مفاهيم مهندسي شيمي- بيوتكنولوژي/‌‌٢ بيوتكنولوژي، هسته‌ مركزي با دو جزء

واضح آرشیو وب فارسی:ايسنا: مفاهيم مهندسي شيمي- بيوتكنولوژي/‌‌٢ بيوتكنولوژي، هسته‌ مركزي با دو جزء

خبرگزاري دانشجويان ايران - تهران
سرويس: مسائل راهبردي ايران

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 وحرفه‌مندان با مديران و سياست‌گزاراندرباره‌ي 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 [email protected] 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.

بيوتكنولوژي، هسته مركزي با دو جزء

واژگان

كاتاليزور

كاتاليزور ماده‌اي است كه سرعت يك واكنش را تغيير مي‌دهد، اما خود آن در پايان واكنش از نظر شيميايي بدون تغيير مي‌ماند. كاتاليزگرها معمولا واكنش را سريع‌تر مي‌كنند. اين مواد اين كار را با فراهم كردن مسير ديگري براي واكنش انجام مي‌دهند، مسيري كه نياز به انرژي كمتري دارد.

تثبيت آنزيم

پايبند كردن آنزيم به طريقي كه به طور پيوسته قابل استفاده باشد كه اين عمل موجب پايداري آنزيم شده و امكان بازيابي آن‌را فراهم مي‌سازد.

تخمير

تخمير پديده‌اي است ناشي از مجموعه فعاليت‌هاي زيستي كه در آن تركيبات آلي داراي مولكول‌هاي بزرگ به تركيبات داراي مولكول‌هاي كوچك‌تر و ساده‌تر شكسته و تجزيه (كاتابوليسم) مي شود. از فرآيند آن علاوه بر ايجاد تركيبات آلي ساده‌تر، دي‌اكسيدكربن و انرژي نيز آزاد مي‌گردد. به بيان ديگر تخمير تجزيه ناقص بعضي از متابوليت‌ها (تركيبات آلي) به تركيبات ساده‌تر همراه با انرژي توسط عامل تخميري است.

بيوتكنولوژي را مي‌توان بصورت هسته‌اي مركزي و داراي دو جزء در نظر گرفت، كه در آن يك جزء به دنبال دستيابي به بهترين كاتاليست براي فرايندي خاص بوده و ديگري با فراهم كردن ساختمان و اجزاي فني در پي ايجاد بهترين محيطِ ممكن جهت بكارگرفتن كاتاليست است.

در بيشتر مواردي كه تاكنون توسعه يافته است مؤثرترين، مناسب‌ترين و پايدارترين شكل براي يك كاتاليست در يك فرايند بيوتكنولوژيك ارگانيسم كامل بوده است و به همين دليل بيشتر كارهاي بيوتكنولوژي بر پايه فرايندهاي ميكروبي مي‌باشد. بنابراين استفاده از ميكروارگانيسم‌ها در فرايندهاي بيوتكنولوژي از اهميت بسزايي برخوردار است.

ميكروارگانيسم ها در مقايسه با تمام ارگانيسم‌هاي عالي مانند گياهان و جانوران ميزان رشد بسيار سريعي دارند. پس تحت شرايط محيطي مناسب در مدت زمان كوتاه مي‌توان مقادير هنگفتي از آنها را توليد كرد.

متدولوژي‌هايي كه عموماً مورد استفاده‌اند؛ انتخاب ميكروارگانيسم‌هاي بهتر، از گنجينـ? طبيعي محيط و سپس تغيير و تبديل ميكروارگانيسم‌ها توسط جهش ژنتيكي است. اخيراً با استفاده از يك سري روش‌ها و فنون گرفته شده از زيست شناسي مولكولي، بازسازي ميكروارگانيسم‌هايي با توانايي شيميايي كاملاً نوين توسط انسان امكانپذير شده است.

ميكروارگانيسم‌هاي انتخاب و دستكاري شده از لحاظ ژنتيكي بايد به شكلي تغيير ناپذير حفظ شوند كه اين‌ كار 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 كاتاليست به شكلي جدا و خالص شده، يعني آنزيم بكار گرفته مي‌شود و امروزه اطلاعات بسيار زيادي در رابطه با توليد انبوه، جداسازي و خالص كردن تك تك آنزيم‌ها و تثبيت آنها به روش‌هاي مصنوعي در دست است.

دومين بخش هسته مركزي بيوتكنولوژي شامل تمام جنبه‌هاي سيستم يا راكتوري است كه كاتاليست‌ها در آن عمل مي‌كنند. در اينجا دانش ويژه‌اي از مهندسي شيمي يا توليد به كار مي‌آيد كه طرح و ابزار لازم براي بقا و كنترل محيط فيزيكي-شيميايي مانند دما، هوادهي(اكسيژن رساني)، pH و غيره را فراهم مي‌كند و بدين ترتيب تجلي بهين? كاتاليست را امكان پذير مي‌سازد.

بنابر آنچه ذكر شد روشن است كه موفقيت در يك طرح بيوتكنولوژيك به كاربرد وسيع چندين نظام نياز دارد. قلمروهاي اصلي كاربرد بيوتكنولوژي را مي‌توان در پنج بخش عمده خلاصه كرد:

1- تكنولوژي تخمير:

از نظر تاريخي مهم‌ترين قلمرو بيوتكنولوژي، تكنولوژي تخمير است. توليد مخمرها و آنتي بيوتيك‌ها، توليد فراورده‌هاي جديد مانند پلي ساكاريدها، داروهاي مهم پزشكي، حلال‌ها، مواد غذايي غني از پروتئين نمونه‌هاي بارزي از اين نوع تكنولوژي است.

2- مهندسي آنزيمي:

براي كاتاليز واكنش‌هاي شيميايي بسيار ويژه اهميت بسزايي دارد. به عنوان مثال مي‌توان به توليد تبديل كننده‌هاي مولكولي ويژه(واكنشگرهاي زيستي)، فراورده‌هاي توليدي نظير اسيدآمينه، شربت غني از فروكتوز، پني سيلين‌هاي نيمه مصنوعي، هيدوليز يا آبكافت نشاسته و سلولز اشاره نمود.

3- تكنولوژي مواد پسماند:

اين تكنولوژي از نظر تاريخي اهميتي قديمي دارد، اما امروزه بر همراه كردن اين فرايندها با حفظ منابع طبيعي و برگرداندن آنها به چرخه طبيعت، تأكيد بيشتري مي‌شود. از اين نمونه مي‌توان توليد كودهاي شيميايي و سوخت‌هاي زيست شناختي را نام برد.

4- تكنولوژي زيست محيطي:

اين تكنولوژي چشم انداز وسيعي به منظور كاربرد مفاهيم بيوتكنولوژيك براي حل بسياري از مشكلات زيست محيطي مانند كنترل آلودگي، از بين بردن مواد سمي و جداكردن فلزات از سنگ‌هاي معادن مي‌باشد.

5- تكنولوژي 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 بكار برده مي‌شود.

آنزيم‌ها

آنزيم ها يكي از محصولات عمده در فرايندهاي بيوتكنولوژي به حساب مي‌آيند. آنها در چند ده? اخير به عنوان مناسب‌ترين و جديدترين ماده در تغيير و تبديل تركيبات در صنايع كاربرد پيدا كرده‌اند. نقش بيولوژيكي آنها در بهبود كيفيت محصولات توليدي در صنايع غذايي، دارويي و بهداشتي بسيار مورد توجه قرار گرفته است. بنابراين شناخت، توانايي، و نحو? كاربرد اين تركيبات در اين صنايع لازم به نظر مي‌رسد.

آنزيم‌ها كاتاليزورهاي زيست شناختي با ماهيت پروتئيني هستند كه توسط سلول‌هاي زنده (حيواني، گياهي و ميكروارگانيسم‌ها) توليد مي‌شوند. آنزيم‌ها در واكنش‌هاي زيست شناختي نقش بسيار عمده‌اي برعهده دارند و در اغلب واكنش‌هاي درون سلولي باعث شكستن پيوندهاي شيميايي تركيبات مي‌شوند. بنابراين، ويژگي عمده اين مواد، افزايش سرعت واكنش‌هاست بدون اينكه خود در واكنش شركت داشته باشند.

قابليت كاتاليزگري آنزيم‌ها بخاطر وجود مولكول‌هاي پروتئين با ساختمان‌هاي ويژه در آنهاست و واكنش‌هاي شيميايي در موضع مخصوصي بنام جايگاه فعال آنزيم انجام مي‌پذيرند. اصولاً پاره‌اي از برهم كنش‌هاي فيزيكي و شيميايي در اين موضع باعث انجام اين واكنش‌ها براي يك آنزيم ويژه مي‌شود.

تفاوت‌هاي عمده واكنش‌هاي آنزيمي با واكنش‌هاي شيميايي در موارد زير خلاصه مي‌شود:

1- يك آنزيم كاتاليزگر داراي ويژگي خاصي است كه فقط قادر است يك يا تعداد كمي از واكنش‌ها را كاتاليز كند.

2-سرعت انجام واكنش‌هاي شيميايي با حضور آنزيم به مراتب بالاتر از حالت بدون آنزيم است و معمولاً با به كارگيري مقادير بسيار كمي آنزيم، واكنش‌ها كاتاليز مي‌شوند.

3- شرايط فيزيكي، نظير دما، فشار و pH محيط در واكنش‌هاي آنزيمي معمولاً در حدمتعادل بوده و از فشارها و دماهاي بالا، كمتر استفاده مي‌شود

4- آنزيم‌ها در مقابل تغييرات ناگهاني شرايط، حساس و ناپايدارند و كاركردن با آن‌ها مستلزم دقت و توجه خاص است.

آنزيمهاي تجارتي، به سه گروه اصلي طبقه بندي مي شوند:

1. آنزيم‌هاي صنعتي كه در صنايع مختلف از جمله صنايع غذايي به كار گرفته مي‌شوند، مانند: آميلاز، پروتئاز، گلوكوزايزومراز، ليپاز، كاتالاز و پني سيلين آسيلاز.

2. آنزيم‌هاي تجزيه‌اي كه در تجزيه مواد از آنها استفاده مي‌شود. نظير گلوكوزاكسيداز، گالاكتوزاكسيداز، الكل دهيدروژناز، هگزوكيناز، موراميداز، كلسترول اكسيداز.

3. آنزيم‌هاي پزشكي كه در مسائل پزشكي مورد توجه‌اند مثل آسپارژيناز، پروتئاز، ليپاز و استرپتوكيناز.

كاربرد آنزيم‌ها در صنايع، روز به روز گسترش مي‌يابد و دليل عمده آن، توليد محصولي با درجه خلوص و كيفيت بالاتر است. بطوركلي مزاياي كاتاليزگرهاي آنزيمي به مراتب بيش از كاتاليزگرهاي غيرآنزيمي است زيرا با استفاده از كاتاليزگر اختصاصي آنزيمي مي‌توان از واكنش‌هاي ناخواسته جانبي كه در طي مصرف كاتاليزگرهاي غيراختصاصي انجام مي‌شوند، اجتناب كرد.

تكنولوژي توليد آنزيم

گرچه بيشتر آنزيم‌هاي مفيد از منابع گياهي و جانوري استخراج شده است، ولي انتظار مي‌رود كه بيشتر پيشرفت‌هاي آينده در تكنولوژي آنزيمي متكي بر آنزيم‌هايي از منشأ ميكروبي باشد.

توسعه استفاده از ميكروارگانيزم‌ها (ميكروب) به عنوان منبع توليد آنزيم چند دليل مهم دارد:

1. معمولاً به ازاي واحد وزن خشك فراورده، فعاليت ويژه بالايي وجود دارد.

2. نوسان‌هاي فصلي مواد خام و كمبودهاي احتمالي ناشي از تغييرات اقليمي و تغييرات ناگهاني سياسي شامل منابع ميكروبي نمي‌شود.

3. در بين ميكروب‌ها براي انتخاب، طيف گسترده‌اي از خصوصيات آنزيم مانند دامنه pH و مقاومت به دما، وجود دارد.

4. ژنتيك صنعتي از راه انتخاب سويه مطلوب، جهش، القا و انتخاب شرايط رشد و اخيراً با استفاده از توانايي‌هاي بديع تكنولوژي انتقال ژن‌ها، امكان بهينه سازي بازده و نوع آنزيم را به شكل مؤثري افزايش داده است.

اصول و منطق انتخاب يك ارگانيزم در بين ميكروارگانيزم‌هاي گوناگون امري پيچيده است و عوامل متعدد تعريف ناشده‌اي چون اقتصادي بودن كشت ميكروب، اين كه آيا آنزيم مورد نظر به محيط كشت 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 ژنتيك صنعتي در انتخاب يك آنزيم براي توليد بايد در پي بهينه‌سازي خواص مطلوب، يعني بازده زياد آنزيم، پايداري، بي‌نيازي به مواد القاكننده، 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 كوشش كنند.

مواد خام لازم براي تخميرهاي صنعتي آنزيم‌ها معمولاً به موادي محدود بوده است كه در مقادير زياد به بهاي كم در دسترس هستند واز نظر تغذيه‌اي بي خطر مي‌باشند. معمول‌ترين مواد به كار رفته عبارتند از تركيبات حاصل از هيدروليز نشاسته، ملاس‌ها، ليكور خيسانده ذرت، آب پنير و تعدادي از غلات.

فرايندهاي تخميري با شرايط كشت موقت و هوادهي خوب به طور سنتي در توليد آنزيم‌ها بكار گرفته مي‌شوند. اما همين فرايند را با خورانيدن يك يا چند جزء در طي تخمير(fed-batch) بهتر مي‌توان انجام داد. فرايندهاي تخميري با كشت مداوم بندرت در توليد صنعتي آنزيم‌ها بكار مي‌روند. مراحل بازيافت استاندارد آنزيم‌هاي بيرون سلولي عبارتند از: جداكردن ميكروارگانيزم‌ها، تغليظ آن‌ها، افزودن نگهدارنده‌ها، استاندارد كردن و بسته‌بندي. براي استخراج آنزيم‌هاي درون سلولي تخريب ديواره سلولي يا غشاء توسط روش‌هاي مكانيكي، فيزيكي يا شيميايي ضروري است.

در پايان فرايند تخمير، شرايط ايده آل شامل بدست آوردن مايعي حاوي غلظت زياد آنزيم است؛ همچين بيومس ارگانيزمي كه جداكردن آن ساده بوده و تا حد ممكن كمترين مقدار را نسبت به ساير فراورده‌هاي محلول در اين مايع دارا مي‌باشد.

يك فراورده آنزيمي سالم بايد پتانسيل آلرژي‌زايي پائيني داشته و بويژه به صورت عاري از غبار باشد. همچنين بايد از مواد سمي و ميكروارگانيزم‌هاي زيان‌بخش عاري باشد. در مورد تمام آنزيم‌هاي جديد بايد آزمون‌هاي سم شناختي دقيقي به عمل آيد.

منابع

* كتاب فرايندهاي آنزيمي؛ تأليف دكتر ايران عالم زاده؛ مؤسسه انتشارات علمي دانشگاه صنعتي شريف

* كتاب بيوتكنولوژي؛ تأليف جان ا. اسميت؛ ترجمه علي فرازمند؛ انتشارات دانشگاه علامه طباطبايي تهران.

* كتاب مهندسي بيوشيمي؛ تأليف دكتر منوچهر وثوقي؛ مؤسسه انتشارات علمي دانشگاه صنعت

* تاب بيوتكنولوژي؛ تأليف جان ا. اسميت؛ ترجمه علي فرازمند؛ انتشارات دانشگاه علامه طباطبايي تهران.

* كتاب فرايندهاي آنزيمي؛ تأليف دكتر ايران عالم زاده؛ مؤسسه انتشارات علمي دانشگاه صنعتي شريف

تدوين: مهندس سيما مولائي
دانشجوي كارشناسي ارشد مهندسي شيمي- بيوتكنولوژي دانشكده 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
يکشنبه 13 مرداد 1387

این صفحه را در گوگل محبوب کنید

[ارسال شده از: ايسنا]

[مشاهده در: www.isna.ir]

[تعداد بازديد از اين مطلب: 5022]