموعه هاي پايدار مي شوند.

2) پايداري ساختار نهايي از لحاظ ترموديناميكي به علت تعادل ايجاد شده بين نيروها.

3) در خود سامان يابي مولكولي و زير واحد هاي اتمي به صورت خود به خود و بدون صرف انرژي در كنار يكديگر جمع مي شوند و ساختارهاي پايدار را به وجود مي آورند.

خود سامان دهي مولكولي يك راه مناسب براي ساخت و توليد ساختارها در پايين ترين حد انرژي از لحاظ ترموديناميكي مي باشد.

روش هاي خودآرايي:

اتم ها ويا مولكول ها روي يك سطح از پيش ساخته شده قرار داده مي شوند و سپس مولكول ها خودشان بر روي موقعيت هاي مخصوصي آرايش يافته و منظم مي شوند. اين مولكول ها برخي اوقات پيوندهاي ضعيف و برخي اوقات پيوندهاي قوي بر قرار مي كنند و انرژي كل را كاهش مي دهند. با استفاده از خود آرايي مي توان ارگانهاي زيستي و بيومولكول ها را ازسلول جداسازي كرده و به واسطه اين خاصيت دوباره شكل اوليه خود را بدست آورند و از آنها درعلم نانوبيوتكنولوژي استفاده كرد.

تك لايه خود سامان ده (Self Assembly Monolayers) :

SAMنشان دهنده نحوي آرايش مولكول هاي فعال سطحي در حد واسط محيط آب/هوا مي باشد. اين نحوه آرايش كه به ايجاد تك لايه مولكولي مي انجامد بواسطه خاصيت دوگانه دوست مولكول ها است. يعني يك قسمت مولكول (سر) قطبي وقسمت ديگر(دم) غير قطبي است. چنين مولكول هايي در مواجهه با يك محيط غير قطبي و يا غير قطبي از محيط گريزان هستند. اينچنين شكل گيري ساختارها در فار جامد و بر روي سطوح شيشه اي – سيليكا – طلا و فلزات بواسطه دوگانه دوست بودن مولكول ها نيز انجام مي شود.

نانو بيو تكنولوژي :

نانو بيو تكنولوژي يا فناوري زيستي شاخه اي از علم نانو تكنولوژي است كه تلفيقي از علم نانو تكنولوژي وزيست شناسي است. در اين علم با استفاده از مولكولهاي زيست سلولي پيشرفت هاي چشمگيري در زيست فناوري شده است كه آن نيز به نوبه خود باعث تحولات مهمي در علوم مختلف شده است. نانو بيوتكنولوژي درواقع فناوري مواد بيومولكولي است.

مزاياي بيومولكولها:

1) اندازه بسيار ريز بيو مولكولها كه معمولا در حد نانومتر است مهمترين خصوصيت ساختاري آنها است.

2) واحد ها بيولوژيكي بوسطه خاصيت خود سامان دهي بيومولكولها ي تشكيل دهنده ي آن بوجود آمده اند.

3) داراي خاصيت خود تعميري , خود تنظيمي , شناسايي وپاسخ هستند.

4) سميت پايين در توليد انبوه.

نانوبيوتكنولوژي  و  ميكروبيولوژي:

به دليل ساده تر بودن ساختار هاي پروكاريتها نسبت به يوكاريوتها در نانو بيوتكنولوژي بيشتر مورد استفاده قرار مي گيرند. در برخي موقع به طور مستقيم ويا به صورت الگوبرداري از ساختارهاي زيستي ( ساختار هاي ميكروارگانيسم ها) در ساخت نانو ساختارها استفاده مي شود.

موقعيت نانو ساختار لايه سطحي در باكتريها:

 سطح بسيري از باكتر ها وآركئيا يك لايه سطحي كريستالي كه داراي يك ساختمان منظم مي باشدوجود دارد.اين لايه به نام S-Layer   ويا لايه سطحي خوانده مي شودو در واقع لايه اي با آرايش دو بعدي روي ديواره سلولي را باكتريها را مي پوشاند. وجنس لايه سطحي از گليكو پروتئين است.نقش اين لايه در باكتريهاي مختلف متفاوت است.

جداسازي لايه سطحي:

لايه سطحي را مي توان با روش هاي متنوعي از جمله تيمارهاي حرارتي, استفاده از يون هاي كليت كننده وغلظت بالاي اوره وگوانيدين جداسازي كرد.

خاصيت خود تجمعي لايه سطحي:

زير واحدهاي پروتئيني لايه سطحي با خاصيت خود تجمعي نظم مي يابندو در صورت جدا شدن از باكتري در محيط هاي حد واسط آب/هوا , بر روي سطوح جامد (طلا- سيليكون) و يا فيلمهاي ليپيدي لانگ موير شكل اوليه خود را بدست مي آورند.

دلايل اهميت لايه سطحي در نانو بيوتكنولوژي :

1. قابليت تجزيه زيستي

2. خاصيت خود تجمعي وخود سامان دهي

3. ضخامت در حد نانو متر

4. ساختار پايدارتر وانعطاف پذيرتر نسبت به نانو لوله هاي كربني

كاربرد لايه سطحي در نانو بيوتكنولوژي :

1. لايه سطحي در ليتوگرافي

2. لايه سطحي به عنوان حفاظ ليپوزوم ها

3. لايه سطحي به عنوان غشائ فرا فيلتر

4. لايه سطحي الگويي براي ساخت نانوساختارهاي معدني

5. لايه سطحي به عنوان يك ماتريكس براي تجمع مولكولهاي عملكردي

لايه سطحي در ليتوگرافي :

مولكولهاي لايه سطحي به نور ماوراء بنفش بسيار حساسند از اين خاصيت در ليتوگرافي استفاده مي شود.به اين منظور يك لايه از لايه سطحي را روي يك سطح جامد قرار داده وبعضي قسمتهاي مورد نظر را با پوششهاي ضد U.Vپوشانند پس از تابيد ن  U.Vبه قسمتهاي پوشش دار حفظ شده وبقيه قسمتها از بين مي رود واز اين سطح در ليتوگرافي استفاده مي شود.

لايه سطحي به عنوان حفاظ ليپوزوم ها :

 ليپوزوم ها را به عنوان سيستم هايي براي مطالعه وعملكرد فيزيولوژي غشاءها , كانالهاي انتقال يوني , تشخيص بيوسنسورها , دارورساني و واكسيناسيون به كار مي روند.  در هنگام كاربرد, ليپوزوم ها تحت استرس هاي مختلف مكانيكي وحرارتي قرار مي گيرند كه ساختار خود را از دست مي دهند و از مهمترين روشهاي محافظت از آنها ,استفاده از پروتئينها وگليكوپروتئنهاي لايه سطحي به عنوان پوشش و محافظ آن مي باشد.

لايه سطحي به عنوان غشائ فرا فيلتر:

لايه سطحي داراي يك ساختار متخلخل براي توليد غشاهاي فرا فيلتر استفاده مي شود.  منافذ موجود در لايه سطحي داراي اندازه و شكل يكسان هستند        اندازه هاي اين منافذ در حد نانومتر است.از اين رو از لايه سطحي براي تهيه غشاهاي فرا فيلتر استفاده مي شود.

لايه سطحي الگو ساخت,نانوساختارهاي معدني:

در طبيعت در باكتري سيانو باكتر لايه سطحي به عنوان الگويي براي ساخت نانو ذرات كربنات كلسيم وسولفات كلسيم استفاده مي شودكه اين مواد در منافذ شبكه لايه سطحي كريستاله مي شوندو از اين لايه جدا مي شوند. از اين رو    از لايه سطحي براي توليد نانو ساختارهاي سولفيد كادميوم وطلا استفاده مي شود.يكي از كاربردهاي اين نانو ساختارها حذف آلودگي هاي زيست محيطي از فاضلاب و پساب مي باشد.

لايه سطحي به عنوان يك ماتريكس براي تجمع مولكولهاي عملكردي:

لايه سطحي از زير واحدهاي پروتئيني با آرايش منظم كه موقعيت گروهاي فعال آن يكنواخت ومنظم است  , تشكيل شده است. همين خصوصيت آن سبب شده است كه آن را به عنوان يك ماتريكس براي تجمع مولكولها استفاده كنند. به طور آزمايشي موفق به تجمع برخي مولكول هاي عملكردي مانند برخي آنزيمها روي لايه سطحي شده اندكه از اين لايه ها براي تهيه بيوسنسورها استفاده ميشود. به عنوان مثال بيوسنسور متصل به گلوكز اكسيداز براي تعيين ميزان گلوكز.

اتصال ماكرومولكول ها وليگاندها يا به صورت شيميايي است ويا از طريق بيان همزمان پروتئين لايه سطحي به همراه ليگاند مورد نظر.

اسپورباكتري:

فرايند توليد اسپور در باكتري ها هنگامي آغاز مي شود كه شرايط نامطلوب باشد. باكتري هاي اسپورزا شامل باسيلوس و كلسترديوم هستند. بخش هاي مختلف اسپور شامل:قسمت مركزي-ديواره اسپور-كورتكس وپوشش است. پوشش اسپور از پروتئين ها وزيرواحدهاي پروتئيني با خاصيت خود تجمعي تشكيل شده كه نقش محافظت كننده اي دارد.

مهندسي پوشش اسپور باكتري :

cotB,Cاز خارجي ترين پروتئينهاي پوشش اسپور باكتري هستند.اگر بتوان ژن  آنتي ژنها را در ژنهاي اين پروتئينها ادغام كرد اين پروتئينها را ميتوان در سطح اسپور بيان كرد. نكته مهم استفاده از آنها به عنوان حامل اين است كه بيان پروتئين هاي هترولوگ برروي خواص اسپور از جمله مقاومت آن و ژرميناسيون ان اثري ندارد.

  پروتئين cotB به عنوان يك حامل پروتئيني :

   از قطعه –Cترمينال سم تتانوس كه خاصيت سمي ندارد اما سيستم ايمني را تحريك مي كند براي بيان در سطح پروتئين  cotB استفاده شد. تنها زماني كه اين ژن در قسمتي از c ترمينال كه از 27اسيدآمينه با 3 تكرار تشكيل شده قرار بگيرد بيان شده وتغييري در خواص اسپور ايجاد نمي كند. ازاين پروتئين نوتركيب(   ( cotB-TTFCبيان شده در سطح اسپور باكتري ها براي تحريك سيستم ايمني موشها از مسير خوراكي استفاده شد.از 8 موش تيمار شده 7 موش زنده مانده كه ميزان ايمينوگلوبولين Gوسرمي آنها عليه سم كزاز قابل ملاحظه بود.

مزاياي استفاده از اسپور باكتريها :

  سيستم هاي استفاده از اسپور براي بيان مزاياي گوناگوني نسبت به مولكول هاي باكتريايي دارد از جمله پايداري و مقاومت اسپور, اسپورها به آساني در دماي اتاق به مدت طولاني بدون كاهش پايداري زنده مي مانند همچنين بيان پروتئينهاي هترولوگ بر خواص اسپور از جمله مقاومت و ژرميناسيون آن اثري ندارد.

نانوموتورهاي زيستي :

سلول به عنوان يك ساختار خود تكثير اتمهاي مورد نياز را از محيط ميگيرد و از آنها به عنوان سوخت  و محافظ و... استفاده مي كند. اين عملكردها روي اتمها توسط ماشين هاي مولكولي مانند ريبوزوم ها, كلروپلاست و... صورت مي گيرد. در واقع يك سلول مجموعه اي از كاتاليزورها, موتورها, پمپهابا ماشينهاي مولكولي است كه سبب پايداري وثبات در يك سلول مي شوند.

مهمترين ماشينهاي مولكولي سلول:

ريبوزوم: مجموعه اي از Rrna وپروتئين است كه يك كليدي براي تبديل اطلاعات به عملكرداست.

كلروپلاست: وظيفه آن جمع آوري فوتونهاي نوري و تبديل آن به سوخت شيميايي است. نانو ماشين مولد اكسيژن در طبيعت كلروپلاست است.

ميتوكندري: ماشين مولد ATPدر سلول است.كه با اكسيداسيون مواد اين عمل را انجاممي دهد.

تاژك باكتري: وسيله اي براي حركت باكتريها است و شباهت زيادي به ماشين هاي دست ساز بشر دارد.

اولين موتور مولكولي :

   شخصي به نام Feringaاولين موتور چرخشي كه توسط انرژي شيميايي به جاي انرژي الكتريكي كار مي كرد را ساخت. اين موتور از يك قسمت ثابت كه حول يك پيوند يگانه كربن-كربن  مي چرخد درست شده كه انرژي اين چرخش از يك سري واكنشهاي شيميايي و جنبشهاي گرمايي تصادفي تامين مي شود.

نانو حفره چيست؟

منافذ در حد نانو متر را نانو حفره ها مي نامند. از مهمترين نانو منافذ طبيعي مي توان پورين باكتريهاي گرم منفي و توكسين آلفا هموليزين و برخي آنتي بيوتيكها مانند گراميسيد ين كه ايجاد منفذ مي كنند نام برد . دسته ديگري از نانوپورها, نوع مصنوعي آنها است. براي مثال غشاءهاي پلي مري را پس از بمباران با ذرات هسته اي به موادي مانند پلي كربنات متصل مي كنند وتشكيل نانوپورهاي يكساني به قطر 10 نانو متر را مي دهند. طول اين منافذ در حد ميكرومتر است.

طراحي نانوحفره ها:

از دو روش عمده براي طراحي نانو حفره ها يي بامشخصات دلخواه براي عبور مواد ويژه استفاده مي شود: 1. تغييرات با استفاده از موتاسيون            2. تغييرات شيميايي . با استفاده از موتاسيون در ژنوم هاي پروتئين هاي تشكيل دهنده ي نانوحفره ها مي توان نانو حفره هايي را طراحي كرد كه مواد خاصي را عبور مي دهند. با كمك تغييرات شيميايي نيز مي توان تغييراتي در ساختار دروني نانوحفره ها ايجاد نمود كه سبب عبور مواد خاص شود.

كاربردهاي  نانو حفره ها :

1- جداسازي مواد بر اساس خصوصيات مختلف مثل وزن مولكولي وبار الكتريكي و...

2- نفوذ پذير كردن سلولها به ماده خاصي

3- كاربرد درماني نانو پورها در از بين بردن سلول هاي عفوني و سرطاني

4- توليد نانو فيلترهاي زيستي

5- تعيين توالي DNA

6- اندازه گيري نيروي مابين پروتئين ها و DNA

تعيين توالي DNA :

 با عبور دادن  DNAاز يك نانو حفره در يك غشا سيليكوني در يك محلول    مي توان توالي آن را تعيين كرد. هر چه قطر نانو حفره كوچكتر باشد كنترل كنفورماسيون  DNAبيشتر وشانس تعيين توالي نوكلئوتيدها افزايش مي يابد.

DNAبه عنوان يك نانو معمار:

 به علت خاصيت خود تجمعي  DNAاز آن در بخش پايين به بالا نانو تكنولوژي استفاده مي شود.نانو شبكه هاي توليد شده با  DNAبه مكان هايي براي اتصال ساير مواد مثل طلا و پروتئين ها است.

نانو ذرات :

ذرات جامد كلوئيدي كه اندازه اي در محدوده nm1000- nm 10را  دارا   مي باشند نانو ذرات نام دارند. مانند نانو كپسول ها و نانواسفرها

نانو كپسول ها كره كوچكي كه فقط ديواره وجدارهي آن پلي مري است و داخل كره فاز ديگري وجود دارد كه دارو داخل آن قرار مي گيرند. نانواسفرها يك كره پلي مري هستند كه داخل ماتريكس آنها نيز از پلي مر تشكيل شده ودارو داخل اين ماتريكس قرار مي گيرد.

تهيه نانو ذرات :

 روش تهيه اين نانو ذرات و نوع پلي مر آنها بستگي به پارامترهايي نظير دارو,زيست سازگاري پلي مر,نحوه تخريب ذرات در بدن,روش تجويز ذرات ونحوه عملكرد آن در بدن  دارد. از آنجا كه نانوذرات مورد استفاده در پزشكي و دارو رساني ماهيت پليمري دارند لذا دو روش متداول براي توليد آنها وجود دارد: 1- روش مبتني بر پلي مريزاسيون 2- روشهاي مبتني بر استفاده از پلي مر هاي از پيش تهيه شده مانند ذرات آلبوميني وذرات كربوهيدرات.

اين نانوذراتي كه از مولكول هاي زيستي تهيه مي شوند از امولسيون كردن محلول آبي حاوي ذرات ودارويي كه قرار است حمل كنند در چربي به دست مي آيند.قطرات حاصل را مي توان با شبكه اي كردن توسط آلدهيد ويا تخريب گرمايي سخت ومحكم نمود. به عنوان مثال نانو ذرات كربوهيدرات كه شامل دكستران وآلژنيات وديگر مشتقات نشاسته اي هستند در فاز آبي پليمر شده وبعد از امولسيون كردن آبي در محلول تولوئن وكلروفرم و يا روغن تخم ترب يا روغن كتان مي توان نانو ذرات آنها را بدست آورد.

ارگانيسم هاي زنده به عنوان كارخانه مولد نانو ذرات :

برخي ارگانيسم هاي پر سلولي و تك سلولي قادرند به صرت داخل/خارج سلولي نانو ذرات را توليد كنند. مانند مگنتيك باكتريها كه  توليد نانوذرات مغناطيسي را مي كنند ويا دياتومه ها كه نقش در توليد نانوذرات سيليسي دارند همچنين باكتري هاي داراي لايه سطحي كه توليد نانوذرات كربنات كلسيم    مي كنند. از اين رو دانشمندان به فكر توليد نانوذرات به كمك ارگان هاي زيستي افتادند .يكي از مثال ها در اين زمينه توليد نانو ذرات طلا است. سنتز اين نانو ذرات به صورت فيزيكي و شيميايي پر هزينه است به همين دليل بهترين روش توليد آنها به كمك ارگانلهاي زيستي است.   گياه يونجه با جذب فلزات طلا و نقره از محيط توليد اين نانو مواد را ميكند. موفقيت قارچ ها در اين مورد به دليل سيستم آنزيمي قوي آنها است. قارچ تريكوتيوم قادر است يون طلا را احياء و نانو ذرات طلا را توليد كند. اكتينوميست ها به دليل داشتن  ژنوم ساده مانند باكتريها و سيستم آنزيمي قوي مشابه قارچ ها براي توليد اين نانو ذرات بهترين ابزارند. ترمونو سپورا يك اكتينو مايست است كه اين توانايي را دارد.

کاربرد نانو بيوتکنولوژی :

نانونساجي: سعي در توليد پارچه هاي هوشمند است كه مراقب علائم حياتي بدن باشند و خود را باتوجه به شرايط محيطي تغيير دهند.توليد پارچه هايي كه آب , چربي وچرك  را به خود نمي گيرند. براي ساخت اين پارچه ها از طبيعت الهام گرفته شده است. رد پاي انسان نامرئي نيز ممكن است با نانوتكنولوژي قابل دست يافتن باشد.به اين ترتيب كه نانو حسگرها در سرتا سريك پارچه نصب شده اند. واين نانو حسگرها تصاوير منظره ي پشت لباس را دريافت وبه حسگرهاي جلو لبس منتقل مي كند و حسگرهاي جلوي لباس تصاوير پشت را نشان مي دهند وفرد نامرئي به نظر مي رسد.

 نانو تكنولوژي وصنايع غذايي : دوتا از كاربردهاي نانو تكنولوژي در صنايع غذايي عبارتند از :1-  بسته بندي مواد غذايي با كمك فناوري نانو.2-  جنبه هاي تشخيصي سريع عوامل بيماريزا موجود در بسته بندي. با كمك نانوذرات مي توان فساد مواد غذايي را به تاخير انداخت با كاربرد نانو ذرات به صورت زيكزاك در پوشش مواد غذاي كه عبور اكسيژن را مشكل مي سازد در نتيجه مواد ديرتر فاسد مي شوند. و يا استفاده از نانوذرات جاذب اكسيژن ويا ذراتي كه نسبت به گازها نفوذ پذيري انتخابي دارند.

نانو تكنولوژي و گياه پزشكي : اين تكنولوژي كمك به تشخيص سريعتر بيماريهاي گياهي ودرنتيجه درمان آنها و كاهش خسارت مي كند. به اين منظور حسگرهايي مورد استفاده قرار مي گيرند كه شامل ترکيبات زيستي مانند يک سلول ، آنزيم و يا آنتي بادي متصل به يک مبدل انرژي مي باشند و قادرند که تغييرات ايجاد شده در مولکول هاي اطراف خود را گزارش دهند.

نانو تكنولوژي و پزشكي : از مهمترين كاربرد هاي نانوذرات در پزشكي استفاده از آنها به عنوان حامل دارواست و از مزاياي آنها توانايي تشخيص سلولهاي سالم از بيمار(سرطاني)است. كاربرد ديگر آنها حمل برخي آنتي ژنها است كه نقش ادجونت را بازي كرده و باعث تحريك سيستم ايمني و توليد آنتي بادي مي شوند.

مزيت های توسعه نا نوبيوتکنولوژی :

1- بازده بالای انرژی به دليل انجام کنشها  و واکنش هايی در حدمولکولی  واتمی

2- سرعت بالا وپايداری مناسب کنش ها وواکنش ها به دليل نبودﭘوشش ونيزطبيعت همسان مکانيسم ونيروهای موجود

3- هزينه توليد نسبتا کم به دليل اندازه کوچک وموجودبودن در طبيعت

منابع:

1) كسري – كرمانشاهي, ر., حسين خاني, ب. 1385. نا نو بيوتكنولوژي در ميكروبيولوژي . انتشارات دانشگاه اصفهان.  ص 25-40.

        2) Mirkin , Niemeyer,. 2006. Nanobiotechnology: DNA Nanogrids as                             Templates   for  Gold Particle Assembly. Nanoprobes E-news.7(2).

          Available on internet at: http://www.  nanoprobes_com-Images-                                    Vol7_Iss2_Fig1_jpg.htm.

      3)Pum, D., Neubauer, A. Gyoer Vary, E. Sara, M. And Sleytr, U. B. 2004.                     S-layer proteins as basic building block in a biomolecular construction kit.

         32:1-16.

          4) Ricca, E., Cutting, S. M. 2005. Emerging Applications of  Bacterial                         Spores in Nanobiotechnology. Journal of  Nanobiotechnology19:1-10