خصوصيات مطلوب اين پيل‌ها كه استفاده ازضايعاتي مانند دي‌اكسيد‌كربن و فاضلاب انساني را ممكن مي‌سازند، به استفاده از اينپيل‌ها در برنامه‌هاي فضايي، توليد الكتريسيته و توليد اكسيژن و غذا از طريق حذفمواد زايد منتهي مي‌شود.

همچنين، احتياجات خاص نظامي ممكن است ازطريق اينپيل‌ها تأمين‌گردد. به‌عنوان مثال، ساخت " پيل بدون صداي قابل شارژ " كه در دمايمحيط كار مي‌كند، از اين طريق امكان دارد. اين پيل در موتور‌هاي ديزل و يا در مخلوطسوخت ضد‌يخ متانول- آب، قابل استفاده است.

در آينده، پيل‌هاي سوختي زيستي جديد بااندازة كوچك و سبك، حاوي آنزيم‌هاي تثبيت‌شده به‌عنوان كاتاليست و متانول به‌عنوانمادة اوليه، در دسترس خواهند بود.

3- استفاده از نانوتكنولوژي براي تصفية آب (نانوفيلتراسيون)

نانوفيلتراسيون يكي از كاربردهاي مهم نانوتكنولوژي است. فناورينانوفيلتراسيون امكان جداسازي ذرات را از آب در مقياس نانو فراهم مي‌كند. به‌ اين‌ترتيب، امكان توليد آب تصفيه‌شده در مقياس انبوه فراهم مي‌شود

كاتاليزوربه‌كار رفته در پيل‌هاي سوختي زيستي، يك ميكروارگانيزم و يا يك آنزيم است كهجايگزين فلز در پيل‌هاي سوختي شيميايي مي‌شود. به‌طور كلي دو نوع پيل سوختي زيستيوجود دارد:

الف- مستقيم:

در نوع مستقيم، پيل شامل الكترودهايي است كه در تماس مستقيم با عواملبيوشيميايي هستند و در واكنش‌هاي اكسيداسيون و احيا مشاركت مي‌كنند. توان واقعيخروجي از اين پيل‌ها بين يك‌دهم تا يك‌صدم پيل‌هاي غيرمستقيم است. كار اين نوعپيل‌ها به فرآيندهايي شامل واكنش‌هاي بين بيوكاتاليست و الكترود، محدود است.

ب- غيرمستقيم:

در اين نوع پيل‌ها، از ميكروب‌ها و يا آنزيم‌ها براي تبديل سوختبيولوژيكي به تركيبات با وزن مولكولي بالا و يا وزن‌ مولكولي پايين (گاز يا مايع) استفاده مي‌شود. اين مواد بيولوژيكي، در يك فرآيند معمول الكتروشيميايي شركتمي‌كنند. محصولات به‌دست آمده از يك راكتور ميكروبيولوژيكي ممكن است هيدروژن،آمونياك و يا اكسيژن باشد.

اين عمل بااستفاده از آرايه‌هايي از حسگرهاي غيرتخصصي ( non-Specific ) و به‌كارگيرينرم‌افزار تشخيص الگو انجام مي‌شود.

به كمك اين نرم‌افزار، معين‌كردن بوها، گازها وبخارهاي مختلف، دقيقاً مانند آنچه كه در بيني حيوانات اتفاق مي‌افتد، صورتمي‌پذيرد.

توسعة حسگرهايي كه بتوانند اجزاي مخلوط گازها يا مايعات را درمحيط صنعتي تشخيص دهند، از ديگر كاربردهاي اين حسگرها است. حسگرهاي چند‌منظوره‌ايكه از پليمرها، آنزيم‌ها يا ساير تركيبات استفاده مي‌كنند، مثال‌هايي از اين موردهستند.

2- پيل‌هاي سوختي زيستي

پيل‌هاي سوختي زيستي نوع جديدي از پيل‌هاي سوختي هستند كهتوانايي تبديل مستقيم انرژي بيوشيميايي را به انرژي الكتريكي دارند. نيروي محرك دراين پيل‌ها، واكنش‌هاي اكسيداسيون و احياي يك مادة اوليه از نوع كربوهيدرات مانندگلوكز مخلوط با اتانول است كه همراه با استفاده از ميكروارگانيزم يا آنزيم به‌عنوانكاتاليزور زيستي ايجاد مي‌شود.

اصول كار اين پيل‌ها مانند پيل‌هاي سوختيشيميايي است. اختلاف اصلي بين آنها، در نوع كاتاليزور و شرايط كار است.

كاربردهاي صنعتي نانوبيوتكنولوژي

امروزه با استفاده از زمينه‌هاي علمي بين‌رشته‌اي، انقلابصنعتي ديگري در جريان است. اين تحول در بهره‌برداري يكپارچه از قوانين فيزيك، خواصشيميايي و مشخصات بيولوژيكي نهفته است. در مطلب زير، به معرفي برخي كاربردهاي صنعتينانوبيوتكنولوژي مي‌پردازيم:

1- ساخت حسگرهاي شيميايي بر اساس نانوبيوسيستم‌ها

توسعة فناوري حسگرهاي شيميايي يكي از تحقيقات جديدر زمينة نانوبيوسيستم‌ها است. حسگرهاي شيميايي با الهام از حساس‌ترين حسگرهايشيميايي در بدن جانداران، يعني بيني و ساير اعضاي حسي طراحي شده‌اند. طرز كار اينحسگرها به اين شكل است كه ملكول مورد نظر (كه بايد وجود آن حس شود) به يكدريافت‌كنندة زيستي در عضو مي‌چسبد و باعث باز و بسته‌شدن يك كانال يوني كه درپوستة سلول عايق قرار دارد، مي‌شود.

بيشترين كاربرد حسگرها، در توليدحسگرهاي بخار يا گاز و به‌طور اخص ساخت بيني الكترونيكي بوده‌است.

جايگاه نانوبيوتكنولوژي در بين شاخه‌هاي مختلف نانوتكنولوژي

تعيين جايگاه نانوبيوتكنولوژي در بين شاخه‌هاي مختلف نانوتكنولوژي (ازلحاظ اهميت)، نيازمند يك مطالعة جامع و دقيق است؛ در اين مطالعه بايد شرايط بومي ومزيت‌هاي نسبي كشور را نيز در نظر گرفت.هر چند در اكثر كشورهاي دنيا، شاخة " نانو مواد" به عنوان يك اولويت برگزيده شده است ، اما اگر از ديدگاه پزشكي و يا كشاورزي به نانو نگاه كنيم،نانوبيوتكنولوژي از اهميت بيشتري برخوردار مي‌شود ؛ ايننكته نشان مي‌دهد كه نوع نگاه به نانوتكنولوژي نيز در انتخاب حوزه‌هاي اولويت‌دارآن تاثيرگذار است.

كاربردهاي نانوتكنولوژي و قابليت‌هاي آن در بخش پزشكيقابل توجه است و لذا مي‌توان نانوبيوتكنولوژي را به‌عنوان يك اولويت در زمينةتحقيقات پزشكي مطرح كرد.

از طرف ديگر، جايگاه پزشكي نيز روشن است و امروزه سلامت انسان‌ها در رأس تمام امور قرار گرفته است؛ اين امر را مي‌توان در افزايش درصدهزينة سلامتي در سبد هزينة خانوار مشاهده كرد؛ علي‌الخصوص كه ميانگين سني مردم دنيانيز رو به‌افزايش است.

اهداف بیونانوتکنولوژی و نانوبیوتکنولوژی

اگر به مفهوم و هدف دو زیرشاخهنانوتکنولوژی یعنی بیونانوتکنولوژی و نانوبیوتکنولوژی نگاه شود، می‌توان فهمید کهاهداف هر دو شاخه یعنی تولید محصولاتی که جهت مطالعه سیستم‌های زنده بکار می‌روند وهمچنین فرآیندها و مقیاس فعالیت هر دو شاخه یعنی مقیاسهای در سطح نانو ، تقریبایکسان است.

بنابراین می‌توان این دو شاخه را به صورت کلی با نام نانوبیوتکنولوژینامید. منتها زمانی که بطور صرف ، از الگوها و مواد زیستی جهت ساخت وسایل در ابعادنانو استفاده می‌شود، بهتر است پیشوند «بیو» مقدم بر پیشوند «نانو»بیاید.

در این حالت ، کاربرد واژه بیونانوتکنولوژی تخصصی‌تر از واژهنانوبیوتکنولوژی خواهد بود. می‌توان بیونانوتکنولوژی را شکلی خاص ازنانوبیوتکنولوژی 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.

باردیگر تٲکید می‌شود که کاربرد هر کدام از این دو واژه ، تا حد زیادی سلیقه‌ای‌ است وبه زمینه تخصصی محققان مختلف بستگی دارد.

محصولات و زمینه‌های فعالیت بیونانوتکنولوژی

بیونانوماشین‌ها

مهمترین زمینه کاربرد بیونانوتکنولوژی، ساختبیونانوماشین‌ها یا ماشین‌های مولکولی با ابعادی در حد نانومتر است.

در یک باکتریهزاران بیونانوماشین مختلف وجود دارد. نمونه آنها ریبوزومدستگاه بسته بندی پروتئین است که محصولات نانومتری پروتئین‌ها را تولید می‌کند.

ازخصوصیات خوب بیونانوماشین‌ها به عنوان مثال حسگرهای نوری یاآنتی بادی‌ها، امکان هیبرید کردن آنها باوسایل سیلیکونی با استفاده از فرآیندمیکرولیتوگرافیاست. به این ترتیب با ایجادپیوند بین دنیای نانویی بیونانوماشین و دنیای ماکروی کامپیوتر ، امکان حسگری مستقیمو بررسی وقایع نانویی را می‌توان بوجود آورد. نمونه کاربردی این سیستم ، ساخت شبکیهمصنوعی با استفاده ازپروتئینباکتریورودوپسیناست.

مواد زیستی

کاربرد دیگر بیونانوتکنولوژی ، ساخت مواد زیستی مستحکم و زیستتخریب پذیر است. از جمله این مواد می‌توان بهپروتئین اشاره کرد.

موارد کاربرد این مواد و بخصوص در زمینه پزشکی متعدد است.

از جمله مواردکاربرد این مواد ، استفاده از آنها به عنوان بلوک‌های سازنده نانومدارها و در نهایتساخت وسایل نانویی Nano-Device است.

موتورهای بیومولکولی

موتورهای بیومولکولی ، موتورهای محرکه سلول هستند که معمولا از دو یا چند پروتئینتشکیل شده‌اند و انرژی شیمیایی عموما به شکلATPرا به حرکت مکانیکی تبدیل می‌کنند.

از جمله این موتورها ، می‌توان به پروتئینمیوزینباعث حرکت فیلامت هامی‌شود، پروتئینهای درگیر در تعمیر DNA یا ویرایش RNA به عنوان مثال ، آنزیم‌هایبرشی و ATPase اشاره کرد.

از این موتورها در ساخت نانو روبات‌ها و شبکه هادی‌ها وترانزیستورهای مولکولی قابل استفاده در مدارهای الکترونیکی استفاده می‌شود.

ساخت از پايين به بالاي بيوذرات در دستور کار مراکز تحقيقاتي جهان قرار دارد و پيش بيني ها حاکي از آن است که دنيا بتواند به توليدات قابل توجه اي در اين خصوص تا سال 2015 ميلادي دست يابد.

بمانند مبحث قبلي (مرزهاي بيو تکنولوژي و نانوبيو تکنولوژي) با عبور از موج اول تحقيقات و توليدات، اهميت شفاف سازي واژه ها بين بيونانو تکنولوژي ونانو بيو تکنولوژي نيز کم رنگ شده ونانو بيو تکنولوژي تا حد زيادي موج هاي دوم و سوم تحقيقات و فعاليتها را در انحصار خود قرار مي دهد.

محققان همواره براي رسيدن به اهداف ريز و درشت علمي تحقيقاتي خود نيازمند به دسته بندي ها و اولويت بنديها مي باشند. با توفيقات نسبتا" خوبي که در زمينه هاي تحقيقاتي بيونانو تکنولوژي در فرايندهاي بالا دستي بوجود آمده است، لزوم توجه بيشتر به فرايندهاي پايين دستي بيونانو تکنولوژي بيش از پيش نمايان مي شود.

البته نياز پژوهش گران به بهينه سازي توليد نانو بيو مواد در ابعاد صنعتي همچنان از دغدغه هاي جدي در سالهاي آينده مي باشد.

در کنار بيونانو تکنولوژي که به تعبيري مقدم بر نانو بيوتکنولوژي مي باشد، بايد با جديت به نانو بيوتکنولوژي و سه موج مهم آن پرداخت و بر اساس اولويتهاي مطرح شده براي رسيدن به اهداف کوتاه مدت، ميان مدت و بلند مدت برنام ريزي نمود

تا بتوان همگام با ديگران در جهان شعار تعلق قرن بيست و يکم به نانو تکنولوژي را منصه ظهور رساند.

بدين ترتيب نانو بيو محصول مورد نظر در درون سلول توليد شده و سپس بازيافت مي شود (از بالا به پايين). از طرفي ديگر اگر با بهره وري مستقيم از فناوري نانو يک نانو بيو محصول از پايين به بالا ساخته شود مي توان اين حوزه از فناوري نانو را نانوبيو تکنولوژي دانست. مثال واضح آن توليد تمام نانو بيو ذرات از طريق خود آرايي و مکان آرايي مي باشد که بادر کنارهم قرارگرفتن اجزا تشکيل دهنده، محصول مطلوب توليد مي شود.

اسمبلي ماکرومولکولها و بطور خاص پروتئين نانو ساختارها از مثال هاي جالب توليد از پايين به بالاي نانو بيو مواد مي باشد که مي توانند بعنوان حاملهاي دارو استفاده شوند.

بطور کل بنظر مي رسد که دنيا در ساخت مواد از بالا به پايين تا حدودي زيادي موفق بوده است و از ساخت توده اي مواد وبازيافتشان (بيونانو تکنولوژي) و رسيدن به بيوذرات در اندازه نانو، بهره ها برده و ما نيز بايد با برنامه ريزي مدون در داخل اين مهم را گسترش داده و تقويت نماييم ( البته در اندازه هاي آزمايشگاهي موفق بوده ايم و بايد در فاز بعدي به سمت توليد انبوه و صنعتي برويم ).

براي ساخت تمام نانو مواد ها (ذرات ها) همواره دو روش در نانو تکنولوژي مد نظر مي باشد، ابتدا روشهاي بالا به پايين (Top down) وسپس روش هاي پايين به بالا (Bottom up ). نانو بيو ذرات نيز از اين قاعده مثتثني نبوده و بوسيله يکي از اين دو روش توليد مي شوند

اگر يک نانو بيو محصول از روش هاي بالا به پايين توليد شود، به بيان ديگر با تکيه بر اصول و مباني اصلي بيو تکنولوژي، و در ادامه با روش هاي اصلاح شده خالص سازي و بازيافت که با کمک تکنيکهاي جديد توسعه يافته و براي محصولات نسل دوم (نانو بيو مواد ها) بکار گرفته ميشود به محصول نهايي (End product) تبديل شود.

به اين مجموعه از فناوريها بيونانو تکنولوژي اطاق مي شود. به عنوان مثال بيوراکتوري را در نظر بگيريد که يک سلول حيواني خاص در آن کشت داده شده و در شرايط ويژه رشد نمايد.

محصول مورد نظر يک ويروس درون سلولي مي باشد که براي استفاده در ژن درماني با درجه خلوصي ويژه مورد نياز مي باشد.

اما شايد دسته بندي محصولات بيوتکنولوژيکي به نسل اول و نسل دوم کمک قابل توجه اي به اين موضوع بنمايد .حوزه اي از فناوري که با توليد، باز يافت و بکارگيري نسل دوم مواد و محصولات بيوتکنولوژيکي سروکار دارد ، همان نانوبيو موادي که توليد و بازيافت و خالص سازيشان خصوصا" در ابعاد صنعتي به شدت تکنيک هاي موجود را به مخاطره انداخته و روشهاي نوين را مي طلبد، مي تواند محدوده کاري نانوبيوتکنولوژي و يا بيونانوتکنولوژي باشد .

با تقسيم بندي اولويت هاي تحقيقاتي نانوبيوتکنولوژي به سه موج نانو بیومواد(همانگونه که در متن بالا به آن اشاره شد) ، لزوم تمايز بيو تکنولوژي و نانو بيو تکنولوژي بطور وضوح در محدوده کاري موج اول نانو بيو تکنولوژي خود را نمايان مي سازند چون بي ترديد موج هاي دوم و سوم اين فناوري هم پوشاني بسيار ناچيزي با بيوتکنولوژي به معناي عام خواهند داشت.

اما موضوع بعدي که ضرورت شفاف سازي و بيان وا ژه ها در آن مهم مي باشد تشابه و تمايز نانوبيوتکنولوژي و بيونانوتکنولوژي مي باشد. به بيان ديگر اصولا فرقي بين اين دو واژه وجود دارد و اگر چنين است اين تمايزات چيست؟

پر واضح است که تعامل بيوتكنولوژي و نانوتكنولوژي ويا به تعبيري نانوبيوتكنولوژي بسيار فراتر از اين مي باشد. شايد بتوان گفت نانوبيوتكنولوژي استفاده از قابليت هاي نانو در کاربردهاي زيستي است و اين شاخه از فناوري به ما اجازه مي دهد تا اجزا و ترکيبات را داخل سلولها بصورت عام قرار داده و يا با استفاده از روش هاي جديد خو آرايي و مکان آرايي، در موج اول نانوبيوتكنولوژي نانو بيو مواد را ساخته و با تکنيکهاي پيشرفته به خالص سازي و بازيافت آنها بپردازيم.

بي گمان زمينه ها و فازهاي بعدي اين فناوري جديد به توليد وسايل نانو بيو ( موج دوم ) و در نهايت به ارائه ماشين هاي هوشمند و روباط ها منجر خواهد شد ( موج سوم ) که کاربردهاي فراواني در حوزه هاي مهم بيوتكنولوژي مانند پزشکي، کشاورزي و صنايع غذايي خواهند داشت. سوالي که به ذهن متواتر شده و محققان و متخصصان به علوم بيوتكنولوژي ونانو بيوتكنولوژي را متوجه آن کرده است اين است که مرز بيوتکنولوژي و نانوبيوتکنولوژي در کجاست ؟

اگرچه اين دوفناوري هم پوشانيهاي زيادي دارند و به تعبيري داراي مرزهاي نامشخص ( Fuzzy) مي باشند

مهندسی بافت Tssue engeering

چشم انداز بحث

با توجه به پیشرفت سریع و دامنه گسترده بیوتکنولوژی زمینه‌های بروز انقلاب بیوتکنولوژی عصر جدیدی در علوم مختلف مانند

بیولوژی،پزشکی،فارماکولوژیومهندسی ژنتیک فراهم گردیده است.

به علاوه حوزه‌های دیگری مانند اقتصاد و سیاست نیز ازآن تاثیر بسزایی پذیرفته است. هم اکنون از دیدگاه اخلاق زیستی در این رابطه سوالات مهم و اساسی مطرح شده است که علاوه بر اثرات بسزایی که بر پیشرفتهای علمی و سایرزمینه‌های علوم زیستی دارد، نسلهای آینده بشر را نیز به صورت گسترده‌ای تحت‌الشعاع قرار می‌دهد.

در این باره مشارکت مداوم دانشمندان کنجکاو و خردمندی می‌تواند راه گشا بوده و بایستی با در نظر گرفتن این منابع و پیشرفتهای جدید و با امید به حل چنین مشکلات و مسائلی با فائق آمدن بر همه محدودیتها در جهت گسترش این دانش فعالیت نمود.

نشانگرهای زیستی

از آنجا که انداه نانو ذرات ، در محدوده اندازهپروتئینهاست، می‌توان از آنها برای نشاندار کردن نمونه‌های زیستی استفاده کرد. برایاین کار ، باید نانو ذره بتواند به نمونه زیستی هدف متصل شود و نیز راهی برای دنبالکردن و شناسایی نانو ذره وجود داشته باشد.

به منظور ایجاد میان کنش بین نانو ونمونه زیستی ، نانو ذره را با پوشش بیولوژیکی مانندآنتی بادیها، بیوپلیمرهایی مانندکلاژن ها که نانوذره ها را از نظر زیستی سازگار می‌کند، می‌پوشانند.

می‌توان نانو ذره‌ها را فلورسنتکرده یا خواص نوری آنها تغییر داد.

نانو ذره‌ها در مرکز نشانگر زیستی قرارمی‌گیرند و بقیه اجزا روی آنها قرار داده می‌شوند و این ساختار غالبا کروی است. کنترل دقیق بر اندازه متوسط ذرات امکان ایجاد کاوشگرهای فلورسنت را که باریکه‌هاینوری را در طیف وسیعی از طول موجگسیل می‌دارند، فراهم می‌آورند.

این امکان به تهیه نشانگرهای زیستی با رنگهایفراوان و قابل تشخیص ، کمک شایانی می‌کند. ذره مرکزی معمولا توسط چندین تک لایه ازموادی که تمایل به واکنش ندارند مثلسیلیکامحافظت می‌شود.

رابطه نانوتکنولوژی و بیوتکنولوژی

نانو تکنولوژیمجموعه‌ای است از فناوریهایی که به صورت انفرادی یا باهم در جهت بکارگیری و یا درک بهتر علوم مورد استفاده قرار می‌گیرند.

بیوتکنولوژیجزء فناورهای در حال توسعه می‌باشد که با بکارگیری مفهوم نانو به پیشرفتهای بیشتریدست خواهد یافت.

نانوبیوتکنولوژی به عنوان یکی از حوزه‌های کلیدی قرن 21 شناخته شدهاست که امکان تعامل با سیستمهای زنده را در مقیاس مولکولی فراهم می‌آورد.

بیوتکنولوژی به نانوتکنولوژی مدل ارائه می‌دهد، در حالی که نانوتکنولوژی با دراختیار گذاشتن ابزار برای بیوتکنولوژی آن را برای رسیدن به اهدافش یاری می‌رساند.