اشاره:
آنچه كه در پي مي‌آيد، ويرايش نخست مقاله‌ي «بيوتكنولوژي، هسته مركزي با دو جزء» از مجموعه‌ي متون آموزشي مفاهيم مهندسي شيمي، ويژه‌ي خبرنگاران سياستي و پژوهشگران سياست‌گذاري فناوري ست كه در سرويس مسائل راهبردي دفتر مطالعات خبرگزاري دانشجويان ايران، تدوين شده است.
اين مقالات با ادبياتي غيرفني مفاهيمي فني را براي خواننده توضيح مي‌دهند كه با استفاده از آن تا حدودي مي‌توان به ارزيابي سياست‌گذاري فناوري و سياست‌گذاري توسعه‌ي صنعتي پرداخت. تعريف ساده‌ي واژه‌هاي تخصصي، قبل از استفاده از آن ها در هر مقاله امكان درك مطلب را براي هر خواننده‌اي با هر تخصص و دانشي فراهم مي‌كند. توصيه مي‌شود خوانندگان گرامي قبل از مطالعه هر مقاله شماره‌هاي پيشين مجموعه را مطالعه كنند.
سرويس مسائل راهبردي ايران، آشنايي با مفاهيم تخصصي و فني در هر حوزه را مقدمه‌ي ايجاد يك عرصه عمومي براي گفت وگوي دانشگاهيان و حرفه‌مندان با مديران و سياست‌گزاران درباره‌ي سياست‌ها و استراتژي‌ها و برنامه‌ها در آن حوزه مي‌داند و براي آشنايي خبرنگاران و دانشجويان سياست‌پژوه در حوزه‌هاي تخصصي، اقدام به تدوين و ارائه‌ي متون آموزشي در تمامي حوزه‌هاي تخصصي مي‌كند.
سرويس مسائل راهبردي ايران rahbord.isna@gmail.com آمادگي خود را براي دريافت پيشنهادات و مقالات دانشجويان، پژوهشگران، حرفه‌مندان، مديران و سياست‌گذاران محترم در اين باره اعلام مي‌كند و اظهار اميدواري مي‌كند ايجاد يك عرصه عمومي براي گفت وگوي دانشگاهيان و حرفه‌مندان با مديران و سياست‌گذاران ضمن مستندسازي تاريخ سياست‌گذاري و نظارت عمومي بيشتر بر فرآيند سياست‌گذاري عمومي، موجب طرح ديدگاه‌هاي جديد و ارتقاي كيفيت فرآيند سياست‌گذاري در حوزه‌هاي مختلف تخصصي شود.
سرويس مسائل راهبردي خبرگزاري دانشجويان ايران از همكاري دانشجويان و متخصصان مهندسي نفت براي ارائه‌ي عناوين جديد مقالات و يا تكميل يا ويرايش هر يك از مقالات ارسال شده استقبال مي‌كند.
بيوتکنولوژي، هسته مرکزي با دو جزء
واژگان
کاتاليزور
کاتاليزور ماده‌اي است که سرعت يک واکنش را تغيير مي‌دهد، اما خود آن در پايان واکنش از نظر شيميايي بدون تغيير مي‌ماند. کاتاليزگرها معمولا واکنش را سريع‌تر مي‌کنند. اين مواد اين کار را با فراهم کردن مسير ديگري براي واکنش انجام مي‌دهند، مسيري که نياز به انرژي کمتري دارد.
تثبيت آنزيم
پايبند کردن آنزيم به طريقي که به طور پيوسته قابل استفاده باشد که اين عمل موجب پايداري آنزيم شده و امکان بازيابي آن‌را فراهم مي‌سازد.
تخمير
تخمير پديده‌اي است ناشي از مجموعه فعاليت‌هاي زيستي که در آن ترکيبات آلي داراي مولکول‌هاي بزرگ به ترکيبات داراي مولکول‌هاي کوچک‌تر و ساده‌تر شکسته و تجزيه (کاتابوليسم) مي شود. از فرآيند آن علاوه بر ايجاد ترکيبات آلي ساده‌تر، دي‌اکسيدکربن و انرژي نيز آزاد مي‌گردد. به بيان ديگر تخمير تجزيه ناقص بعضي از متابوليت‌ها (ترکيبات آلي) به ترکيبات ساده‌تر همراه با انرژي توسط عامل تخميري است.
بيوتکنولوژي را مي‌توان بصورت هسته‌اي مرکزي و داراي دو جزء در نظر گرفت، که در آن يک جزء به دنبال دستيابي به بهترين کاتاليست براي فرايندي خاص بوده و ديگري با فراهم کردن ساختمان و اجزاي فني در پي ايجاد بهترين محيطِ ممکن جهت بکارگرفتن کاتاليست است.
در بيشتر مواردي که تاکنون توسعه يافته است مؤثرترين، مناسب‌ترين و پايدارترين شکل براي يک کاتاليست در يک فرايند بيوتکنولوژيک ارگانيسم کامل بوده است و به همين دليل بيشتر کارهاي بيوتکنولوژي بر پايه فرايندهاي ميکروبي مي‌باشد. بنابراين استفاده از ميکروارگانيسم‌ها در فرايندهاي بيوتکنولوژي از اهميت بسزايي برخوردار است.
ميکروارگانيسم ها در مقايسه با تمام ارگانيسم‌هاي عالي مانند گياهان و جانوران ميزان رشد بسيار سريعي دارند. پس تحت شرايط محيطي مناسب در مدت زمان کوتاه مي‌توان مقادير هنگفتي از آنها را توليد کرد.
متدولوژي‌هايي که عموماً مورد استفاده‌اند؛ انتخاب ميکروارگانيسم‌هاي بهتر، از گنجينـ? طبيعي محيط و سپس تغيير و تبديل ميکروارگانيسم‌ها توسط جهش ژنتيکي است. اخيراً با استفاده از يک سري روش‌ها و فنون گرفته شده از زيست شناسي مولکولي، بازسازي ميکروارگانيسم‌هايي با توانايي شيميايي کاملاً نوين توسط انسان امکانپذير شده است.
ميکروارگانيسم‌هاي انتخاب و دستکاري شده از لحاظ ژنتيکي بايد به شکلي تغيير ناپذير حفظ شوند که اين کار مستلزم طيف ديگري از فنون براي حفظ ارگانيسم‌ها به منظور ابقاي خصوصيات اصلي‌شان طي فرايندهاي صنعتي و بالاتر از همه حفظ قدرت و قابليت زيست آنهاست.
در بسياري از موارد کاتاليست به شکلي جدا و خالص شده، يعني آنزيم بکار گرفته مي‌شود و امروزه اطلاعات بسيار زيادي در رابطه با توليد انبوه، جداسازي و خالص کردن تک تک آنزيم‌ها و تثبيت آنها به روش‌هاي مصنوعي در دست است.
دومين بخش هسته مرکزي بيوتکنولوژي شامل تمام جنبه‌هاي سيستم يا راکتوري است که کاتاليست‌ها در آن عمل مي‌کنند. در اينجا دانش ويژه‌اي از مهندسي شيمي يا توليد به کار مي‌آيد که طرح و ابزار لازم براي بقا و کنترل محيط فيزيکي-شيميايي مانند دما، هوادهي(اکسيژن رساني)، pH و غيره را فراهم مي‌کند و بدين ترتيب تجلي بهين? کاتاليست را امکان پذير مي‌سازد.
بنابر آنچه ذکر شد روشن است که موفقيت در يک طرح بيوتکنولوژيک به کاربرد وسيع چندين نظام نياز دارد. قلمروهاي اصلي کاربرد بيوتکنولوژي را مي‌توان در پنج بخش عمده خلاصه کرد:
1- تکنولوژي تخمير:
از نظر تاريخي مهم‌ترين قلمرو بيوتکنولوژي، تکنولوژي تخمير است. توليد مخمرها و آنتي بيوتيک‌ها، توليد فراورده‌هاي جديد مانند پلي ساکاريدها، داروهاي مهم پزشکي، حلال‌ها، مواد غذايي غني از پروتئين نمونه‌هاي بارزي از اين نوع تکنولوژي است.
2- مهندسي آنزيمي:
براي کاتاليز واکنش‌هاي شيميايي بسيار ويژه اهميت بسزايي دارد. به عنوان مثال مي‌توان به توليد تبديل کننده‌هاي مولکولي ويژه(واکنشگرهاي زيستي)، فراورده‌هاي توليدي نظير اسيدآمينه، شربت غني از فروکتوز، پني سيلين‌هاي نيمه مصنوعي، هيدوليز يا آبکافت نشاسته و سلولز اشاره نمود.
3- تکنولوژي مواد پسماند:
اين تکنولوژي از نظر تاريخي اهميتي قديمي دارد، اما امروزه بر همراه کردن اين فرايندها با حفظ منابع طبيعي و برگرداندن آنها به چرخه طبيعت، تأکيد بيشتري مي‌شود. از اين نمونه مي‌توان توليد کودهاي شيميايي و سوخت‌هاي زيست شناختي را نام برد.
4- تکنولوژي زيست محيطي:
اين تکنولوژي چشم انداز وسيعي به منظور کاربرد مفاهيم بيوتکنولوژيک براي حل بسياري از مشکلات زيست محيطي مانند کنترل آلودگي، از بين بردن مواد سمي و جداکردن فلزات از سنگ‌هاي معادن مي‌باشد.
5- تکنولوژي منابع تجديد شونده:
استفاده از مواد تجديد شوند? انرژي، براي توليد منابع جديدي از مواد خام شيميايي و انرژي مانند اتانول، متانول، متان و هيدروژن بکار برده مي‌شود.
آنزيم‌ها
آنزيم ها يکي از محصولات عمده در فرايندهاي بيوتکنولوژي به حساب مي‌آيند. آنها در چند ده? اخير به عنوان مناسب‌ترين و جديدترين ماده در تغيير و تبديل ترکيبات در صنايع کاربرد پيدا کرده‌اند. نقش بيولوژيکي آنها در بهبود کيفيت محصولات توليدي در صنايع غذايي، دارويي و بهداشتي بسيار مورد توجه قرار گرفته است. بنابراين شناخت، توانايي، و نحو? کاربرد اين ترکيبات در اين صنايع لازم به نظر مي‌رسد.
آنزيم‌ها کاتاليزورهاي زيست شناختي با ماهيت پروتئيني هستند که توسط سلول‌هاي زنده (حيواني، گياهي و ميکروارگانيسم‌ها) توليد مي‌شوند. آنزيم‌ها در واکنش‌هاي زيست شناختي نقش بسيار عمده‌اي برعهده دارند و در اغلب واکنش‌هاي درون سلولي باعث شکستن پيوندهاي شيميايي ترکيبات مي‌شوند. بنابراين، ويژگي عمده اين مواد، افزايش سرعت واکنش‌هاست بدون اينکه خود در واکنش شرکت داشته باشند.
قابليت کاتاليزگري آنزيم‌ها بخاطر وجود مولکول‌هاي پروتئين با ساختمان‌هاي ويژه در آنهاست و واکنش‌هاي شيميايي در موضع مخصوصي بنام جايگاه فعال آنزيم انجام مي‌پذيرند. اصولاً پاره‌اي از برهم کنش‌هاي فيزيکي و شيميايي در اين موضع باعث انجام اين واکنش‌ها براي يک آنزيم ويژه مي‌شود.
تفاوت‌هاي عمده واکنش‌هاي آنزيمي با واکنش‌هاي شيميايي در موارد زير خلاصه مي‌شود:
1- يک آنزيم کاتاليزگر داراي ويژگي خاصي است که فقط قادر است يک يا تعداد کمي از واکنش‌ها را کاتاليز کند.
2-سرعت انجام واکنش‌هاي شيميايي با حضور آنزيم به مراتب بالاتر از حالت بدون آنزيم است و معمولاً با به کارگيري مقادير بسيار کمي آنزيم، واکنش‌ها کاتاليز مي‌شوند.
3- شرايط فيزيکي، نظير دما، فشار و pH محيط در واکنش‌هاي آنزيمي معمولاً در حدمتعادل بوده و از فشارها و دماهاي بالا، کمتر استفاده مي‌شود
4- آنزيم‌ها در مقابل تغييرات ناگهاني شرايط، حساس و ناپايدارند و کارکردن با آنها مستلزم دقت و توجه خاص است.
آنزيمهاي تجارتي، به سه گروه اصلي طبقه بندي مي شوند:
1. آنزيمهاي صنعتي که در صنايع مختلف از جمله صنايع غذايي به کار گرفته مي‌شوند، مانند: آميلاز، پروتئاز، گلوکوزايزومراز، ليپاز، کاتالاز و پني سيلين آسيلاز.
2. آنزيمهاي تجزيه‌اي که در تجزيه مواد از آنها استفاده مي‌شود. نظير گلوکوزاکسيداز، گالاکتوزاکسيداز، الکل دهيدروژناز، هگزوکيناز، موراميداز، کلسترول اکسيداز.
3. آنزيمهاي پزشکي که در مسائل پزشکي مورد توجه‌اند مثل آسپارژيناز، پروتئاز، ليپاز و استرپتوکيناز.
کاربرد آنزيم‌ها در صنايع، روز به روز گسترش مي‌يابد و دليل عمده آن، توليد محصولي با درجه خلوص و کيفيت بالاتر است. بطورکلي مزاياي کاتاليزگرهاي آنزيمي به مراتب بيش از کاتاليزگرهاي غيرآنزيمي است زيرا با استفاده از کاتاليزگر اختصاصي آنزيمي مي‌توان از واکنش‌هاي ناخواسته جانبي که در طي مصرف کاتاليزگرهاي غيراختصاصي انجام مي‌شوند، اجتناب کرد.
تكنولوژي توليد آنزيم
گرچه بيشتر آنزيمهاي مفيد از منابع گياهي و جانوري استخراج شده است، ولي انتظار مي‌رود که بيشتر پيشرفت‌هاي آينده در تکنولوژي آنزيمي متکي بر آنزيم‌هايي از منشأ ميکروبي باشد.
توسعه استفاده از ميکروارگانيزم‌ها (ميکروب) به عنوان منبع توليد آنزيم چند دليل مهم دارد:
- معمولاً به ازاي واحد وزن خشک فراورده، فعاليت ويژه بالايي وجود دارد.
- نوسان‌هاي فصلي مواد خام و کمبودهاي احتمالي ناشي از تغييرات اقليمي و تغييرات ناگهاني سياسي شامل منابع ميکروبي نمي‌شود.
- در بين ميکروب‌ها براي انتخاب، طيف گسترده‌اي از خصوصيات آنزيم مانند دامنه pH و مقاومت به دما، وجود دارد.
- ژنتيک صنعتي از راه انتخاب سويه مطلوب، جهش، القا و انتخاب شرايط رشد و اخيراً با استفاده از توانايي‌هاي بديع تکنولوژي انتقال ژن‌ها، امکان بهينه سازي بازده و نوع آنزيم را به شکل مؤثري افزايش داده است.
اصول و منطق انتخاب يک ارگانيزم در بين ميکروارگانيزم‌هاي گوناگون امري پيچيده است و عوامل متعدد تعريف ناشده‌اي چون اقتصادي بودن کشت ميکروب، اين که آيا آنزيم مورد نظر به محيط کشت مايع ترشح مي‌شود و يا در سلول باقي مي‌ماند و احتمال حضور آنزيمهاي زيان‌بخش را در برمي‌گيرد. برحسب نوع منبع، آنزيم‌ها از نظر پايداري در برابر دما و تحمل حد نهايي pH بسيار متفاوتند.
متخصصين ژنتيک صنعتي در انتخاب يک آنزيم براي توليد بايد در پي بهينه‌سازي خواص مطلوب، يعني بازده زياد آنزيم، پايداري، بي‌نيازي به مواد القاکننده، بازيافت مطلوب و غيره باشند؛ در عين حال بايد براي از بين بردن يا مهار خواص نامطلوب، يعني همراهي متابوليت‌هاي زيان‌بخش، بو، رنگ و غيره کوشش کنند.
مواد خام لازم براي تخميرهاي صنعتي آنزيم‌ها معمولاً به موادي محدود بوده است که در مقادير زياد به بهاي کم در دسترس هستند واز نظر تغذيه‌اي بي خطر مي‌باشند. معمول‌ترين مواد به کار رفته عبارتند از ترکيبات حاصل از هيدروليز نشاسته، ملاس‌ها، ليکور خيسانده ذرت، آب پنير و تعدادي از غلات.
فرايندهاي تخميري با شرايط کشت موقت و هوادهي خوب به طور سنتي در توليد آنزيم‌ها بکار گرفته مي‌شوند. اما همين فرايند را با خورانيدن يک يا چند جزء در طي تخمير(fed-batch) بهتر مي‌توان انجام داد. فرايندهاي تخميري با کشت مداوم بندرت در توليد صنعتي آنزيم‌ها بکار مي‌روند. مراحل بازيافت استاندارد آنزيمهاي بيرون سلولي عبارتند از: جداکردن ميکروارگانيزم‌ها، تغليظ آنها، افزودن نگهدارنده‌ها، استاندارد کردن و بسته‌بندي. براي استخراج آنزيمهاي درون سلولي تخريب ديواره سلولي يا غشاء توسط روش‌هاي مکانيکي، فيزيکي يا شيميايي ضروري است.
در پايان فرايند تخمير، شرايط ايده آل شامل بدست آوردن مايعي حاوي غلظت زياد آنزيم است؛ همچين بيومس ارگانيزمي که جداکردن آن ساده بوده و تا حد ممکن کمترين مقدار را نسبت به ساير فراورده‌هاي محلول در اين مايع دارا مي‌باشد.
يک فراورده آنزيمي سالم بايد پتانسيل آلرژي‌زايي پائيني داشته و بويژه به صورت عاري از غبار باشد. همچنين بايد از مواد سمي و ميکروارگانيزم‌هاي زيان‌بخش عاري باشد. در مورد تمام آنزيمهاي جديد بايد آزمون‌هاي سم شناختي دقيقي به عمل آيد.
منابع
- کتاب فرايندهاي آنزيمي؛ تأليف دکتر ايران عالم زاده؛ مؤسسه انتشارات علمي دانشگاه صنعتي شريف
- کتاب بيوتکنولوژي؛ تأليف جان ا. اسميت؛ ترجمه علي فرازمند؛ انتشارات دانشگاه علامه طباطبايي تهران.
- کتاب مهندسي بيوشيمي؛ تأليف دکتر منوچهر وثوقي؛ مؤسسه انتشارات علمي دانشگاه صنعت
- تاب بيوتکنولوژي؛ تأليف جان ا. اسميت؛ ترجمه علي فرازمند؛ انتشارات دانشگاه علامه طباطبايي تهران.
- کتاب فرايندهاي آنزيمي؛ تأليف دکتر ايران عالم زاده؛ مؤسسه انتشارات علمي دانشگاه صنعتي شريف
تدوين: مهندس سيما مولائي
دانشجوي کارشناسي ارشد مهندسي شيمي- بيوتکنولوژي دانشکده شيمي- نفت دانشگاه صنعتي شريف
ليسانس مهندسي شيمي دانشگاه لاساپينزا(La Sapienza) رُم-ايتاليا و مهندسي شيمي- پتروشيمي دانشگاه شيراز
خبرنگار مهندسي شيمي- بيوتكنولوژي سرويس مسائل راهبردي ايران
انتهاي پيام