نانو وکشاورزی

نانو وکشاورزی

نانوتکنولوژی به عنوان یک فناوری قدرتمند، توانایی ایجاد تحول در سیستم کشاورزی و صنایع غذایی آمریکا و سر تاسر دنیا را دارد. نمونه هایی از کاربردها و پتانسیلهای بالقوه نانوتکنولوژی در کشاورزی و صنایع غذایی، شامل سیستم های 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 می باشد.

تحقیقات اخیر، امکان استفاده از نانوشلها و نانوتیوپها را در سیستمهای جانوری برای تخریب سلولهای هدف، به روشنی ثابت نموده است. امروزه از نانوپارتیکل ها که اجرام بسیار کوچکتر از حد میکرون هستند، برای رها سازی داروها و یا ژنها به داخل سلولها استفاده می کنند و مورد انتظار است که این تکنولوژیها در ۱۰ الی ۱۵ سال آتی مورد بهره برداری کامل قرار گیرد. با روند رو به رشد تحقیقات اخیر، این پیش بینی منطقی است که در دهه آینده، صنعت نانوتکنولوژی با توسعه بی نظیر خود، منجر به ایجاد انقلاب عظیم در بخش پزشکی و بهداشت و همچنین تولیدات دارویی دام و آبزیان گردد.

تصور امکان تزریق نانوپارتیکها به دامها و فعال شدن 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 به عنوان یک فناوری قدرتمند نوین، توانایی ایجاد انقلاب و تحولات عظیم را در سیستم تامین مواد غذایی و کشاورزی ایالت متحده آمریکا و در گستره جهانی دارد. نانوتکنولوژی قادر است که ابزارهای جدیدی را برای استفاده در بیولوژی مولکولی و سلولی و همچنین تولید مواد جدیدی، برای شناسایی اجرام بیماری زا معرفی نماید و بنابراین چندین دیدگاه مختلف در نانوتکنولوژی وجود دارد که می تواند در علوم کشاورزی و صنایع غذایی، کاربرد داشته باشد.

به عنوان 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 می باشد.

● علم نانوتکنولوژی چیست؟

انجمن ملی نوبنیاد نانوتکنولوژی که یک نهاد دولتی در کشور امریکا می باشد ، واژه نانوتکنولوژی را چنین توصیف می کند: "تحقیق و توسعه هدفمند، برای درک و دستکاری و اندازه گیریها مورد نیاز در سطح موادی با ابعاد در حد اتم"، مولکول و سوپرمولکولها را نانوتکنولوژی می گویند. این مفهوم با واحدهایی از یک تا صد نانومتر، همبستگی دارد. دراین مقیاس خصوصیات فیزیکی، بیولوژیکی و شیمیایی مواد تفاوت اساسی با یکدیگر دارند و غالبا اعمال غیر قابل انتظار از آنها مشاهده می شود. در سیستم کشاورزی امروزی، اگردامی مبتلا به یک بیماری خاص شود، می توان 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، دامدار را برای اخذ تصمیمات مدیریتی و پیشگیری کننده آگاه کند و بنابراین می توان نسبت به مقابله با آن بیماری اقدام نماید.

نانوتکنولوژی به موضوعاتی در مقیاس هم اندازه با ویروسها و سایر عوامل بیماری زا می پردازد و بنابراین پتانسیل بالایی را برای شناسایی و ریشه کنی عوامل بیماری زا دارد. نانوتکنولوژی امکان استفاده از سیستمهای آزاد کننده داروئی را که بتواند به طور طولانی مدت فعال باقی بماند، فراهم می کند.

به عنوان مثال استفاده از سیستمهای آزاد کننده دارو، می توان به ایمپلنتهای ابداع شده مینیاتوری در حیوان اشاره کرد که نمونه های بزاقی را به طور مستمر کنترل می کنند و قبل از بروز علائم بالینی و تب، از طریق سیستمهای هشدار دهنده وسنسورهای ویژه، می تواند احتمال وقوع بیماری را مشخص و سیستم خاص ازاد کننده دارو معینی را برای درمان موثر توصیه کنند. طراحی سیستمهای آزاد کننده مواد دارویی، یک آرزوی و رویای همیشگی محققان برای سیستمهای رها کننده داروها، مواد مغذی و پروبیوتیکها بوده و می باشد.

نانوتکنولوژی به عنوان یک فناوری قدرتمند به ما اجازه می دهد 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 معمولا از روشهای بیولوژیکی، فیزیکی و شیمیایی استفاده می گیرد. در روشهای اخیر نانوتکنولوژی برای استفاده توام این روشها، یک سنسور در مقیاس نانو طراحی کرده اند در این سیستم جدید، مواد حاصل از متابولیسم و رشد باکتریها با این سنسورها تعیین می گردد.

سطوح انتخابی بیولوژیکی، محیطی هایی هستند که عمده واکنشهای و فعل و انفعالات بیولوژیکی و شیمیایی در آن محیط انجام می شود.

چنین سطوحی همچنین توانایی افزایش یا کاهش قدرت اتصال ارگانیزمها و ملکولهای ویژه را دارد. از جنبه های کاریردی استفاده از این سطوح، طراحی سنسورها، کاتالیستها، و توانایی جداسازی یا خالص سازی مخلوطهای بیومولکولها می باشد. نانومولکولها موادی هستند که اخیرا از طریق نانوتکنولوژی به دست آمده اند و یا در طبیعت موجودند و بوسیله این ساختارها، امکان دستکاریهای درسطح نانو و تنظیم و کاتالیز واکنشهای شیمیایی وجود دارد. نانو مواد از اجزای با سایز بسیار ریز تشکیل شده اند و اجزا تشکیل دهنده چنین ساختارهایی بر خواص مواد حاصل در سطح ماکرو تاثیر می گذارد.

ساختارهای کروی توخالی (buckey balls ) که با نام دیگر فلورن هم شناخته شده اند، مجموعه از اتمهای کربن متحدالشکل به صورت کروی هستند که در چنین ساختاری هر اتم کربن به سه اتم کربن مجاورش متصل شده. دانشمندان اکنون به خوبی می دانند که چگونه یک چنین ساختاری را به وجود آورند و کاربردهای بیولوژیکی آن امروزه کاملا شناخته شده است. از جمله کاربردهای چنین ساختارهایی برای رها سازی دارو یا مواد رادیواکتیو در محلهای مبتلا به عوامل بیماریزا می باشد.

ایده استفاده از۶۰ اتم کربن به جای ۸۰ اتم، ساختارهای توخالی را برای آزاد سازی دارو فراهم می کند. هدف از این کار در نهایت رسیدن به گروهای قابل انحلال پپتیدها در آب می باشد که نتیجتا این مولکولها به جریان خون راه پیدا می کنند. نانوتیوپها ساختارهای توخالی دیگری هستند که از دو طرف باز شده اند و گروههای اتمی دیگری به آنها اضافه شده اند و یک ساختار شش گوشه را تشکیل می دهند. نانوتیوپها می توانند به عنوان یک ورقه گرافیت در نظر گرفته شوند که به دور یک لوله پیچیده شده اند.

کاربرد پلی مرهای سنتزی در داروسازی پیشرفتهای چشمگیری داشته است. سبکی، نداشتن آثار جانبی و امکان شکل دهی پلی مرها، 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 بطور سیستماتیک به عضو هدف آزاد می کند. پلیمرها نه تنها به عنوان منابع ذخیره دارو و غشا و ماتریکس های نگهدارنده عمل می کنند بلکه می توانند سرعت انحلال آزاد سازی و تعادل دفع و جذب آزاد را در بدن کنترل کنند.

دندریمر(پلی مر) یک طبقه جدید از مولکولهای سه بعدی مصنوعی هستند که از مسیر و راه نانوسنتزی به دست آمده اند که این دندریمرها از توالیها و شاخه ای تکراری حاصل آمده اند. ساختار چنین ترکبیباتی از یک درجه بالای تقارن برخوردار است.

نقاط کوانتومی، کریستالهایی در مقیاس نانومتری هستند که اساسا در اواسط ۱۹۸۰ برای کاربردهای اپتوالکترونیک به کاربرده شدند. آنها در طی سنتز شیمیایی در مقیاس نانو ایجاد می شوند و از صدها یا هزاران اتم در نهایت یک ماده نیمه هادی معدنی تشکیل شده اند که این ماده به اتمها خاصیت فلورنس می دهد. وقتی یک نقطه کوانتومی با یک پرتو نور برانگیخته می شود آنها دوباره نور را منتشر می کنند. میزان یک طیف نشری متقارن باریک مستقیم به اندازه کریستال بستگی دارد.

این بدان معنی است که اجرام کوانتومی می توانند به خوبی برای انتشار نور در طول موجهای مختلف طراحی شوند. نانوشلها یک نوع جدید از نانوذرات که از هسته دی الکتریک مانند سیلیکا تشکیل شده اند که با یک لایه فلزی فوق العاده نازک(به عنوان مثال طلا) پوشش داده شده اند. نانوشلهای طلا، دارای خواص فیزیکی مشابه به آنهایی هستند که از کلوئیدها طلا ساخته شده اند. پاسخهای نوری نانوشلهای طلا به طور قابل توجهی به اندازه نسبی هسته نانوذرات و ضخامت لایه طلا بستگی دارد.

دانشمندان قادرند نانوشلهایی را بسازند که ملکولهای آنتی ژنها بر روی آنها سوار شوند و در مجموع سلولهای سرطانی و تومورهای موجود را تحت تاثیر قرار دهند. این ویژگی مخصوصا در رابط با نانوشلها می باشد که این ساختارها قادرند فقط تومورهای موجود را تحت تاثیر قرار دهند و سلولهای مجاور تومور دست نخورده باقی می ماند. از طریق حرارتی که به طور انتخابی در سلولهای توموری ایجاد می کند منجر به از بین بردن این سلولها می شود.

● کاربردهای نانوتکنولوژی در علوم دامی

سلامتی دامهای اهلی از جمله مسائلی است که با اقتصاد دامداریها در ارتباط می باشد. یک دامپزشک می نویسد که "علم نانوتکنولوژی توانایی و پتانسیل بالقوه ای بر روی رهیافتهای آتی دامپزشکی و درمان دامهای اهلی خواهد داشت". تامین 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 سنتیتیک آزاد کننده مواد داروئی

امروزه مصرف آنتی بیوتیکها، واکسنها، پروبیوتیکها و عمده داروها از طریق وارد کردن آنها از راه غذا یا آب دامها و یا از راه تزریق عضلانی صورت می گیرد. رها سازی یک مرحله ای دارو در برابر یک میکروارگانیزم علارغم تاثیرات درمانی و اثرات بازدارنده پیشرفت یک بیماری معمولا با بازگشت مجدد علائم بیماری وتخفیف اثرات دارویی مصرفی همراه است. روشهای موجود در سطح نانو، قابلیت تشخیص و درمان عفونت،اختلالات تغذیه ای و متابولیکی را دارا می باشد. سیستمهای سنتتیک رها سازی دارو می تواند 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 می توان به موارد ذیل اشاره کرد.

۱) تنظیم زمانی مناسب برای آزاد سازی دارو

۲) قابلیت خود تنظیمی

۳) توانایی برنامه ریزی قبلی

بنابراین در آینده نزدیک پیشرفتهای بیشتر تکنولوژی امکانات زیر را فراهم می کند:

▪ توسعه سیستمهای سنتیتیک رها سازی داروها،پروبیوتیکها، مواد مغذی

▪ افزایش سرعت شناسایی علائم بیماری و کاربرد روشهای درمانی سریع

▪ توسعه سیستمهای رها سازی اسیدهای نوکلئیک و مولکولهای DNA

▪ کاربرد نانومولکولها در تولید واکسنهای دامی

● تشخیص بیماری و درمان دامها

تصور امکان تزریق نانوپارتیکها به دامها و فعال شدن 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. محققان دانشگاه رایس مراحل مقدماتی کاربرد نانوشلها را برای تزریق به جریان خون ارزیابی کردند.

این ذرات نانو به گیرنده های غشاسلولهای سرطانی متصل می شوند و با ایجاد امواج مادون قرمز باعث بالا رفتن دمای سلولهای مذکور به ۵۵ درجه و ترکیدن و از بین رفتن تومورهای موجود می گردند. همچنین نانوپارتیکهایی که از اکسیدهای آهن ساخته می شوند، با ایجاد امواج مگنتیک در محل استقرار سلولهای سرطانی باعث از بین بردن این سلولها می شوند. یکی از اساسی ترین محورهای تحقیقاتی کنونی، توسعه سیستمهای رها سازی DNA غیرزنده، با بازدهی مناسب و با حداقل هزینه و عوارض جانبی و سمی می باشد، که در ژن درمانی مورد استفاده قرار می گیرند.

● اصلاح نژاد دام

مدیریت تلاقی و زمان مناسب جفتگیری دامها، از جمله مواردی است که در مزارع پرورش گاوشیرده به هزینه و زمان طولانی نیاز دارد. از راهکارهایی که اخیر مورد استفاده قرار گرفته است، استفاده از نانوتیوپها خاص در داخل پوست می باشد که زمان واقعی پیک هورمون استروژن و وقوع فحلی را دار دامها نشان می دهد و لذا با علائمی که سنسورهای موجود به دستگاه مونیتور می فرستد، زمان دقیق و واقعی تلقیح را به دامدار نشان می دهد