سید لفته فردزاده
4th August 2015, 11:32 AM
از مهمترین آنزیمهایی که در علم نانوتکنولوژی مورد توجه است ، آنزیم هیدروژناز باکتریایی است که کاربرد اصلی آن در حذف آلودگی و استفاده از آن به عنوان نانو کاتالیزورهایی برای حفظ و بقای انرژی است. این آنزیم کارهای زیادی انجام می دهد که عبارت است از:
1.کاهش فلزات سنگین و حذف آلودگی ناشی از آنها
2.تولید Bio-pdکه خود کاربرد های گوناگون در علم نانو تکنولوژی دارد.
هیدروژناز و احیاء بیولوژیکی فلزات
بسیاری از میکرو اورگانیسم ها قادر به احیاء فلزات سمی با مکانیسم متفافتی هستند که سبب کاهش میزان سمیت و اثرات زیان آور آنها می شوند که یکی از مهمترین این روش ها فعالیت آنزیم هیدرژناز است. به عنوان مثال یک آنزیم که سبب اورانیوم (U) و سلونیوم (IV) می شود و یا حتی توانایی ایجاد حالت احیاء در فلزات رادیواکتیو مشکل زا از جمله TC)VII) می شود که این عمل توسط آنزیم فرمات هیردروژن لیاز آشریشیا کلی صورت می گیرد و سبب رسوب این ماده رادیواکتیو وکاهش سمیت آن می شود. علاوه بر آشریشیای کلی باکتری دسولفو ویبریو نیز قادر به حذف آلودگی تکنتیوم TC VII می باشد. رودوکتاز فلزات نیز قادر به احیاء فلزات گران بها از فاضلاب پساب خواهد بود که برای این عمل، مولکول هیدروزن را مصرف می کنند. دانشمندان با ایجاد موتاسیون قادر به کشف 3نوع هیدروژناز در باکتری دسولفو ویبریو فروکتو ورانس شده اند که قادر است فلز پالادیوم pd)II) را احیا نموده و تولید (.) pd نماید که در این حالت رسوب کرده و یک الگو و حفاظت نانو کریستال فلزی را در سطح سلول برعهده دارد.
احیای میکروبی pd بر کاربوردهای آن
همان طور که گفته شد فلز pd)II) از طریق میکروبی احیا شده و به شکل pd(.) درون سلول رسوب می کند. این ترکیب (Bio-pd) دارای خواص و کاربورد های گوناگون است از جمله:
1-این ترکیب دارای خواص کاتالیزوری فراوانی نسبت به نوع تجاری است که قادر است فلز کروم (VI) که سمی است را به نوع (III) که سمیت کمتری دارد تبدیل کند.
2-سبب کاهش و با فعالیت بیوکاتالیزوری قادر به حذف پلی کلورونیت های فنیل از پساب ها خواهد بود.
3-کاربورد دیگر آن در نانو تکنولوژی است که Bio-pd به واسطه ی خاصیت مغناطیسی که دارد، قادر به تشخیص نانو کریستال ها خواهد بود.
4-ساخت و روشد قابل کنترل نانو پارتیکل ها (نانو ذرات).
نانو ذرات به دو طریق ساخته می شوند: روش شیمیایی و روش میکروبی. در روش شیمیایی در سنتز نانو ذرات، احتیاج به یک هسته ی اولیه است که سایر نانو ذرات به ان متصل می شوند معمولا در روش های شیمیایی روشت نانو ذرات سخت و گران و غیر قابل کنترل است و برای تولید نانو ذرات بزرگتر بایستی نانو ذرات کوچکتر را به نانو ذرات قبلی اضافه کرد و این کار را چندین بار تکرار نمود. ولی سیستمهای باکتریایی این طور نیست و یک باکتری منفرد میتواند یک مرکز و یک ماتریکس برای رشد قابل کنترل نانو ذرات باشد از جمله باکتری هایی که تولید Bio-pd میکنند. این ترکیب در این باکتریها به واسطه خاصیت فرو مغناطیسی و کاتالیزوری یک هسته ای و الگویی برای نانو ذرات خواهد شد.
یکی دیگر از کاربورد های هیدروژناز تولید انرژی و الکتریسیته است. در واقع در ابتدا مواد آلی فاضلاب ها توسط یک باکتری مانند آشریشیا کلی تخمیر و تولید ترکیبات آلی ساده تر و هیدروژن میکند. هیدروزن تولیدی توسط آنزیم هیدروژناز شکافته و تولید الکترون مورد نیاز برای ساخت سل های سوختی میشود که این سل ها آلودگی زیست محیطی نخواهند داشت.
حسگرها ویا سنسورها به طور معمول ترکیبی از بیوملکول و مبدل هستند. برحسب هدف مورد تجزیه وتحلیل، انواع مختلفی از سنسورهای شیمیایی و زیستی وجود دارد. از حسگرهای زیستی ، عنصر حساس که به جسم مورد اندازه گیری پاسخ میدهد عمدتا بیولوژی است مانند آنزیم ها یا آنتی بادی ها که به سوبسترای خود یعنی سوبسترای آنزیم و آنتی ژن حساس هستند. علامت های (سیگنال) ایجاد شده در حسگرهای زیستی متناسب با غلظت آنالیت در نمونه است که این سیگنال ها را میتوان در نهایت با روش های مختلف نوری و الکتروشیمیایی شناسایی نمود ، یعنی میتوان سیگنال های زیستی را به دیگر سیگنال ها مانند سیگنال های الکتریکی، نوری و یا سایر سیگنال ها تبدیل نموده و به این ترتیب به این وسیله وجود ملکول زیستی را از نظر کیفی یا کمی اندازه گیری نمود.
اولین حسگر زیستی الکترود آنزیمی نام داشت که توسط کلارک و لیون برای شناسایی گلوکز استفاده گردید. در این حسگر، آنزیم گلوکز اکسیداز اکسیداسیون گلوکز به گلوکرونیک اسید را کاتالیزور میکند، براین اساس یک حسگر زیستی ساخته میشود. در حسگرهای اخیر از اکسیژن به عنوان عامل اکسید کننده به کار می رود.
امروزه حسگرهای زیستی کوچکی به اندازه ی یک سلول و حتی در حد نانومتر ساخته شده اند که به راحتی در مجاورت سلولها قرار میگیرد و تغییرات را گزارش میدهد. قبلا از الکترودهای میکروارایه برای اندازه گیری پتانسیل عمل نورون ها استفاده میشد. مثال دیگر سیستم حسگر زیستی تهیه شده که قادر به نشان دادن تولید پروتئین خاصی میباشد. از این روش از فاکتورهای نوترکیب بیان پروتئین فلورسانس استفاده می شود.
برای ساخت نانو حسگرهای زیستی می توان از نانو لوله ها استفاده کرد به این صورت که پلی مری خاص را به نانو لوله های کربنی به صورت غیر کوالان (هیدروفوب) متصل می کنند که با این عمل امکان وارد کردن گروه های فعال مانند کربوکسیل و یا آمین به سطح نانو لوله ها فراهم می شود. حال این گروه های فعال می توانند به لیگاندهای زیستی متصل و ایجاد علائم کند.
مثال دیگر: حسگرهای زیستی الکتروشیمیایی DNAرا میتوان نام برد که در این حسگرها جفت بازهای واتسون و کریک را به صورت علائم قابل بررسی و قابل خواندن بر می گردانند. یک حسگر زیستی DNAبه وسیله تثبیت یک اولیگونو کلئوتید: تک رشته ای برروی سطح یک مبدل طراحی می گردد و DNA دو رشته ای که حاصل هیبریداسیون آنالیت با DNA تثبیت شده بر روی الکترود است، تشخیص داده می شود. این وقایع در نهایت به صورت سیگنال آنالیتیکی به وسیله مبدل که می تواند دستگاه الکتروشیمیایی نوری و گرادیمتری و.... باشد به کمیت قابل اندازه گیری ترجمه می شود. از آن جایی که حسگرهای زیستی الگتروشیمیایی قادر به شناسایی سریع ساده و ارزان قیمت نمونه ها هستند. معمولا این روشها نتایج بهتری را نسبت به سایر سیستمهای اندازه گیری از خود نشان می دهند بیو سنسورهای الکتروشیمیاییDNA به علت حساسیت بالا، انتخابی بودن زیاد، قیمت مناسب و استفاده ی آسان از آنها در همه جا در آینده نزدیک به صورت چیپ های کوچک و قابل حمل در دسترس قرار میگیرد.
نانو لوله های کربن نیز برای تشخیص الکترو شیمیایی هیبریداسیون DNA مورد استفاده قرار میگیرد که در این روش پروب الیگونوکلئوتیدی به صورت انتخابی به انتهای یک نانو لوله چند لایه ای متصل میشود. به علت سطح زیاد و خاصیت هدایتی بالا آنها می توان با استفاده از نانو لوله ها سیگنال قوی را در آزمایشات الکتروشیمیایی به دست آورد.
یکی از انواع اختصاصی بیوسنسورها (حسگرهای زیستی) که در شناسایی مولکولهای زیستی مورد مصرف قرار می گیرد، به وسیله ی رزونانس سطحی می باشد که اساس آن بر آشکار سازی تغییرات در ویژگی های نوری لایه ی سطحی می باشد. پروتئین های کریستالین مربوط به ساختار لایه سطحی باکتریها به عنوان یک شبکه کریستالی و یک سطح آب گریز به کار رود . برای این کار ترجیحا از باکتری به نام لاکتو باسیلوس پلانتاروم استفاده می شود. زیرا پروتئین های سطحی این باکتری به خوبی در محیط های آب گریز به حالت کریستالی در می آیند و با این ترتیب یک تک لایه ایجاد می شود ونیز این لایه می تواند تغییر یابد بدون این که خصوصیت پارا کریستالین آن نقصان یابد. برای استفاده از لایه سطحی در بیوسنسورها یک لایه دکستران را به طور کووالانس به آن متصل میکنند. از این نوع پوشش ها در بیوسنسور کاربوردهای متنوعی میتوان نمود مانند شناسایی بیوملکولها در مایعات بدن مثل خون ، اوره، مایه لنفاوی، مایعات مغزی نخاعی ویا در مواد غذایی مانند ماست، شیر، سوپ، نوشابه های غیر الکلی، نوشیدنی انرژی زا، آبجو، آبگوشت، آب سبزی جات پخته و یا شناسایی پروژسترون در شیر گاو که باعث تشخیص زمان تخمک گذاری و کنترول دقیق شیر گاو و بازده بالا تره کارخانجات لبنی و افضایش شیر بدست آمده به ازاء هر گاو میگردد، اساسا تمام بیومولکولها با این نوع سنسورها قابل شناسایی میباشد . برای این کار باید پذیرنده های اختصاصی برای هر بیوملکول بکار برد . نمونه هایی میتوان نام برد مانند قندها، آنتی زن ها، آنتی بادی ها، آنتی بیوتیک ها، هرمونها سموم قارچی و علف کشها میباشند. همچنین ذرات آلوده کننده های محیطی مانند فسفات ها و یا ترکیبات نیترات دار ویا آزمایش مواد غذایی از نظر حضور ذرات نا خواسته، مانند توکسین ها ( آفلا توکسین، انتروتکسین باکتری استافیلو کوکوس ارئوس) و هورمونها از این نوع بیوسنسورها استفاده کرد
1.کاهش فلزات سنگین و حذف آلودگی ناشی از آنها
2.تولید Bio-pdکه خود کاربرد های گوناگون در علم نانو تکنولوژی دارد.
هیدروژناز و احیاء بیولوژیکی فلزات
بسیاری از میکرو اورگانیسم ها قادر به احیاء فلزات سمی با مکانیسم متفافتی هستند که سبب کاهش میزان سمیت و اثرات زیان آور آنها می شوند که یکی از مهمترین این روش ها فعالیت آنزیم هیدرژناز است. به عنوان مثال یک آنزیم که سبب اورانیوم (U) و سلونیوم (IV) می شود و یا حتی توانایی ایجاد حالت احیاء در فلزات رادیواکتیو مشکل زا از جمله TC)VII) می شود که این عمل توسط آنزیم فرمات هیردروژن لیاز آشریشیا کلی صورت می گیرد و سبب رسوب این ماده رادیواکتیو وکاهش سمیت آن می شود. علاوه بر آشریشیای کلی باکتری دسولفو ویبریو نیز قادر به حذف آلودگی تکنتیوم TC VII می باشد. رودوکتاز فلزات نیز قادر به احیاء فلزات گران بها از فاضلاب پساب خواهد بود که برای این عمل، مولکول هیدروزن را مصرف می کنند. دانشمندان با ایجاد موتاسیون قادر به کشف 3نوع هیدروژناز در باکتری دسولفو ویبریو فروکتو ورانس شده اند که قادر است فلز پالادیوم pd)II) را احیا نموده و تولید (.) pd نماید که در این حالت رسوب کرده و یک الگو و حفاظت نانو کریستال فلزی را در سطح سلول برعهده دارد.
احیای میکروبی pd بر کاربوردهای آن
همان طور که گفته شد فلز pd)II) از طریق میکروبی احیا شده و به شکل pd(.) درون سلول رسوب می کند. این ترکیب (Bio-pd) دارای خواص و کاربورد های گوناگون است از جمله:
1-این ترکیب دارای خواص کاتالیزوری فراوانی نسبت به نوع تجاری است که قادر است فلز کروم (VI) که سمی است را به نوع (III) که سمیت کمتری دارد تبدیل کند.
2-سبب کاهش و با فعالیت بیوکاتالیزوری قادر به حذف پلی کلورونیت های فنیل از پساب ها خواهد بود.
3-کاربورد دیگر آن در نانو تکنولوژی است که Bio-pd به واسطه ی خاصیت مغناطیسی که دارد، قادر به تشخیص نانو کریستال ها خواهد بود.
4-ساخت و روشد قابل کنترل نانو پارتیکل ها (نانو ذرات).
نانو ذرات به دو طریق ساخته می شوند: روش شیمیایی و روش میکروبی. در روش شیمیایی در سنتز نانو ذرات، احتیاج به یک هسته ی اولیه است که سایر نانو ذرات به ان متصل می شوند معمولا در روش های شیمیایی روشت نانو ذرات سخت و گران و غیر قابل کنترل است و برای تولید نانو ذرات بزرگتر بایستی نانو ذرات کوچکتر را به نانو ذرات قبلی اضافه کرد و این کار را چندین بار تکرار نمود. ولی سیستمهای باکتریایی این طور نیست و یک باکتری منفرد میتواند یک مرکز و یک ماتریکس برای رشد قابل کنترل نانو ذرات باشد از جمله باکتری هایی که تولید Bio-pd میکنند. این ترکیب در این باکتریها به واسطه خاصیت فرو مغناطیسی و کاتالیزوری یک هسته ای و الگویی برای نانو ذرات خواهد شد.
یکی دیگر از کاربورد های هیدروژناز تولید انرژی و الکتریسیته است. در واقع در ابتدا مواد آلی فاضلاب ها توسط یک باکتری مانند آشریشیا کلی تخمیر و تولید ترکیبات آلی ساده تر و هیدروژن میکند. هیدروزن تولیدی توسط آنزیم هیدروژناز شکافته و تولید الکترون مورد نیاز برای ساخت سل های سوختی میشود که این سل ها آلودگی زیست محیطی نخواهند داشت.
حسگرها ویا سنسورها به طور معمول ترکیبی از بیوملکول و مبدل هستند. برحسب هدف مورد تجزیه وتحلیل، انواع مختلفی از سنسورهای شیمیایی و زیستی وجود دارد. از حسگرهای زیستی ، عنصر حساس که به جسم مورد اندازه گیری پاسخ میدهد عمدتا بیولوژی است مانند آنزیم ها یا آنتی بادی ها که به سوبسترای خود یعنی سوبسترای آنزیم و آنتی ژن حساس هستند. علامت های (سیگنال) ایجاد شده در حسگرهای زیستی متناسب با غلظت آنالیت در نمونه است که این سیگنال ها را میتوان در نهایت با روش های مختلف نوری و الکتروشیمیایی شناسایی نمود ، یعنی میتوان سیگنال های زیستی را به دیگر سیگنال ها مانند سیگنال های الکتریکی، نوری و یا سایر سیگنال ها تبدیل نموده و به این ترتیب به این وسیله وجود ملکول زیستی را از نظر کیفی یا کمی اندازه گیری نمود.
اولین حسگر زیستی الکترود آنزیمی نام داشت که توسط کلارک و لیون برای شناسایی گلوکز استفاده گردید. در این حسگر، آنزیم گلوکز اکسیداز اکسیداسیون گلوکز به گلوکرونیک اسید را کاتالیزور میکند، براین اساس یک حسگر زیستی ساخته میشود. در حسگرهای اخیر از اکسیژن به عنوان عامل اکسید کننده به کار می رود.
امروزه حسگرهای زیستی کوچکی به اندازه ی یک سلول و حتی در حد نانومتر ساخته شده اند که به راحتی در مجاورت سلولها قرار میگیرد و تغییرات را گزارش میدهد. قبلا از الکترودهای میکروارایه برای اندازه گیری پتانسیل عمل نورون ها استفاده میشد. مثال دیگر سیستم حسگر زیستی تهیه شده که قادر به نشان دادن تولید پروتئین خاصی میباشد. از این روش از فاکتورهای نوترکیب بیان پروتئین فلورسانس استفاده می شود.
برای ساخت نانو حسگرهای زیستی می توان از نانو لوله ها استفاده کرد به این صورت که پلی مری خاص را به نانو لوله های کربنی به صورت غیر کوالان (هیدروفوب) متصل می کنند که با این عمل امکان وارد کردن گروه های فعال مانند کربوکسیل و یا آمین به سطح نانو لوله ها فراهم می شود. حال این گروه های فعال می توانند به لیگاندهای زیستی متصل و ایجاد علائم کند.
مثال دیگر: حسگرهای زیستی الکتروشیمیایی DNAرا میتوان نام برد که در این حسگرها جفت بازهای واتسون و کریک را به صورت علائم قابل بررسی و قابل خواندن بر می گردانند. یک حسگر زیستی DNAبه وسیله تثبیت یک اولیگونو کلئوتید: تک رشته ای برروی سطح یک مبدل طراحی می گردد و DNA دو رشته ای که حاصل هیبریداسیون آنالیت با DNA تثبیت شده بر روی الکترود است، تشخیص داده می شود. این وقایع در نهایت به صورت سیگنال آنالیتیکی به وسیله مبدل که می تواند دستگاه الکتروشیمیایی نوری و گرادیمتری و.... باشد به کمیت قابل اندازه گیری ترجمه می شود. از آن جایی که حسگرهای زیستی الگتروشیمیایی قادر به شناسایی سریع ساده و ارزان قیمت نمونه ها هستند. معمولا این روشها نتایج بهتری را نسبت به سایر سیستمهای اندازه گیری از خود نشان می دهند بیو سنسورهای الکتروشیمیاییDNA به علت حساسیت بالا، انتخابی بودن زیاد، قیمت مناسب و استفاده ی آسان از آنها در همه جا در آینده نزدیک به صورت چیپ های کوچک و قابل حمل در دسترس قرار میگیرد.
نانو لوله های کربن نیز برای تشخیص الکترو شیمیایی هیبریداسیون DNA مورد استفاده قرار میگیرد که در این روش پروب الیگونوکلئوتیدی به صورت انتخابی به انتهای یک نانو لوله چند لایه ای متصل میشود. به علت سطح زیاد و خاصیت هدایتی بالا آنها می توان با استفاده از نانو لوله ها سیگنال قوی را در آزمایشات الکتروشیمیایی به دست آورد.
یکی از انواع اختصاصی بیوسنسورها (حسگرهای زیستی) که در شناسایی مولکولهای زیستی مورد مصرف قرار می گیرد، به وسیله ی رزونانس سطحی می باشد که اساس آن بر آشکار سازی تغییرات در ویژگی های نوری لایه ی سطحی می باشد. پروتئین های کریستالین مربوط به ساختار لایه سطحی باکتریها به عنوان یک شبکه کریستالی و یک سطح آب گریز به کار رود . برای این کار ترجیحا از باکتری به نام لاکتو باسیلوس پلانتاروم استفاده می شود. زیرا پروتئین های سطحی این باکتری به خوبی در محیط های آب گریز به حالت کریستالی در می آیند و با این ترتیب یک تک لایه ایجاد می شود ونیز این لایه می تواند تغییر یابد بدون این که خصوصیت پارا کریستالین آن نقصان یابد. برای استفاده از لایه سطحی در بیوسنسورها یک لایه دکستران را به طور کووالانس به آن متصل میکنند. از این نوع پوشش ها در بیوسنسور کاربوردهای متنوعی میتوان نمود مانند شناسایی بیوملکولها در مایعات بدن مثل خون ، اوره، مایه لنفاوی، مایعات مغزی نخاعی ویا در مواد غذایی مانند ماست، شیر، سوپ، نوشابه های غیر الکلی، نوشیدنی انرژی زا، آبجو، آبگوشت، آب سبزی جات پخته و یا شناسایی پروژسترون در شیر گاو که باعث تشخیص زمان تخمک گذاری و کنترول دقیق شیر گاو و بازده بالا تره کارخانجات لبنی و افضایش شیر بدست آمده به ازاء هر گاو میگردد، اساسا تمام بیومولکولها با این نوع سنسورها قابل شناسایی میباشد . برای این کار باید پذیرنده های اختصاصی برای هر بیوملکول بکار برد . نمونه هایی میتوان نام برد مانند قندها، آنتی زن ها، آنتی بادی ها، آنتی بیوتیک ها، هرمونها سموم قارچی و علف کشها میباشند. همچنین ذرات آلوده کننده های محیطی مانند فسفات ها و یا ترکیبات نیترات دار ویا آزمایش مواد غذایی از نظر حضور ذرات نا خواسته، مانند توکسین ها ( آفلا توکسین، انتروتکسین باکتری استافیلو کوکوس ارئوس) و هورمونها از این نوع بیوسنسورها استفاده کرد