بیونانوتکنولوژی همان نانوبیوتكنولوژی است؟
بیونانوتکنولوژی و نانوبیوتکنولوژی
امروزه با پیشرفت علم در جهان، بر تعداد واژه‌های تخصصی افزوده می‌شود. در این بین، گسترش علوم و تکنولوژی نانو و تعامل آن با بیوتکنولوژی، منجر به تولید و کاربرد واژه‌هایی همچون بیونانوتکنولوژی و نانوبیوتکنولوژی در گفته‌ها و نوشته‌های محققان مختلف در سطح جهان شده است. آشنایی محققان و سیاستگذاران علمی کشور با این واژه‌ها، می‌تواند آنها را در مطالعات و تصمیم‌گیری‌ها یاری کند. در این مطلب، سعی شده است با استفاده از منابع اینترنتی، مقالات و کتب موجود و همچنین استفاده از نظرات برخی متخصصین امر، تعاریف ساده‌ای از دو واژه بیونانوتکنولوژی و نانوبیوتکنولوژی ارایه شود.
مفهوم و زمینه کاربرد بیونانوتکنولوژی
تلفیق بیوتکنولوژی با فناوری نوظهور نانوتکنولوژی، مباحث جدیدی را بین محققان، هم در سطح دانشگاهی و هم در حوزه صنعت به وجود آورده است. نتیجه این تلفیق، ظهور “بیونانوتکنولوژی” به عنوان یک زمینه تحقیقاتی بین رشته‌ای است که با سرعتی بسیار زیاد در حال رشد و توسعه است و با مقوله علم و مهندسی در سطح مولکول در ارتباط است.
برخی از صاحب نظران، بیونانوتکنولوژی را به عنوان زیر مجموعه‌ای از نانوتکنولوژی، این گونه تعریف کرده‌اند: “مطالعه و ایجاد ارتباط بین بیولوژی مولکولی ساختاری و نانوتکنولوژی مولکولی.” تعدادی دیگر، آن را به عنوان زیر مجموعه‌ای از بیوتکنولوژی اینگونه تعریف کرده‌اند: “به کار گیری پتانسیل بالقوه بیولوژی در ساخت و سازماندهی ساختارهای پیچیده با استفاده از مواد ساده و با دقت در حد اتم.” در این زمینه، تنها تفاوتی که بین بیونانوتکنولوژی و بیوتکنولوژی وجود دارد این است که طراحی و ساخت در مقیاس نانو جزء لاینفک پروژه‌های بیونانوتکنولوژی است در حالی که در پروژه‌های بیوتکنولوژی، نیازی به فهم و طراحی در حد نانو نیست.
چنان که ملاحظه می‌گردد، برخلاف تعریف “بیوتکنولوژی” که به معنی فناوری استفاده از موجودات زنده و اجزای موجودات زنده در راستای نیازهای صنایع مختلف است و همچنین برخلاف تعاریف واژه‌هایی چون “بیومتریال” و “بیومکانیک” که معمولا به معنی استفاده از قابلیت‌های فناوری‌های “مواد” و یا “مکانیک” در کاربردهای زیستی است، در تعریف بیونانوتکنولوژی، هم کاربرد ابزارهای بیولوژیکی به عنوان سازمان‌دهنده و ماده اولیه جهت ساخت محصولات و مواد نانویی، مورد توجه است و هم کاربرد محصولات تولیدی تکنولوژی نانو، جهت مطالعه وقایع درون سلول‌های زنده و تشخیص و معالجه بیماری‌ها.
آنچه مسلم است ظهور این زمینه تحقیقاتی، حاصل تغییر عقیده بسیاری از محققان در استفاده از راهکارهای پایین به بالا (Bottom-Up approach) به جای استفاده از راهکار بالا به پایین (Top-Down approach) جهت ساخت وسایل و مواد بسیار ریز است. در راهکارهای بالا به پایین نانوتکنولوژی، سعی بر این است که وسایل موجود مرتبا کوچکتر شوند؛ به این راهکار، نانوتکنولوژی مکانیکی نیز گفته می‌شود. اما در راهکار پایین به بالا، هدف ایجاد ساختارهای ریز از طریق اتصال اتم‌ها و مولکول‌ها به‌یکدیگر است؛ در این راهکار از الگوهای بیولوژیکی بهره‌گیری می‌شود.
محصولات و زمینه‌های فعالیت بیونانوتکنولوژی
برخی از محصولات و زمینه‌های فعالیت بیونانوتکنولوژی عبارتند از:
1- بیونانوماشین‌ها
مهمترین زمینه کاربرد بیونانوتکنولوژی، ساخت بیونانوماشین‌ها (ماشین‌های مولکولی با ابعادی در حد نانومتر) است. در یک باکتری هزاران بیونانوماشین مختلف وجود دارد. نمونه آنها، ریبوزوم (دستگاه بسته بندی پروتئین) است که محصولات نانومتری (پروتئین‌ها) را تولید می‌کند. از خصوصیات خوب بیونانوماشین‌ها (به‌عنوان مثال حسگرهای نوری یا آنتی‌بادی‌ها)، امکان هیبرید کردن آنها با وسایل سیلیکونی با استفاده از فرآیند میکرولیتوگرافی است. به این ترتیب با ایجاد پیوند بین دنیای نانویی بیونانوماشین و دنیای ماکروی کامپیوتر، امکان حسگری مستقیم و بررسی وقایع نانویی را می‌توان به‌وجود آورد. نمونه کاربردی این سیستم، ساخت شبکیه مصنوعی با استفاده از پروتئین باکتریورودوپسین است.
2- مواد زیستی (Biomaterial)
کاربرد دیگر بیونانوتکنولوژی، ساخت مواد زیستی مستحکم و زیست تخریب‌پذیر است. از جمله این مواد می‌توان به DNA و پروتئین‌ها اشاره نمود. موارد کاربرد این مواد، به خصوص در زمینه پزشکی متعدد است. از جمله موارد کاربرد این مواد، استفاده از آنها به‌عنوان بلوک‌های سازنده نانومدارها و در نهایت ساخت وسایل نانویی (Nano-Device) است. همچنین به دلیل خصوصیات مناسب این مواد از آنها در ترمیم ضایعات پوستی استفاده می‌شود.
3- موتورهای بیومولکولی
موتورهای بیومولکولی، موتورهای محرکه سلول هستند که معمولا از دو یا چند پروتئین تشکیل شده‌اند و انرژی شیمیایی (عموماً به شکل ATP) را به حرکت (مکانیکی) تبدیل می‌کنند. از جمله این موتورها، می‌توان به پروتئین میوزین (باعث حرکت فیلامنت‌ها می‌شود)، پروتئین‌های درگیر در تعمیر DNA یا ویرایش RNA (به‌عنوان مثال، آنزیم‌های برشی) و ATPase اشاره کرد. از این موتورها در ساخت نانوروبات‌ها و شبکه هادی‌ها و ترانزیستورهای مولکولی (قابل استفاده در مدارهای الکترونیکی) استفاده می‌شود. از جمله زمینه‌های دیگری که از بیونانوتکنولوژی استفاده می‌شود، می‌توان به تکنولوژی دستکاری تک مولکول (Single Molecule)، تکنولوژی Biochip و Drug Delivery (ساخت نانوکپسول و نانوحفره)، تکنولوژی Microfluidics (به‌عنوان مثال، ساخت lab on a chip (BioNEMS (ساخت پمپ‌ها، حسگرها و اهرم‌های نانویی)، Nucleic Acid Bioengineering (ساخت نانوسیم DNA و یا کاربرد در همسانه سازی و ترانسفرمیشن)، Nanobioprocessing (خودساماندهی، دستکاری سلولی و تولید فرآورده‌های زیستی)، حسگرهای زیستی (ارزیابی ایمنی غذا و محیط زیست) و Bioselective surface (مورد استفاده در تکنولوژی‌های جداسازی زیستی)، اشاره نمود.
نانوبیوتکنولوژی و رابطه آن با بیونانوتکنولوژی
اما نانوبیوتکنولوژی نیز واژه دیگری است که در سال‌های اخیر، محققان و صاحب‌نظران در کتب، مقالات و کنفرانس‌ها به کار می‌برند. طبق تعریف برخی از این محققان، نانوبیوتکنولوژی، زیرمجموعه‌ای از نانوتکنولوژی است که در آن از ابزارها و فرآیندهای نانویی و میکرونی برای ساخت و تهیه محصولاتی استفاده می‌شود که در مطالعه سیستم‌های زنده استفاده می‌شوند . برخی دیگر از محققان، نانوبیوتکنولوژی را زمینه‌ای از نانوتکنولوژی می‌دانند که در آن از سیستم‌های بیولوژیکی موجود، همچون سلول، اجزای سلولی، اسیدهای نوکلئیک و پروتئین‌ها برای ایجاد ساختارهای نانویی تلفیقی (مرکب از مواد آلی و معدنی) استفاده می‌شود.
اگر به مفهوم و هدف دو زیرشاخه نانوتکنولوژی یعنی بیونانوتکنولوژی و نانوبیوتکنولوژی نگاه شود، می‌توان فهمید که اهداف هر دو شاخه (یعنی تولید محصولاتی که جهت مطالعه سیستم‌های زنده به کار می‌روند) و همچنین فرآیندها و مقیاس فعالیت هر دو شاخه (یعنی مقیاس‌های در سطح نانو)، تقریبا یکسان است. بنابراین می‌توان این دو شاخه را به صورت کلی با نام نانوبیوتکنولوژی نامید. منتهی زمانی که به‌طور صرف، از الگوها و مواد زیستی جهت ساخت وسایل در ابعاد نانو استفاده می‌شود، بهتر است پیشوند “بیو” مقدم بر پیشوند “نانو” بیاید. در این حالت، کاربرد واژه بیونانوتکنولوژی تخصصی‌تر از واژه نانوبیوتکنولوژی خواهد بود. می‌توان بیونانوتکنولوژی را شکلی خاص از نانوبیوتکنولوژی دانست که مبنای آن، استفاده از موادزیستی (برای مثال پروتئین‌ها یا DNA) جهت ساخت وسایل نانویی است؛ اما در هنگام استعمال واژه نانوبیوتکنولوژی، استفاده از ابزارهای نانویی در کاربردهای بیولوژیک نیز مورد نظر خواهد بود. بار دیگر تأکید می‌شود که کاربرد هر کدام از این دو واژه، تا حد زیادی سلیقه‌ای است و به زمینه تخصصی محققان مختلف، بستگی دارد.
نتیجه‌گیری و چشم‌انداز
از مجموع مباحث فوق نتیجه گرفته شد که ” بیونانوتکنولوژی ” یک حوزه نوین ناشی از تلفیق علوم زیستی و مهندسی در حوزه نانو است که افق‌های جدیدی را در زمینه ساخت و توسعه سیستم‌های تلفیقی به‌وجود آورده و محققان را امیدوار کرده‌است که بتوانند از این تلفیق، در ساخت نانوساختارهایی استفاده کنند که در آنها از مولکول‌های بیولوژیکی به‌عنوان اجزای سیستم مورد نظر استفاده شود؛ به‌عنوان مثال، از استراتژی طراحی بیولوژیک (مثلاٌ، حالت زیپ مانند مولکول دورشته‌ای DNA) بتوانند در ساخت چارچوب‌های جداشدنی و الگویی برای چینش (Assembly) پایین به بالای (فرآیندی که طی آن، سازماندهی مولکولی، بدون دخالت نیروی خارجی صورت می‌گیرد) مواد معمول‌تر، استفاده کنند. این توانمندی نه تنها در حل مسائل مهمی در علوم زیستی چون کاوش و شناسایی دقیق ساختار موجودات زنده کاربرد خواهد داشت، بلکه می‌تواند محققان را در رفع چالش‌های عمده مهندسی همچون نیاز به تکنیک‌های نوین جهت سنتز مواد و دستکاری آنها یاری دهد و به این ترتیب دنیای نانو را به دنیای ماکرو وصل کند. به‌عبارت دیگر این شاخه مهم علمی (یعنی بیونانوتکنولوژی)، به زودی قابلیت کاربرد در حوزه‌های مختلف غیرزیستی و حوزه‌های کاربردی ماکرو را خواهد داشت؛ کاربردهایی که هرچند در حوزه زیستی نیستند ولی الهام گرفته از فرآیندهای زیستی (Bio-inspired) هستند.