بخشی از مقاله
ظرفیتها و چالش هاي پیش روي مهندسی فرآیند و تولید فرآورده هاي زیستی دریا
چکیده
تولید فرآورده هاي زیستی از دریاها زمینه اي تازه است که در سال 2002 میلادي 2/2 میلیارد دلار در آمد با رشد 10درصدي نسبت به سال قبل از آن حاصل نموده و پیش بینی می شود با رشد آن در سالهاي آینده به تغییرات جدي در تولید دانش جدید علمی و صنعتی و روند بازار فرآورده هاي زیستی بیانجامد. تا کنون شناسایی و کاربردهاي جدید این فرآورده ها، منجر به کشف مشتقات دارویی، بهداشتی- آرایشی، مکمل هاي غذایی، آنزیم ها و پیگمانت ها گردیده است. کشف و توسعه منابع دریایی به فاکتورهایی وابسته است که از جمله آنها میتوان به شناسایی فراورده هاي زیستی جدید، استفاده مناسب از تولیدات ، اپتیمم کردن تولیدات و بهینه سازي موثر و کارآمد تولید اشاره کرد. شناسایی فراورده هاي زیستی جدید نیز بستگی به پیچیدگی روند مورد مطالعه و ملکولهاي مورد نظر، فراوانی ارگانیزمها در طبیعت، منبع ترکیب ، شرایط و وضعیت رشد و مسیر بیو سنتز محصول دارد که نیازمند همکاري تیم هاي اقیانوس شناس، بیولوژیست ها، شیمیست ها و مهندسین می باشد.در این مقاله براي آشنایی مدیران و پژوهشگران دریایی وضعیت کنونی و پتانسیل هاي آتی مهندسی فرآیندهاي زیستی مرتبط با اکتشاف، توسعه و استفاده مناسب از ترکیبات و مشتقات دریایی با کاربردهاي گوناگون و طراحی روش هاي توسعه و گسترش مناسب منابع دریایی شناخته شده و همچنین اختراع ابزار و کشف مراحل و فرآیندهاي تازه تولید فرآورده هاي زیستی از اقیانوس ها توضیح داده شده است.
کلمات کلیدي: محصولات زیستی – اقیانوس فناوري زیستی - دریا - فرآورده هاي زیستی
مقدمه
محیط دریایی به عنوان منبع غنی از تنوع و گوناگونی در زمینه هاي شیمیایی و بیولوژي محسوب می شود.اقیانوس ها حدود 300/000 گونه شناخته شده را در بر می گیرند، اما تخمین زده شده است که این تعداد فقط در صد کمی از کل گونه هایی را که تا کنون شناخته شده اند را در بر می گیرد (Winston1988,
.Malakof, 1997) بیشترین درصد گونه هاي دریایی ناشناخته را میکروارگانیسم ها تشکیل می دهند .
(Colwell, 1997) باکتریهاي دریایی به تنهایی بیش از 10% کل کربن موجود در موجودات زنده را تشکیل
دهند(. (Parkes et al., 1994 هزاران ترکیب شیمیایی تنها از تعداد نسبتا کمی از این گونه ها که تا کنون
مورد مطالعه قرار گرفته اند جدا شده است .(Ireland et al., 1993) در عین حال فقط درصد کوچکی از این ترکیبات بخاطر توان و پتانسیل آنها به عنوان فرآورده هاي مناسب مورد مطالعه قرار گرفته اند. اقیانوس ها داراي منابع بکر و بهره برداري نشده اي براي کشف بیشتر ترکیبات شیمیایی جدید براي استفاده در موارد دارویی، تغذیه اي، بهداشتی-آرایشی، آگروشیمی، پروب هاي مولکولی و آنزیم ها می باشند. هر کدام از این
ترکیبات زیستی دریایی داراي ارزش چند بیلیون دلاري می باشد .(Bio Scienc 1996)مهندسین فرآیندهاي زیستی دریا عهده داران اصلی کشف و گسترش ترکیبات و مشتقات دارویی دریایی و پروب هاي مولکولی موثر بر روي بیماري هاي انسانی هستند.براي شناسایی فرآورده ها و تولیدات جدید نیز استفاده مناسب از محصولات و اپتیمم کردن تولید، فرآیندها و ابزارهاي جدید مورد نیاز می باشند که این مهم نیز عمدتا بر عهده مهندسین فرآیندهاي زیستی دریا است.
-2 شناسایی تولیدات جدید و گسترش و توسعه تکنولوژي هاي جدید پایش
امروزه براي تحقیق و بررسی در زمینه کشف دارو، ارگانیسم هاي دریایی با استفاده از روش هاي معمول از قبیل
غواصی، کف روب ها1 و تور ترال جمع آوري می شوند. غواصی دانشمندان را قادر به دﺳﺘﻴﺎﺑﻲ به زیستگاه هاي غیر معمول از زیستگاه هاي بنتیک عمیق دریا می سازد و برخی سیستم ها به ابزارها و اتاق هاي ویژه اي مجهز هستند که نمونه ها می توانند تحت شرایط کنترل شده به عنوان مثال فشار بالا و دماي کم در آن نگهداري شوند. البته هنوز کمبود و نیاز براي توسعه و گسترش بیوراکتورهاي چند منظوره اي که بتوانند در محیط هایی با شرایط ویژه (از قبیل شوري زیاد ، متخلخل و نفوذپذیر ، محیط فاقد اکسیژن و زیستگاه هاي عمیق دریا )
کاربرد داشته باشند، وجود دارد. چنین بیوراکتورهایی می توانند براي جمع آوري، کشت میکروارگانیسمها در دریا و ارزیابی تولید محصولات متابولیکی ماکرو و میکرو ارگانیسم ها به کار روند. بنابراین تولید متابولیت هاي آنها می تواند تحت شرایط فیزیولوژیکی که تا حد امکان شبیه شرایط کنترل شده باشد به عنوان فرآوردهاي زیستی مورد بررسی قرار گیرد.روش دیگر شناسایی وکاربرد محصولات جدید، مهندسی سنسورهاي زیستی کوچک شده (مینیاتوري) به عنوان ابزارهاي جمع آوري و بیوراکتورهایی جهت سرعت بخشیدن تولید محصول مورد نظر در درون بدن موجود زنده می باشد. تعدادي از سنسورهاي زیستی و پروب هایی که در مطالعه بیماري هاي انسان مورد استفاده قرار می گیرند، در حال توسعه و پیشرفت هستند. آداپته کردن این موارد براي ارزیابی و بررسی فراوردهاي مشتق شده از دریا چالش جالبی در بیومهندسی خواهد بود.
.3 استفاده مناسب وپایداراز منابع دریایی
با توجه به پتانسیل بالاي موجود در کشف، توسعه و بازاریابی محصولات دریایی جدید نیاز به ایجاد متدهایی است که به وسیله آنها این محصولات بتوانند به طریقی که براي اکوسیستم مضر نبوده و یا منابع را با خطر روبرو نسازند نگهداري شوند. جمع آوري ترکیبات مشتق شده ازدریا یک فاکتور مهم درمطالعات دارویی است، اغلب متابولیتها با مقادیر جزئی در ارگانیزمها دیده می شود که منبع پایداري براي مطالعات پاراکلینیکی نیست. به طورکلی فراوانی طبیعی این مواد در منابع ارگانیزمها جوابگوي فرایند تولید براساس منابع موجود وحشی نیست. بعضی راهکارها براي استفاده با دوام و طولانی از منابع دریایی عبارتند از: سنتزشیمیایی، بهره برداري کنترل شده
کشت آب ورزي2 ارگانیزمهاي منبع، تولید مصنوعی3 ازطریق کشت سلولی منابع میکرو ﻳﺎ ماکروارگانیزمی و تولید ترنسژنیک. هرکدام ازاین راهها مزایا و محدودیتهاي خود را دارند ، همه متدها براي جمع آوري هرمحصول
دریایی قابل استفاده نبوده و بیشتراین متدها هنوزکاملا" توسعه نیافته اند. رسیدن به هدف مورد نظربرچندین اصل استوار است:
-1-3 پیچیدگی ملکول : آیا میتواند بوسیله فرایندي صنعتی سنتز شود؟
فرآیندهاي سنتزي براي بسیاري از محصولات دریایی که به عنوان داروکاربرد دارند قبلا منتشرشده است..(Kageyama and Tamura,1990; Corey et al.,1996; Harried et al.,1997) متاسفانه بیشتر فرآیندهاي سنتزي فرآیندهایی چندمرحله اي هستند که امکان سنتز مقرون به صرفه درمقیاس صنعتی را نمی دهند و قیمت مواد موردنیاز براي یک مقیاس کوچک به مراتب به صرفه ترازمقیاس بزرگ است. بعلاوه بسیاري ازترکیبات طبیعی ملکولهایی پیچیده باچندین مرکز فضایی هستند که کنترل استریوشیمی واکنش را ضروري می کند. اگرترکیب یک انانتیومرباشد و هردو ایزومر سنتز شوند در نهایت نیاز به جداسازي ایزومرها باتکنیکهاي کروماتوگرافی است که درمقیاس بزرگ هزینه بردارخواهدبود.سایر منابع تولیدگسترده معمولا" به بررسی هاي اولیه اي چون اپتیمم سازي سنتز شیمیایی درمقیاس صنعتی نیازمندند. بنابراین فرصت و بازارمناسب براي تولید محصولات دریایی از کشت آب ورزي ، تولیدمصنوعی وتولید ترنسژنیک هم براي کاربردهاي بلندمدت و هم کوتاه مدت وجود دارد.
-2-3 فراوانی ارگانیزمها در طبیعت : در موردتاثیر نوع جمع آوري برجمعیت گونه ها و زیستگاهها چه
می دانیم؟
پیش از صید عظیم یک ارگانیزم براي بازیابی محصول بیولوژیکی ، مطالعات بهره برداري پایدار در مورد یک محصول باید انجام شود که شامل تعریف فاکتورهایی مانند ذخیره موجود ارگانیزم، سرعت رشد آن ، فاکتورهاي موثر بررشد و همچنین تاثیر صید و پس از صید بر ارگانیزم موردنظر میباشد.این اطلاعات میتواند نه تنها براي ارزیابی ظرفیت جمع آوري و صید بکارروند بلکه براي توسعه مدلهاي کشت آب ورزي و یا تولید مصنوعی بکارگرفته شود که متاسفانه به ندرت انجام میشود. یک استثنا دراین مورد مطالعه اي است که روي اسفنجهاي
نیوزلند ازجمله اسفنج Lissodendoryx که هالیکندرینها (halichondrins) ،ترکیبات موثر آنتی تومور، را
تولید میکنند انجام شده است، این اسفنج درناحیه اي محدود بنام Kaikoura Peninsula دیده میشود.مطالعه
انجام شده بوسیله Battershill et al.,1998 نشان میدهدکه صید به همراه کف روبی به طورمشخصی میزان ذخیره اسفنج را کاهش میدهد میزان ذخیره اسفنج را کاهش می دهد اما جمعیت آن می تواند به سرعت درنتیجه انتشار غیرجنسی اجزاي اسفنج دراثر کف روبی بازیابی گردد. این نوع اطلاعات نه تنها در طراحی صید کنترل شده ضروري هستند بلکه براي انتخاب ذخیره هاي برترژنتیکی جهت کشت آب ورزي وتولید مصنوعی مهم بشمار می روند.
-3-3 منبع ترکیب : آیا به طریقه میکروبی تولید شده است؟
تعدادي ازمحصولات دریایی بیولوژیکی با پتانسیل دارویی درمیکروارگانیزمهاي هتروتروپیک جدا شده ازرسوبات
ساحلی شناسایی شده اند .(Fenical, 1993 ; Kobayashi & Ishibashi ,1993; Davidson , 1995)
بعلاوه برخی ازاین محصولات دریایی که از ماکروارگانیزمها مانند اسفنجها گرفته شده اند، به صورت تجمعهاي
میکروبی کشف شده اند . (Bewley et al.,1996 ) اگر این میکروارگانیزمهاي همزیست را بتوان جداسازي وکشت کرد، اپتیمم کردن تولید در بیوراکتورهاي میکروبی دریایی، می تواند به یک راه صنعتی وعملی منجرشود.
یکی از مثالهایی که کاربرد بازرگانی کشت میکروبی فوتواوتروپیک و هتروتروپیک بعضی از مشکلات بیومهندسی را نشان می دهد، تولید فوتواتوتروپیک اسیدهاي چرب پلی اشباع نشده در مقیاس بزرگ جهت استفاده به عنوان منبع غذایی است که درتعدادي از مقالات به آن اشاره شده است. در صورتیکه منبع ترکیب، خود ماکروارگانیزم باشد، توسعه تولیدمصنوعی می تواند به حفظ ذخایر اصلی موجود زنده کمک کند. تحقیق درمورد تولیدمصنوعی متابولیتهاي اسفنجها درآزمایشگاهها منجر به کشت اولیه سلولهاي اسفنجی شده که به وسیله لکتینها(lectins)و سایر ترکیبات تنظیم کننده رشد تسریع می شوند تا تقسیم وادامه تولید ترکیبات بیواکتیو پس ازدوتایی شدن اتفاق بیفتد(.(Pomponi et al., 1997,1998 مهمتراینکه شناخت فرآیندهاي سلولی و ملکولی که تولید این متابولیتها را کنترل میکند میتواند براي اپتیمم کردن فرایند جریانات بیرونی/ کشت و تسریع تولیدترکیبات طبیعی"غیرمعمول" (موادیکه ارگانیزمها درشرایط نرمال تولید نمی کنند اما ممکن است از ترکیبات طبیعی آنها قویتر عمل کنند)، بکار گرفته شود. مشکلات زیادي وجود دارند که باید قبل از اینکه تولید مصنوعی بی مهرگان دریایی بصورت یک راهکار جهت تولید حجیم محصولات بیولوژیکی درآید برآنها غلبه نمود. نشان داده شده که در مقیاس آزمایشگاهی تولیدات متابولیسم هاي بیواکتیو توسط یاخته هاي بی مهرگان دریایی امکان رپذیی م باشد.
