نانوتکنولوژی بهعنوان یک فناوری قدرتمند، توانایی ایجاد تحول در سیستم کشاورزی و صنایع غذایی آمریکا و سرتاسر دنیا را دارد. نمونههایی از کاربردها و پتانسیلهای بالقوه نانوتکنولوژی در کشاورزی و صنایع غذایی، شامل سیستمهای جدید آزاد کننده دارو برای درمان بیماریها، ابزارهای جدید بیولوژی سلولی و مولکولی، امنیت زیستی و تضمین سلامتی محصولات کشاورزی و غذایی و تولید مواد جدید مورد استفاده برای شناسایی عوامل بیماریزا و حمایت از محیط زیست است.
تحقیقات اخیر، امکان استفاده از نانوشلها و نانوتیوپها را در سیستمهای جانوری برای تخریب سلولهای هدف، به روشنی ثابت کردهاست. امروزه از نانوپارتیکلها که اجرام بسیار کوچکتر از حد میکرون هستند، برای رهاسازی داروها و یا ژنها به داخل سلولها استفاده میکنند و انتظار میرود که این تکنولوژیها در ۱۰ الی ۱۵ سال آتی مورد بهرهبرداری کامل قرار گیرد. با روند رو به رشد تحقیقات اخیر، این پیشبینی منطقی است که در دهه آینده، صنعت نانوتکنولوژی با توسعه بینظیر خود، منجر به ایجاد انقلاب عظیم در بخش پزشکی و بهداشت و همچنین تولیدات دارویی دام و آبزیان شود. تصور امکان تزریق نانوپارتیکها به دامها و فعالشدن تدریجی ماده موثر همراه با این نانوذرات در بدن حیوان برای از بین بردن و تخریب سلولهای سرطانی، افق تحقیقاتی جدیدی را به روی محققان بازکرده است.
مقدمه:
نانوتکنولوژی قادر است که ابزارهای جدیدی را برای استفاده در بیولوژی مولکولی و سلولی و همچنین تولید مواد جدیدی، برای شناسایی اجرام بیماریزا معرفی کند؛ بنابراین چندین دیدگاه مختلف در نانوتکنولوژی وجود دارد که میتواند در علوم کشاورزی و صنایع غذایی، کاربرد داشته باشد. بهعنوان مثال امنیت زیستی تولیدات کشاورزی و مواد غذایی، سیستمهای آزاد کننده دارو بر علیه بیماریهای شایع، حفظ سلامتی و حمایت از محیط زیست از جمله کاربردهای این علم است.
علم نانوتکنولوژی چیست؟
انجمن ملی نوبنیاد نانوتکنولوژی که یک نهاد دولتی در کشور آمریکا است، واژه نانوتکنولوژی را چنین توصیف میکند: تحقیق و توسعه هدفمند، برای درک و دستکاری و اندازهگیریهای مورد نیاز در سطح موادی با ابعاد در حد اتم، مولکول و سوپرمولکولها را نانوتکنولوژی میگویند. این مفهوم با واحدهایی از یک تا ۱۰۰ نانومتر، همبستگی دارد. دراین مقیاس خصوصیات فیزیکی، بیولوژیکی و شیمیایی مواد تفاوت اساسی با یکدیگر دارند و غالباً اعمال غیر قابل انتظار از آنها مشاهده میشود. کشاورزان در سیستم کشاورزی امروزی، اگر دامی مبتلا به یک بیماری خاص شود، میتوانند چند روز و حتی چند هفته یا چند ماه قبل علائم نامحسوس بیماری را شناسایی کنند و قبل از انتشار و مرگ و میر کل گله، خود را برای اخذ تصمیمات مدیریتی و پیشگیریکننده آگاه کنند؛ بنابراین میتوان نسبت به مقابله با بیماری اقدام کرد.
نانوتکنولوژی به موضوعاتی در مقیاس هماندازه با ویروسها و سایر عوامل بیماریزا میپردازد و بنابراین پتانسیل بالایی را برای شناسایی و ریشهکنی عوامل بیماریزا دارد. نانوتکنولوژی امکان استفاده از سیستمهای آزادکننده دارویی را که بتواند به طور طولانی مدت فعال باقی بماند، فراهم میکند؛ بهعنوان مثالِ استفاده از سیستمهای آزاد کننده دارو، میتوان به ایمپلنتهای ابداع شده مینیاتوری در حیوان اشاره کرد که نمونههای بزاقی را به طور مستمر کنترل میکند و قبل از بروز علائم بالینی و تب، از طریق سیستمهای هشدار دهنده و سنسورهای ویژه، میتواند احتمال وقوع بیماری را مشخص و سیستم خاص آزاد کننده دارو معینی را برای درمان موثر توصیه کند. طراحی سیستمهای آزاد کننده مواد دارویی، یک آرزوی و رویای همیشگی محققان برای سیستمهای رهاکننده داروها، مواد مغذی و پروبیوتیکها بوده و است.
نانوتکنولوژی بهعنوان یک فناوری قدرتمند به ما اجازه میدهد که نگرشی در سطح مولکولی و اتمی داشته و قادر باشیم که ساختارهایی در ابعاد نانومتر را بیافرینیم. برای تعیین و شناسایی بسیار جزئی آلودگیهای شیمیایی، ویروسی یا باکتریایی در کشاورزی و صنایع غذایی معمولاً از روشهای بیولوژیکی، فیزیکی و شیمیایی استفاده میشود. در روشهای اخیر نانوتکنولوژی برای استفاده توأم این روشها، یک سنسور در مقیاس نانو طراحی کردهاند. در این سیستم جدید، مواد حاصل از متابولیسم و رشد باکتریها با این سنسورها تعیین میشود.
سطوح انتخابی بیولوژیکی، محیطهایی هستند که عمده واکنشها و فعل و انفعالات بیولوژیکی و شیمیایی در آن محیط انجام میشود. چنین سطوحی همچنین توانایی افزایش یا کاهش قدرت اتصال ارگانیزمها و مولکولهای ویژه را دارد. از جنبههای کاریردی استفاده از این سطوح، طراحی سنسورها، کاتالیستها، و توانایی جداسازی یا خالصسازی مخلوطهای بیومولکولها است. نانومولکولها موادی هستند که اخیراً از طریق نانوتکنولوژی به دست آمدهاند و یا در طبیعت موجودند و بهوسیله این ساختارها، امکان دستکاریها در سطح نانو و تنظیم و کاتالیز واکنشهای شیمیایی وجود دارد. نانو مواد از اجزای با سایز بسیار ریز تشکیل شدهاند و اجزا تشکیلدهنده چنین ساختارهایی بر خواص مواد حاصل در سطح ماکرو تأثیر میگذارد.
ساختارهای کروی توخالی (buckey balls ) که با نام دیگر فلورن هم شناخته شدهاند، مجموعهای از اتمهای کربن متحدالشکل به صورت کروی هستند که در چنین ساختاری هر اتم کربن به سه اتم کربن مجاورش متصل میشود. دانشمندان اکنون بهخوبی میدانند که چگونه یک چنین ساختاری را به وجود آورند و کاربردهای بیولوژیکی آن امروزه کاملاً شناخته شده است. از جمله کاربردهای چنین ساختارهایی برای رهاسازی دارو یا مواد رادیواکتیو در محلهای مبتلا به عوامل بیماریزا است.
ایده استفاده از۶۰ اتم کربن به جای ۸۰ اتم، ساختارهای توخالی را برای آزاد سازی دارو فراهم میکند. هدف از این کار در نهایت رسیدن به گروههای قابل انحلال پپتیدها در آب است که در نهایت این مولکولها به جریان خون راه پیدا میکنند. نانوتیوپها ساختارهای توخالی دیگری هستند که از دو طرف باز شدهاند و گروههای اتمی دیگری به آنها اضافه شدهاند و یک ساختار شش گوشه را تشکیل میدهند. نانوتیوپها میتوانند بهعنوان یک ورقه گرافیت در نظر گرفته شوند که به دور یک لوله پیچیده شدهاند.
کاربرد پلیمرهای سنتزی در داروسازی پیشرفتهای چشمگیری داشتهاست. سبکی، نداشتن آثار جانبی و امکان شکلدهی پلیمرها، کاربرد آنها را در زمینه پزشکی و دامپزشکی افزایش داده است. در روشهای دارورسانی مدرن، فرآورده شکل دارویی موثر خود را با یک روند مشخص شده قبلی برای مدت زمان معلوم بهطور سیستماتیک به عضو هدف آزاد میکند. پلیمرها نه تنها بهعنوان منابع ذخیره دارو و غشاء و ماتریکسهای نگهدارنده عمل میکنند، بلکه میتوانند سرعت انحلال آزادسازی و تعادل دفع و جذب آزاد را در بدن کنترل کنند. دندریمر(پلیمر) یک طبقه جدید از مولکولهای سه بعدی مصنوعی هستند که از مسیر و راه نانوسنتزی به دست آمدهاند که این دندریمرها از توالیها و شاخههای تکراری حاصل آمدهاند. ساختار چنین ترکیباتی از یک درجه بالای تقارن برخوردار است.
نقاط کوانتومی، کریستالهایی در مقیاس نانومتری هستند که اساساً در اواسط ۱۹۸۰ برای کاربردهای اپتوالکترونیک به کاربرده شدند. آنها در طی سنتز شیمیایی در مقیاس نانو ایجاد میشوند و از صدها یا هزاران اتم در نهایت یک ماده نیمههادی معدنی تشکیل شدهاند که این ماده به اتمها خاصیت فلورنسی میدهد. وقتی یک نقطه کوانتومی با یک پرتو نور برانگیخته میشود، آنها دوباره نور را منتشر میکنند. میزان یک طیف نشری متقارن باریک مستقیم به اندازه کریستال بستگی دارد. این بدان معنی است که اجرام کوانتومی میتوانند به خوبی برای انتشار نور در طول موجهای مختلف طراحی شوند. نانوشلها یک نوع جدید از نانوذرات که از هسته دیالکتریک مانند سیلیکا تشکیل شدهاند که با یک لایه فلزی فوقالعاده نازک (به عنوان مثال طلا) پوشش دادهشدهاند. نانوشلهای طلا، دارای خواص فیزیکی مشابه به آنهایی هستند که از کلوئیدهای طلا ساخته شدهاند. پاسخهای نوری نانوشلهای طلا بهطور قابل توجهی به اندازه نسبی هسته نانوذرات و ضخامت لایه طلا بستگی دارد.
دانشمندان قادرند نانوشلهایی را بسازند که مولکولهای آنتی ژنها بر روی آنها سوار شوند و در مجموع سلولهای سرطانی و تومورهای موجود را تحت تأثیر قرار دهند. این ویژگی مخصوصاً در رابطه با نانوشلها است که این ساختارها قادرند فقط تومورهای موجود را تحت تأثیر قرار دهند و سلولهای مجاور تومور دست نخورده باقی میماند. از طریق حرارتی که به طور انتخابی در سلولهای توموری ایجاد میکند، منجر به از بین بردن این سلولها میشود.
کاربردهای نانوتکنولوژی
در علوم دامی
سلامتی دامهای اهلی از جمله مسائلی است که با اقتصاد دامداریها در ارتباط است. یک دامپزشک مینویسد: علم نانوتکنولوژی توانایی و پتانسیل بالقوهای بر روی رهیافتهای آتی دامپزشکی و درمان دامهای اهلی خواهد داشت. تأمین اقلام غذایی برای دامهای اهلی همواره با افزایش هزینه و نیاز به مراقبتهای خاص دامپزشکی و تجویز دارو و واکسن همراه بوده است و نانوتکنولوژی توانایی ارائه راهکارهای مناسب برای حل این معضلات را دارد.
سیستمهای سنتتیک آزاد کننده مواد دارویی
امروزه مصرف آنتیبیوتیکها، واکسنها، پروبیوتیکها و عمده داروها از طریق وارد کردن آنها از راه غذا یا آب دامها و یا از راه تزریق عضلانی صورت میگیرد. رهاسازی یک مرحلهای دارو در برابر یک میکروارگانیزم با وجود تأثیرات درمانی و اثرات بازدارنده پیشرفت یک بیماری معمولاً با بازگشت مجدد علائم بیماری و تخفیف اثرات دارویی مصرفی همراه است. روشهای موجود در سطح نانو، قابلیت تشخیص و درمان عفونت، اختلالات تغذیهای و متابولیکی را داراست. سیستمهای سنتتیک رهاسازی دارو میتواند خواص چند جانبه برای حذف موانع بیولوژیکی در افزایش بازده درمانی داروی مورد استفاده و رسیدن آن به بافت هدف داشته باشد که از جمله این خواص میتوان به موارد ذیل اشاره کرد:
۱- تنظیم زمانی مناسب برای آزادسازی دارو؛
۲- قابلیت خودتنظیمی؛
۳- توانایی برنامهریزی قبلی.
بنابراین در آینده نزدیک پیشرفتهای بیشتر تکنولوژی امکانات زیر را فراهم میکند:
– توسعه سیستمهای سنتتیک رهاسازی داروها، پروبیوتیکها و مواد مغذی.
– افزایش سرعت شناسایی علائم بیماری و کاربرد روشهای درمانی سریع.
– توسعه سیستمهای رهاسازی اسیدهای نوکلئیک و مولکولهای DNA.
– کاربرد نانومولکولها در تولید واکسنهای دامی.
تشخیص بیماری و درمان دامها
تصور امکان تزریق نانوپارتیکها به دامها و فعالشدن تدریجی ماده موثر همراه با این نانوذرات در بدن حیوان برای از بین بردن و تخریب سلولهای سرطانی، افق تحقیقاتی جدیدی را به روی محققان بازکردهاست. محققان دانشگاه «رایس» مراحل مقدماتی کاربرد نانوشلها را برای تزریق به جریان خون ارزیابی کردند. این ذرات نانو به گیرندههای غشاسلولهای سرطانی متصل میشوند و با ایجاد امواج مادون قرمز باعث بالا رفتن دمای سلولهای مذکور به ۵۵ درجه و ترکیدن و از بین رفتن تومورهای موجود میشوند. همچنین نانوپارتیکهایی که از اکسیدهای آهن ساخته میشوند، با ایجاد امواج مگنتیک در محل استقرار سلولهای سرطانی باعث از بین بردن این سلولها میشوند. یکی از اساسیترین محورهای تحقیقاتی کنونی، توسعه سیستمهای رهاسازی DNA غیرزنده، با بازدهی مناسب و با حداقل هزینه و عوارض جانبی و سمی است که در ژن درمانی مورد استفاده قرار میگیرند.
اصلاح نژاد دام
مدیریت تلاقی و زمان مناسب جفتگیری دامها، از جمله مواردی است که در مزارع پرورش گاو شیرده به هزینه و زمان طولانی نیاز دارد. از راهکارهایی که اخیراً مورد استفاده قرار گرفتهاست، استفاده از نانوتیوپهای خاص در داخل پوست است که زمان واقعی پیک هورمون استروژن و وقوع فحلی را دار دامها نشان میدهد و لذا با علائمی که سنسورهای موجود به دستگاه مونیتور میفرستند، زمان دقیق و واقعی تلقیح را به دامدار نشان میدهند.
