آشنایی با بیوتكنولوژی دریایی

قسمت اول

علیرغم وجود مزایای نسبی در زمینة بیوتكنولوژی در كشور، برخی از حوزه‌های مهم این تكنولوژی، مانند بیوتكنولوژی دریایی، كمتر مورد توجه قرار گرفته‌است. در این مطلب، تعاریف و كاربردهای "بیوتكنولوژی دریایی" ارایه شده‌اند.

اهمیت بیوتكنولوژی دریایی

دریا بستر بسیار مناسبی جهت تحقیق و توسعه است؛ اما تاكنون همة پتانسیل آن شناخته نشده است. در حقیقت، بخش اعظمی از موجودات دریایی (به‌خصوص میكروارگانیزم‌های اولیه) هنوز ناشناخته باقی مانده‌اند كه به‌تدریج در حال شناسایی هستند. حتی در مورد موجودات زندة شناخته‌شده نیز دانش كافی جهت مدیریت كارا و بهره‌برداری بهینه از آنها وجود ندارد. این همه، اهیمت بیوتكنولوژی دریایی را روشن می‌سازند.

توجه به موجودات زنده دریایی به دو دلیل مهم است:

1- موجودات زنده دریایی، بخش اعظمی از ذخایر زیستی كره زمین را تشكیل می‌دهند. از آنجاكه حیات از دریاها و اقیانوس‌ها سرچشمه گرفته است، لذا بخش اعظمی از موجودات نخستین و منحصر به‌فرد در دریاها زندگی می‌كنند. بنابراین، دریاها منبع عظیم ذخایر ژنتیكی به‌شمار می‌روند.

2- اغلب موجودات دریایی، ساختارها، مسیرهای متابولیكی، سیستم‌های تكثیر (تولید مثل) و مكانیزم‌های احساسی و دفاعی منحصر به‌فردی دارند كه بشر می‌تواند از آنها استفاده نماید. علت بروز این ویژگی‌های منحصر به‌فرد، زندگی در طیف وسیعی از شرایط محیطی است (از آب‌های سرد قطبی كه دمای آنها تا 20- سانتی‌گراد می‌رسد، تا اعماق اقیانوس‌ها كه میزان فشار در آنجا بسیار زیاد است).

تنوع بیولوژیكی و انواع مختلف مواد شیمیایی موجود در دریاها، از زمان‌های گذشته تاكنون منبع تولید تركیبات شیمیایی- صنعتی مختلفی بوده‌اند كه از آن‌جمله می‌توان مواد دارویی، مواد آرایشی، افزودنی‌های غذایی، كاوشگرهای مولكولی، آنزیم‌ها، مواد شیمیایی خاص و مواد شیمیایی مورد استفاده در كشاورزی را نام برد. تاكنون هزاران فرآورده با استفاده از منابع دریایی تولید شده‌اند كه فقط به بخش كوچكی از تنوع بیولوژیكی و شیمیایی دریاها مربوط می‌شوند. برخی از این فرآورده‌ها هم‌اكنون وارد بازار مصرف شده‌اند و بازاری چند میلیارد دلاری را به‌خود اختصاص داده‌اند.

عواید حاصل از بیوتكنولوژی دریایی

بیوتكنولوژی دریایی یكی از حوزه‌های در حال رشد است كه با كمك آن، از موجوداتی مانند ماهی، جلبك و یا باكتری‌ها به‌طور مستقیم و غیرمستقیم استفاده می‌شود. مهمترین فواید بیوتكنولوژی دریایی به شرح زیر است:

1- تولید فرآورده‌های جدید و اصلاح‌شده

2- فراهم آوردن تكنیك‌های جدید جهت ردیابی، ارزیابی، ذخیره، حفاظت و مدیریت اكوسیستم‌های دریایی

3- شیلات و پرورش آبزیان (Aquaculture) به صورت پایدار و مطمئن

در ذیل هر یك از این موارد با تفصیل مورد بررسی می‌گیرند:

1- تولید فرآورده‌های جدید و اصلاح شده

با توجه به پتانسیل بالای موجود در دریا و تنوع موجودات آبزی، تاكنون محصولات فراوانی از آنها استحصال شده است. مانند مواد دارویی، آنزیم‌ها، مواد مولكولی بیولوژیك، كیت‌های تشخیصی، آفت‌كش‌های زیستی، تولید بیوماس جهت تولید انرژی و غیره.

اكثر این فرآورده‌ها، مانند تركیبات هالوژنه (تركیبات برم وید) هستند و نمی‌توان مشابه آن را از موجودات خشكی‌زی به‌دست آورد. علاوه بر این، میكروارگانیزم‌های دریایی، منبع غنی از ژن‌های جدیدی هستند كه می‌توان از آنها برای تولید داروها و فرآورده‌های بیولوژیك جدید و دسترسی به اهداف دیگر مانند مانیتورینگ استفاده كرد. در ذیل، برخی از این فرآورده‌ها مورد بررسی قرار گرفته‌اند:

1-1- مواد دارویی و آرایشی

برخی از مواد دارویی و آرایشی كه از موجودات دریایی همچون باكتری‌ها، بی‌مهرگان و جلبك‌ها استخراج می‌شوند عبارتند از: داروهای ضدحساسیت (سودوپتروسین‌ها، تاپسنتین‌ها، سایتونمین، مانوآلید)، داروهای ضدسرطان (برایوستانین‌ها، دیسكودرمولاید، الیوتروبین و ساركودیكتین)، آنتی‌بیوتیك‌ها (مارینون) و ملانین‌ها كه طیفی از رنگ‌ها هستند كه در ساخت صفحات خورشیدی و لنزهای چشمی به‌كار می‌روند.

علاوه بر این‌، فرآورده‌های دیگری نیز از موجودات دریایی به دست می‌آیند: مثلاً قارچ‌كش‌ها و آنتی‌بیوتیك‌هایی كه به مرور در بدن آزاد می‌شوند؛ افزودنی‌های غذایی مانند پپتیدهای آنتی‌اكسیدان كه از ماهیچه میگو جداسازی شده‌اند؛ پیش‌مادة اسیدآمینه میكوسپورین (MAA) و دزوكسی‌گادوسول كه از جلبك‌های دریایی استخراج می‌شوند. از این مواد به‌عنوان افزودنی‌های غذایی و همچنین برای ساخت مواد آرایشی استفاده می‌شود. همچنین، از نوعی خرچنگ (Horseshoe Crab)، ماده‌ای را استخراج كرده‌اند كه با لیپوپلی‌ساكاریدهای (LPS) باكتری‌های گرم منفی، واكنش می‌دهد و می‌‌تواند در تشخیص عفونت‌های اولیه در انسان و به‌عنوان ردیاب LPS (پیروژن‌ها)، در فرآورده‌های بیوتكنولوژیك عمل كند.

جداول 1 ، برخی از فرآورده‌های استخراج شده از موجودات دریایی را كه در مقیاس تجاری تولید می‌شوند، نشان می‌دهد:

جدول1 برخی فرآورده های زیستی دریایی که به صورت تجاری تولید شده اند

1-2- مواد مركب، پلیمرهای زیستی و آنزیم‌های صنعتی

اغلب این مواد از جلبك‌ها و باكتری‌های دریایی استخراج می‌شوند كه به تفكیك مورد بررسی قرار می‌گیرند:

1-2-1- جلبك‌ها

بیش از دو هزار سال است كه از جلبك‌های دریایی، هم به‌عنوان غذای جانبی بشر و هم در پزشكی، استفاده می‌شود. این جلبك‌ها كه در اعماق دریاها (تا عمق 250 متری) رشد می‌كنند، به 12 گروه و 30 كلاس مختلف طبقه‌بندی می‌شوند.

جلبك‌ها از رنگدانه‌های فتوسنتزی مختلفی استفاده می‌كنند كه بر این اساس، به سه گروه قهوه‌ای، سبز و قرمز تقسیم می‌شوند. البته جلبك‌های سبز- آبی نیز وجود دارند كه در حال حاضر تحت عنوان باكتری‌های سبز- آبی شناخته می‌شوند و در واقع مرز بین جلبك و باكتری به شمار می‌روند. تنوع بیولوژیكی موجود در جلبك‌ها، امكان تولید طیف وسیعی از فرآورد‌ه‌های بیولوژیك را فراهم می‌آورد كه برخی از آنها در حال حاضر در مقیاس وسیع تولید می‌شوند. به‌عنوان مثال، پلی‌ساكاریدهای حاصل از جلبك‌های قرمز (كاراجینن‌ها و آگارها) و جلبك‌های قهوه‌ای (الجین‌ها)، در حال حاضر به‌عنوان عوامل ژلی‌كننده و قوام‌دهنده در صنایع غذایی، در تهیه لوازم آرایشی و حتی مصالح ساختمانی مورد استفاده قرار می‌گیرند. مثال‌های زیر مواردی از كاربرد جلبك‌‌ها را نشان می‌دهد.

الف) استفاده از جلبك‌های دریایی به‌عنوان غذای جایگزین در آبزی‌پروری برای تغذیة توتیای دریایی، آبالون (نوعی صدف دریایی) و ماهی: این جلبك‌ها حاوی كمی پروتئین، تمامی اسید آمینه ضروری، ویتامین‌ها، مواد معدنی، اسیدهای چرب غیراشباع با چند پیوند دوگانه (PUFAs) مانند آراشیدونیك اسید(AA)، ایكوساپنتئنویك اسید (EPA) و دوكوسوهگزائینویك اسید(DHA) هستند و به‌عنوان غذای مكمل در رژیم غذایی در آبزی‌پروری مورد استفاده قرار می‌گیرند.

ب) مصارف انسانی: به‌دلیل غنی‌بودن جلبك‌ها از مواد معدنی و ویتامین‌ها، این موجودات قرن‌ها به‌عنوان غذایی سالم در رژیم غذایی انسان و یا برای مصارف دارویی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. برای مثال، در دهة گذشته مشخص شد كه تركیباتی همچون لامینارین (Laminarin) و فوكوایدان‌ها (Fucoidan) می‌توانند به‌عنوان داروی ضد تومور، محافظ بدن در برابر تشعشعات خطرناك، كاهش سطح كلسترول خون، كمك به بهبود زخم‌ها، ضد حساسیت، تعدیل‌كننده سیستم ایمنی، افزایش مقاومت در برابر باكتری‌ها و ویروس‌ها و عفونت‌‌های پارازیتی (مثلاً جلوگیری از عفونت‌های پس از جراحی) و جلوگیری از عفونت‌های فرصت‌طلب در افراد مبتلا به ایدز عمل نمایند. همچنین، متابولیت‌های ثانویه استخراج شده از جلبك‌ها (مانند تركیبات هالوژنه)، مواد امیدبخشی جهت مبارزه با باكتری‌ها و ویروس‌ها هستند.

از موارد كاربرد مواد استخراج شده از جلبك‌ها می‌توان به عصاره‌های برگرفته از برخی جلبك‌های قرمز اشاره كرد كه در درمان عوارض ناشی از جایگزینی استخوان و كاهش cellulite (تشكیل غده چربی در زیر پوست كه از رشد تعداد زیادی سلول چربی بوجود می‌آید و به شكل یك پنیر مشبك است و باعث جدا شدن پوست از لایه‌های زیرین می‌شود) به‌كار می‌روند.

همچنین محققان ژاپنی، روش‌های خاصی را برای تغییر یك جلبك دریایی به‌منظور تولید مقادیر بیشتر آنزیم سوپراكسید دیسموتاز ابداع كرده‌اند. این آنزیم كاربرد زیادی در پزشكی، تولید مواد آرایشی و غذایی دارد.

ج) مصارف صنعتی: هالوپرواكسیدازها از تركیبات مهمی هستند كه از جلبك‌های دریایی به دست می‌آیند و واكنش‌ هالوژنه‌شدن متابولیت‌ها را كاتالیز می‌كنند. از آنجایی‌كه هالوژنه شدن، فرآیند مهمی در صنایع شیمیایی محسوب می‌شود، این تركیبات، فرآورده‌های با ارزشی به شمار می‌آیند.

سایر مصارف بیوتكنولوژیك جلبك‌های دریایی عبارتند از: صنایع غذایی، پزشكی و بهداشت، داروسازی، بهداشت دندان، سیستم‌های درك، سنسورهای زیستی، بیوانرژی و پاكسازی زیستی.

1-2-2- باكتری‌ها

علاوه بر جلبك‌ها، باكتری‌های دریایی نیز منبع با ارزشی برای تولید مواد شیمیایی و آنزیم‌های مختلف محسوب می‌شوند. از جمله فرآورده‌های حاصل از این باكتری‌ها، آنزیم‌های صنعتی هستند. آنزیم‌هایی كه از این باكتری‌ها، به دست می‌آیند، به دلیل دارا بودن خصوصیات ویژه بسیار مهم و با ارزش هستند. به‌عنوان مثال، برخی از این آنزیم‌ها در برابر غلظت بالای نمك مقاوم هستند و می‌توانند در فرآیندهای صنعتی خاصی مورد استفاده قرار گیرند. پروتئازهای خاصی از این باكتری‌ها استحصال می‌شوند كه در شوینده‌ها و پاك‌كننده‌های صنعتی و غیره كاربرد دارند. از جمله باكتری‌های تولیدكننده این پروتئازهای خارج‌سلولی، می‌توان به گونه‌های جنس Vibrio اشاره كرد؛ به‌عنوان نمونه، ویبریو آلژینولیتیكوس (Vibrio alginolyticus) شش پروتئاز تولید می‌كند كه یكی از آن‌ها با نام اگزوپروتئاز سرین‌آلكالین نسبت به شوینده‌ها مقاوم است. همچنین این باكتری‌ دریایی، آنزیم كلاژناز نیز تولید می‌كند كه مصارف صنعتی و تجاری مختلفی دارد كه از آن جمله می‌توان به جداسازی سلول‌ها از یكدیگر، در مطالعات كشت بافت اشاره كرد. گروه دیگری از میكروارگانیزم‌های دریایی خاص كه از آنها در جهت تولید آنزیم‌های خاص استفاده شده است، آركئو‌باكتری‌های هایپرترموفیلیك (باكتری‌های باستانی) هستند. این باكتری‌ها می‌توانند در درجه حرارت‌های بیش از 100 درجه سانتیگراد رشد كنند، بنابراین باید دارای سیستم‌های آنزیمی خاصی باشند كه در این درجه حرارت بالا، فعال باقی بمانند. محیط‌ زندگی این باكتری‌ها، چشمه‌های آب گرم، دستگاه گوارش حیوانات، لوله‌های هیدروترمال، محیط‌های شور مانند دریاچه‌های نمك و غیره است. برخی از فرآورده‌های آنزیمی استخراج شده از باكتری‌های مقاوم به درجه حرارت كه در حال حاضر نیز به‌صورت تجاری درآمده‌اند، عبارتند از: پلیمرهای مقاوم به گرما، لیگازها و آندونوكلئازهای برشی.

اولین محصول آنزیمی حاصل از آركئو‌باكتری‌ها، DNA پلیمراز مقاوم به حرارت بود كه از باكتری‌ Thermus aquaticus و از چشمه‌های آب گرم پارك ملی Yellow Stone در آمریكا استخراج شد. این آنزیم، نقشی اصلی را در واكنش زنجیره‌ای پلیمراز (PCR) بازی می‌كند. این DNA پلیمراز، در سال 1989 از سوی مجله ساینس (Science) به‌عنوان مولكول سال، انتخاب گردید.

1-3- مواد مولكولی بیولوژیك

تحقیقات جدید نشان داده‌اند كه فرآیندهای بیوشیمیایی دریایی می‌توانند جهت تولید مواد زیستی جدید مورد استفاده قرار گیرند. برای مثال، شركتی در شیكاگو، گروه خاصی از پلیمرهایی را كه به‌طور طبیعی قابل تجزیه هستند و مشكلات زیست‌محیطی كمتری به‌همراه دارند، به بازار عرضه كرده است. این مواد در ماتریس‌های آلی پوسته نرم‌تنان (حلزون) یافت می‌شوند.

همچنین مواد زیستی دریایی جهت رفع گندیدگی‌های زیستی كه مسئله‌ای بغرنج و پرهزینه است، به‌كار می‌روند؛ تشكیل كلونی‌های باكتریایی و میكروبی همراه با لارو بی‌مهرگان و اسپور جلبك‌ها بر سطوح، منجر به تشكیل یك لایة لجنی سخت می‌شود كه اغلب باعث اختلال در خطوط لوله انتقال، خوردگی سطوح فلزات و غیره می‌شوند و برای رفع آن نیاز به صرف هزینه زیادی است. از مواد زیستی دریایی برای زدودن این لایه می‌توان استفاده كرد.

همچنین مكانیزم‌های مورد استفاده توسط دیاتومه‌های دریایی، كوكولیتوفوریدها، نرم‌تنان و دیگر بی‌مهرگان دریایی، جهت ایجاد ساختارهای معدنی پیچیده در مقیاس نانو، مورد توجه قرار گرفته‌اند. لازم به‌ذكر است كه ساختارهای نانو، دارای خصوصیات ویژه‌ای نسبت به ساختارهای بزرگتر هستند. نتایج تحقیقات در زمینة ساخت و طراحی بیوسرامیك‌هایی كه با درك مكانیزم‌های بكاررفته توسط موجودات فوق، حاصل شده است، امیدهای زیادی را در زمینة ساخت اجزای كاشتنی در پزشكی، اجزای حركتی خودكار، وسایل الكترونیكی، پوشش‌های حفاظتی و دیگر فرآورده‌های نوین به‌وجود آورده است.

1-4- ردیاب‌های زیستی

موجودات دریایی، مدل‌های مناسبی را جهت توسعة حسگرهای زیستی، ردیا‌ب‌های زیستی، كیت‌های تشخیص طبی، آبزی‌پروری و ردیابی محیطی به‌وجود آورده‌اند. نوعی از این حسگرهای زیستی، آنزیم‌های درگیر در بیولومینسانس هستند. ژن‌های lux كه كدكنندة این آنزیم‌ها هستند، از باكتری‌های دریایی همچون ویبریو فیشری (Vibiro fischeri ) جدا شده و به طیفی از گیاهان و باكتری‌های دیگر انتقال داده شده‌اند. ژن‌های lux در یك توالی ژنی یا اپرون درج می‌شوند و تنها زمانی عمل می‌كنند كه در یك شرایط محیطی تعریف شده قرار گیرند. مثلاً اگر این ژن در اپرون درگیر در تجزیة تولوئن درج شود، هنگامی كه این باكتری‌های مهندسی شده، در محیط‌ حاوی تولوئن قرار می‌گیرند، به‌صورت زرد-سبز (Yellow-Green) دیده می‌شوند و این بدان مفهوم است كه باكتری، در حال تجزیه‌كردن تولوئن است. از این خاصیت می‌توان جهت ردیابی این مواد استفاده كرد.

نوع دیگری از ردیاب‌های زیستی كه امید زیادی را در محققین به‌وجود آورده است، ژن كاوشگر است كه می‌تواند جهت شناسایی موجودات مفید و یا مضر به‌كار رود. به‌عنوان مثال، برای شناسایی پاتوژن‌های انسانی موجود در غذاهای دریایی، آب‌های بازیافت شده، شناسایی پاتوژن‌های ماهی درسیستم‌های آبزی‌پروری، تشخیص میكروارگانیزم‌هایی كه قادر به تغییر مواد شیمیایی به شكل مناسبی هستند (تجزیه مواد شیمیایی سمی، آسیمیلاسیون CO2 ، احیاء فلزات)، ردیابی گروه‌های خاصی از ماهی در زمان مهاجرت از مكانی به مكان دیگر و مطالعات دیگر، از ژن‌های كاوشگر استفاده می‌شود. از جمله ژن‌های كاوشگر، ژن GFP (نوعی پروتئین فلوروسنس) است كه برای اولین بار در چتر دریایی (Aequorea Victoria) شناسایی شد. در حال حاضر، این ژن به‌طور گسترده و به‌عنوان یك مولكول فلوروسنت حساس (TAG)، جهت شناسایی و تعیین محل پروتئین‌های خاص در یك سلول، در دسته‌ای از سلول‌ها و در یك بافت خاص برای بررسی بیان ژن در سیستم‌های مختلف به‌كار می‌رود.

1-5- آفت‌كش‌های زیستی

فرآورده‌های طبیعی دریایی، پتانسیل جایگزینی با آفت‌كش‌های شیمیایی و دیگر نهاده‌های مورد استفاده در كشاورزی را دارند. Padad TM نمونه‌ای از آفت‌كش‌های زیستی دریایی است كه از سم یك كرم كه به‌عنوان طعمه در ماهی‌گیری استفاده می‌شود، ساخته شده است. بررسی‌ها نشان داده این آفت‌كش طبیعی در مبارزه با لارو ساقه‌خوار برنج، پروانه برگخوار مركبات و چند آفت دیگر، به‌خوبی می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد. اخیراً نیز محققین در مونتانا، تركیبات جدیدی را از میكروارگانیزم‌های همزیست با جلبك‌ها و اسفنج‌های دریایی جداسازی كرده‌اند. این تركیبات محرك رشد هستند؛ جوانه‌زنی را تحریك می‌كنند و باعث افزایش طول ریشه و كلئوپتیل در گیاهان می‌شوند. گونه‌هایی از اسفنج‌ها، ترپن‌ها را تولید می‌كنند كه از تركیبات آروماتیك مورد استفاده در حلال‌ها و عطرها محسوب می‌شوند. عصاره‌های برگرفته از همین اسفنج‌ها، دارای خاصیت حشره‌كشی برعلیه دو گونه حشره هستند.

1-6- تولید انرژی با استفاده از بیوماس دریایی

تقریباً 40درصد از كل انرژی اولیه یا فتوسنتز، در دریاها ایجاد می‌شود. در این فرآیند، موجودات فتوسنتزكننده (فیتوپلانكتون‌ها، جلبك‌ها و گیاهان دریایی) دی‌اكسیدكربن را جذب و با استفاده از انرژی نورانی خورشید به كربن آلی (قندهای اولیه) و اكسیژن تبدیل می‌كنند. میزان دی‌اكسیدكربن اقیانوس‌ها 50 برابر میزان دی‌اكسیدكربن موجود در اتمسفر است و برآورد شده كه سالانه حدود 35 گیگاتن كربن به بیوماس دریایی تبدیل می‌شود. اما تاكنون از این منبع عظیم سوخت به‌صورت تجاری برای تأمین انرژی، استفاده نشده است. علت اصلی این موضوع، مقرون به صرفه نبودن آن در مقایسه با سایر فرآورده‌های خشكی است. البته می‌توان با بهره‌گیری از روش‌های مبتنی بر بیوتكنولوژی، نسبت به تولید بیشتر بیوماس و همچنین استفاده ارزان‌تر از آن اقدام نمود. این عمل می‌تواند از طرق زیر صورت گیرد:

- تغییر ساختار مولكولی آنزیم Rubisco (این آنزیم در تثبیت CO2 و تبدیل آن به قندها نقش مهمی دارد)

- اصلاح تركیب شیمیایی بیوماس به‌منظور بهره‌برداری بهتر و استفاده از بیوماس جهت كاربردهای نوین. به‌عنوان مثال، مهندسی میكروجلبك‌های دریایی جهت تولید لیپید بیشتر، با هدف فراهم آوردن منبعی از سوخت‌های جایگزین كه از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه‌تر از منابع سنتی باشد.

- تبدیل بیوماس به اتانول و دیگر اشكال جایگزین انرژی و استوك‌های غذایی شیمیایی

منبع:itan.ir