نانوبیوتکنولوژی مولکولی: اصول و کاربردها

نانوبیوتکنولوژی، بیش از آنکه شاخه ای از بیوتکنولوژی باشد، شاخه ای از نانوتکنولوژی است. توضیح این مطلب که بیوتکنولوژی، استفاده از سازواره های زنده در کاربردهای صنعتی مختلف است ولی نانوبیوتکنولوژی، استفاده از قابلیت های نانوتکنولوژی در کاربردهای زیستی است. بنابراین واژه نانوبیوتکنولوژی نیز همانند واژه هایی چون “بیومکانیک” و “بیومتریال”، به استفاده از تکنولوژی های مختلف در کابردهای زیستی اشاره دارد و نه به استفاده از قابلیت های ارگانیزم های حیاتی در کاربردهای مختلف صنعتی. البته نانوبیوتکنولوژی، ابزاری کارآمد در پیشبرد بیوتکنولوژی بوده و نقش آن در توسعه تحقیقات بیوتکنولوژی حائز اهمیت است؛ لذا بعضاً همانند “بیوانفورماتیک”، به عنوان شاخه ای از بیوتکنولوژی نیز مطرح شده است:

طبق تعریف، نانوتکنولوژی تولید کارآمد مواد، دستگاه ها و سیستم ها با کنترل ماده در مقیاس نانومتری می باشد و اساس آن بر مبنای توانایی کار در سطح مولکولی و اتم به اتم و ایجاد ساختارهای بزرگ بوده که موجب بهره برداری از خواص و پدیده های نوظهوری می شود که در مقیاس نانو توسعه یافته اند.

بررسی ها نشان می دهد که نظام سیستماتیک ماده در مقیاس نانومتری، کلیدی برای سیستم های فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی با خواص جدید و بهتر می باشد. نانوبیوتکنولوژی عبارت است از شاخه ای از نانوتکنولوژی که در زمینه های بیولوژی (ژنتیک مولکولی و سلولی) و بیوتکنولوژی کاربرد یافته است. بدین ترتیب نانوبیوتکنولوژی به عنوان یک رویکرد جدید و همگراکننده حوزه های مختلف علوم پایه، فنی مهندسی، کشاورزی و صنایع غذایی، محیط زیست، علوم پزشکی و بیوتکنولوژی بوده و کاربردهای فراوانی خواهد داشت.

نانوبیوتکنولوژی به ما اجازه می دهد تا اجزا و ترکیبات را داخل سلول ها قرار داده و مواد جدیدی را با استفاده از روش های جدید مثل خود‌اسمبلی بسازیم. در روش خوداسمبلی، برای سرهم کردن اجزا، نیاز به روبات یا ابزار دیگری نیست.

ایجاد ساختارهایی بر مبنای DNA در علوم پزشکی، داروسازی، مهندسی ژنتیک و بیوتکنولوژی، ایجاد یک تحول و انقلاب جدید در این علوم خواهد بود. تحقیقات گسترده و سرمایه گذاری‌های جهانی در ساخت سیستم‌ها، فرایندها یا فراورده‌های زیر، نشان دهنده رویکرد جدید محققین علوم و صنایع زیستی، صاحبان سرمایه و دولت هایی همچون آمریکا، ژاپن، روسیه و کشورهای اروپایی به نانوبیوتکنولوژی است:

۱) ساخت سیستم‌هایی به­منظور رهایش دارو در بدن

۲) ساخت قطعات سازگار برای جایگزینی اعضای بدن

۳) بیوسنسورهایی به­منظور آزمایشگاه­های کامل طراحی‌شده روی یک تراشه بسیار کوچک

۴) تشخیص همزمان چندین بیماری از روی یک قطره خون (براساس تشخیص از رویDNA)

۵) ساخت یک مولکول بیولوژی ناروماتیک از DNA

۶) ساخت ابزارهای نانومتری بر پایه DNA.

اجزای سازنده بدن از مولکول‌هایی چون پروتئین‌ها، اسیدهای نوکلئیک، لیپیدها و کربوهیدرات ها با خواص منحصربه‌فرد تشکیل شده است. اعمال فیزیکوشیمیایی داخل سلول ها و اجزای بدن در مقیاس نانو، کنترل و هدایت می شوند. بررسی ها نشان می دهد که تحقیقات در بخش نانوبیوتکنولوژی تاثیرات زیادی در حوزه های پزشکی، داروسازی، ژنتیک مولکولی و بیوتکنولوژی داشته و خواهد داشت؛مثلاً:نانوبیوتکنولوژی می تواند با فرمولاسیون جدید داروها و مشخص کردن مسیرهایی برای رهایش دارو، موجب بهینه‌کردن کاربرد و مصرف دارو شود. نانوذرات این امید را می دهند که دارو دقیقاً به بافت های مشخصی برسد.
در ژن‌درمانی نیز با استفاده از داروهای نانو (نانوذرات)، می توان نوع خاصی از سلول ها را هدف گیری کرد. نانوذرات قادرند اسیدهای نو کلئیک را به سلول های مشخص و حتی جزء مشخصی از سلول (سیتو­پلاسم یا هسته) و یا هر جا که لازم باشد، تحویل دهند.

همچنین تحقیقات نشان می دهد که استفاده از ابزارها و سیستم های نانوساختاری می تواند فرآیند آزمایشگاهی کنونی توالی ژن ها و تشخیص حالت ژن را بسیار کارآمد کرده و قطعاً تشخیص ساختار ژنتیک فردی، روش های شناسایی و درمان بیماری ها را دچار انقلاب خواهد کرد.

با توجه به اهمیت رشته های DNA در ژنتیک مولکولی و بیوتکنولوژی و با عنایت به اینکه DNA یک ساختار بسیار مهم و مناسب برای کاربردهای نانوتکنولوژی است، تحقیقات زیادی در مورد ایجاد اشکال پیوندی با استفاده از مولکول های DNA شاخه دار و پایدار انجام شده است.

این شاخه در توسعه تکنولوژی های جدید مربوط به تشخیص و درمان زودتر بیماری ها، تولید داروهایی هدفمند و با تاثیرات جانبی بسیار اندک، تولید محصولات اختصاصی بیوتکنولوژی در صنایع کشاورزی، تولید بیوسیستم ها، بیومواد و سرامیک های سازگار با محیط، نانوبیوسنسورها، دستگاه‌هایی برای تشخیص و کاهش اثرات سلاح های بیوشیمایی و میکروبی، تکنولوژی های جدید مربوط به ژنومیک و الگوبرداری و تحلیل DNA، نانوبیوتکنولوژی نشان داده است که می تواند نقش اصلی را ایفا کند.

قطعاً توانمندی‌های بدست آمده از این طریق در بالا بردن بهداشت جامعه و فرد و طولانی شدن عمر انسان ها، رفع تنگنا های موجود در تولید داروها و تولید مواد غذایی و مبارزه با سلاح های بیولوژیکی و تولید داروهای مربوط به درمان کامل سرطان، ایدز، آلزایمر وMS موثر است و به‌عنوان یک فرصت در ایجاد توانمندی برای تولید سلاح‌های جدید ژنتیکی و بیولوژیکی، وارد شدن به حریم خصوصی افراد (شناسایی بیماری های ژنتیکی و دست یابی به قابلیت های فردی و استعداد افراد) از طریق آزمایش های مرتبط با ژنومیک انسانی و ایجاد موجودات ناشناخته از طریق تولید DNA مصنوعی، به عنوان یک تهدید برای کشورها محسوب می شود،در نتیجه نانوتکنولوژی به عنوان انقلاب صنعتی آینده جهان، در حال تغییر وضعیت کنونی جهان است. در این میان به نظر می رسد که تاثیرات نانوبیوتکنولوژی به عنوان رشته ای که حیات موجودات زنده را دگرگون می کند، از اهمیت ویژه ای در بررسی پیامدهای صنعتی و اجتماعی این انقلاب، برخوردار است. به نظر می رسد که برای بررسی فرصت ها و تهدیدهای نانوبیوتکنولوژی به دلیل اینکه ماهیتی بسیار پیچیده در پیشرفت تکنولوژی کشورها دارند، می باید دانشمندان، سیاستمداران و مردم هر کشور در مورد نانوتکنولوژی مطالعه کنند تا بتوانند با تحلیل صحیح از انقلاب آینده جهان، مسایلی که پیرامون فرصت ها و تهدیدهای نانوبیوتکنولوژی به وجود خواهد آمد را درک نمایند. در خاتمه باید به این نکته توجه داشت که تاثیرات نانوبیوتکنولوژی در همه نقاط جهان یکسان نبوده و بسته به میزان تحقیقات، سرمایه گذاری و تلاش سیاستمداران و اعتماد ملت ها، متغیر خواهد بود.در ایران وزارت بهداشت، درمان و آموزش پزشکی، در میان شاخه‌های مختلف کاربرد نانوتکنولوژی در پزشکی نیز اقدام به تعیین اولویت مشخص نموده است تا بتوان منابع محدود موجود را بر روی اهداف روشنی متمرکز ساخت. محور فعالیت‌های تحقیقاتی وزارت بهداشت در حوزة نانو تکنولوژی، تشخیص و درمان سرطان با استفاده از تکنیک‌های نانویی دارورسانی ( Drug Delivery ) قرار داده شده است.