نانو و کشاورزی

نانوتكنولوژی به عنوان یك فناوری قدرتمند، توانایی ایجاد تحول در سیستم كشاورزی و صنایع غذایی آمریكا و سر تاسر دنیا را دارد. نمونه هایی از كاربردها و پتانسیلهای بالقوه نانوتكنولوژی در كشاورزی و صنایع غذایی، شامل سیستم های جدید آزاد كننده دارو برای درمان بیماریها، ابزارهای جدید بیولوژی سلولی و مولكولی، امنیت زیستی و تضمین سلامتی محصولات كشاورزی و غذایی و تولید مواد جدید مورد استفاده برای شناسایی عوامل بیماریزا و حمایت از محیط زیست می باشد.

تحقیقات اخیر، امكان استفاده از نانوشلها و نانوتیوپها را در سیستمهای جانوری برای تخریب سلولهای هدف، به روشنی ثابت نموده است. امروزه از نانوپارتیكل ها كه اجرام بسیار كوچكتر از حد میكرون هستند، برای رها سازی داروها و یا ژنها به داخل سلولها استفاده می كنند و مورد انتظار است كه این تكنولوژیها در ۱۰ الی ۱۵ سال آتی مورد بهره برداری كامل قرار گیرد. با روند رو به رشد تحقیقات اخیر، این پیش بینی منطقی است كه در دهه آینده، صنعت نانوتكنولوژی با توسعه بی نظیر خود، منجر به ایجاد انقلاب عظیم در بخش پزشكی و بهداشت و همچنین تولیدات دارویی دام و آبزیان گردد.

تصور امكان تزریق نانوپارتیكها 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 بازكرده است.

● مقدمه:
نانوتكنولوژی به عنوان یك فناوری قدرتمند نوین، توانایی ایجاد انقلاب و تحولات عظیم را در سیستم تامین مواد غذایی و كشاورزی ایالت متحده آمریكا و در گستره جهانی دارد. نانوتكنولوژی قادر است كه ابزارهای جدیدی را برای استفاده در بیولوژی مولكولی و سلولی و همچنین تولید مواد جدیدی، برای شناسایی اجرام بیماری زا معرفی نماید و بنابراین چندین دیدگاه مختلف در نانوتكنولوژی وجود دارد كه می تواند در علوم كشاورزی و صنایع غذایی، كاربرد داشته باشد.
به عنوان مثال امنیت زیستی تولیدات كشاورزی و مواد غذایی، سیستمهای آزاد كننده دارو بر علیه بیماریهای شایع، حفظ سلامتی و حمایت از محیط زیست از جمله كاربردهای این علم می باشد.

● علم نانوتكنولوژی چیست؟
انجمن ملی نوبنیاد نانوتكنولوژی كه یك نهاد دولتی در كشور امریكا می باشد ، واژه نانوتكنولوژی را چنین توصیف می كند: "تحقیق و توسعه هدفمند، برای درك و دستكاری و اندازه گیریها مورد نیاز در سطح موادی با ابعاد در حد اتم"، مولكول و سوپرمولكولها را نانوتكنولوژی می گویند. این مفهوم با واحدهایی از یك تا صد نانومتر، همبستگی دارد. دراین مقیاس خصوصیات فیزیكی، بیولوژیكی و شیمیایی مواد تفاوت اساسی با یكدیگر دارند و غالبا اعمال غیر قابل انتظار از آنها مشاهده می شود. در سیستم كشاورزی امروزی، اگردامی مبتلا به یك بیماری خاص شود، می توان چند روز و حتی چند هفته یا چند ماه قبل علائم نامحسوس بیماری را شناسایی كنند و قبل از انتشار و مرگ و میر كل گله، دامدار را برای اخذ تصمیمات مدیریتی و پیشگیری كننده آگاه كند و بنابراین می توان نسبت به مقابله با آن بیماری اقدام نماید.
نانوتكنولوژی به موضوعاتی در مقیاس هم اندازه با ویروسها و سایر عوامل بیماری زا می پردازد و بنابراین پتانسیل بالایی را برای شناسایی و ریشه كنی عوامل بیماری زا دارد. نانوتكنولوژی امكان استفاده از سیستمهای آزاد كننده داروئی را كه بتواند به طور طولانی مدت فعال باقی بماند، فراهم می كند.
به عنوان مثال استفاده از سیستمهای آزاد كننده دارو، می توان به ایمپلنتهای ابداع شده مینیاتوری در حیوان اشاره كرد كه نمونه های بزاقی را به طور مستمر كنترل می كنند 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 كننده دارو معینی را برای درمان موثر توصیه كنند. طراحی سیستمهای آزاد كننده مواد دارویی، یك آرزوی و رویای همیشگی محققان برای سیستمهای رها كننده داروها، مواد مغذی و پروبیوتیكها بوده و می باشد.
نانوتكنولوژی به عنوان یك فناوری قدرتمند به ما اجازه می دهد كه نگرشی در سطح مولكولی و اتمی داشته و قادر باشیم كه ساختارهایی در ابعاد نانومتر را بیافرینیم.
برای تعیین و شناسایی بسیار جزئی آلودگیهای شیمیایی، ویروسی یا باكتریایی در كشاورزی و صنایع غذایی معمولا از روشهای بیولوژیكی، فیزیكی و شیمیایی استفاده می گیرد. در روشهای اخیر نانوتكنولوژی برای استفاده توام این روشها، یك سنسور در مقیاس نانو طراحی كرده اند در این سیستم جدید، مواد حاصل از متابولیسم و رشد باكتریها با این سنسورها تعیین می گردد.
سطوح انتخابی بیولوژیكی، محیطی هایی هستند كه عمده واكنشهای و فعل و انفعالات بیولوژیكی و شیمیایی در آن محیط انجام می شود.
چنین سطوحی همچنین توانایی افزایش یا كاهش قدرت اتصال ارگانیزمها و ملكولهای ویژه را دارد. از جنبه های كاریردی استفاده از این سطوح، طراحی سنسورها، كاتالیستها، و توانایی جداسازی یا خالص سازی مخلوطهای بیومولكولها می باشد. نانومولكولها موادی هستند كه اخیرا از طریق نانوتكنولوژی به دست آمده اند و یا در طبیعت موجودند و بوسیله این ساختارها، امكان دستكاریهای درسطح نانو و تنظیم و كاتالیز واكنشهای شیمیایی وجود دارد. نانو مواد از اجزای با سایز بسیار ریز تشكیل شده اند و اجزا تشكیل دهنده چنین ساختارهایی بر خواص مواد حاصل در سطح ماكرو تاثیر می گذارد.
ساختارهای كروی توخالی (buckey balls ) كه با نام دیگر فلورن هم شناخته شده اند، مجموعه از اتمهای كربن متحدالشكل به صورت كروی هستند كه در چنین ساختاری هر اتم كربن به سه اتم كربن مجاورش متصل شده. دانشمندان اكنون به خوبی می دانند كه چگونه یك چنین ساختاری را به وجود آورند و كاربردهای بیولوژیكی آن امروزه كاملا شناخته شده است. از جمله كاربردهای چنین ساختارهایی برای رها سازی دارو یا مواد رادیواكتیو در محلهای مبتلا به عوامل بیماریزا می باشد.
ایده استفاده از۶۰ اتم كربن به جای ۸۰ اتم، ساختارهای توخالی را برای آزاد سازی دارو فراهم می كند. هدف از این كار در نهایت رسیدن به گروهای قابل انحلال پپتیدها در آب می باشد كه نتیجتا این مولكولها به جریان خون راه پیدا می كنند. نانوتیوپها ساختارهای توخالی دیگری هستند كه از دو طرف باز شده اند و گروههای اتمی دیگری به آنها اضافه شده اند و یك ساختار شش گوشه را تشكیل می دهند. نانوتیوپها می توانند به عنوان یك ورقه گرافیت در نظر گرفته شوند كه به دور یك لوله پیچیده شده اند.
كاربرد پلی مرهای سنتزی در داروسازی پیشرفتهای چشمگیری داشته است. سبكی، نداشتن آثار جانبی و امكان شكل دهی پلی مرها، كاربرد آنها را در زمینه پزشكی و دامپزشكی افزایش داده است. در روشهای دارورسانی مدرن، فرآورده شكل دارویی موثر خود را با یك روند مشخص شده قبلی برای مدت زمان معلوم بطور سیستماتیك به عضو هدف آزاد می كند. پلیمرها نه تنها به عنوان منابع ذخیره دارو و غشا و ماتریكس های نگهدارنده عمل می كنند بلكه می توانند سرعت انحلال آزاد سازی و تعادل دفع و جذب آزاد را در بدن كنترل كنند.
دندریمر(پلی مر) یك طبقه جدید از مولكولهای سه بعدی مصنوعی هستند كه از مسیر و راه نانوسنتزی به دست آمده اند كه این دندریمرها از توالیها و شاخه ای تكراری حاصل آمده اند. ساختار چنین تركبیباتی از یك درجه بالای تقارن برخوردار است.
نقاط كوانتومی، كریستالهایی در مقیاس نانومتری هستند كه اساسا در اواسط ۱۹۸۰ برای كاربردهای اپتوالكترونیك به كاربرده شدند. آنها در طی سنتز شیمیایی در مقیاس نانو ایجاد می شوند و از صدها یا هزاران اتم در نهایت یك ماده نیمه هادی معدنی تشكیل شده اند كه این ماده به اتمها خاصیت فلورنس می دهد. وقتی یك نقطه كوانتومی با یك پرتو نور برانگیخته می شود آنها دوباره نور را منتشر می كنند. میزان یك طیف نشری متقارن باریك مستقیم به اندازه كریستال بستگی دارد.
این بدان معنی است كه اجرام كوانتومی می توانند به خوبی برای انتشار نور در طول موجهای مختلف طراحی شوند. نانوشلها یك نوع جدید از نانوذرات كه از هسته دی الكتریك مانند سیلیكا تشكیل شده اند كه با یك لایه فلزی فوق العاده نازك(به عنوان مثال طلا) پوشش داده شده اند. نانوشلهای طلا، دارای خواص فیزیكی مشابه به آنهایی هستند كه از كلوئیدها 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 كه ملكولهای 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 كه این ساختارها قادرند فقط تومورهای موجود را تحت تاثیر قرار دهند و سلولهای مجاور تومور دست نخورده باقی می ماند. از طریق حرارتی كه به طور انتخابی در سلولهای توموری ایجاد می كند منجر به از بین بردن این سلولها می شود.
● كاربردهای نانوتكنولوژی در علوم دامی
سلامتی دامهای اهلی از جمله مسائلی است كه با اقتصاد دامداریها در ارتباط می باشد. یك دامپزشك می نویسد كه "علم نانوتكنولوژی توانایی و پتانسیل بالقوه ای بر روی رهیافتهای آتی دامپزشكی و درمان دامهای اهلی خواهد داشت". تامین اقلام غذایی برای دامهای اهلی همواره با افزایش هزینه و نیاز به مراقبتهای خاص دامپزشكی و تجویز دارو و واكسن همراه بوده است و نانوتكنولوژی توانایی ارائه راهكارهای مناسب برای حل این معضلات را دارد.
● سیستمهای سنتیتیك آزاد كننده مواد داروئی
امروزه مصرف آنتی بیوتیكها، واكسنها، پروبیوتیكها و عمده داروها از طریق وارد كردن آنها از راه غذا یا آب دامها و یا از راه تزریق عضلانی صورت می گیرد. رها سازی یك مرحله ای دارو در برابر یك میكروارگانیزم علارغم تاثیرات درمانی و اثرات بازدارنده پیشرفت یك 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 متابولیكی را دارا می باشد. سیستمهای سنتتیك رها سازی دارو می تواند خواص چند جانبه برای حذف موانع بیولوژیكی در افزایش بازده درمانی داروی مورد استفاده و رسیدن آن به بافت هدف داشته باشد كه از جمله این خواص می توان به موارد ذیل اشاره كرد.
۱) تنظیم زمانی مناسب برای آزاد سازی دارو
۲) قابلیت خود تنظیمی
۳) توانایی برنامه ریزی قبلی
بنابراین در آینده نزدیك پیشرفتهای بیشتر تكنولوژی امكانات زیر را فراهم می كند:
▪ توسعه سیستمهای سنتیتیك رها سازی داروها،پروبیوتیكها، مواد مغذی
▪ افزایش سرعت شناسایی علائم بیماری و كاربرد روشهای درمانی سریع
▪ توسعه سیستمهای رها سازی اسیدهای نوكلئیك و مولكولهای DNA
▪ كاربرد نانومولكولها در تولید واكسنهای دامی
● تشخیص بیماری و درمان دامها
تصور امكان تزریق نانوپارتیكها 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 بازكرده است. محققان دانشگاه رایس مراحل مقدماتی كاربرد نانوشلها را برای تزریق به جریان خون ارزیابی كردند.
این ذرات نانو به گیرنده های غشاسلولهای سرطانی متصل می شوند و با ایجاد امواج مادون قرمز باعث بالا رفتن دمای سلولهای مذكور به ۵۵ درجه و تركیدن و از بین رفتن تومورهای موجود می گردند. همچنین نانوپارتیكهایی كه از اكسیدهای آهن ساخته می شوند، با ایجاد امواج مگنتیك در محل استقرار سلولهای سرطانی باعث از بین بردن این سلولها می شوند. یكی از اساسی ترین محورهای تحقیقاتی كنونی، توسعه سیستمهای رها سازی DNA غیرزنده، با بازدهی مناسب و با حداقل هزینه و عوارض جانبی و سمی می باشد، كه در ژن درمانی مورد استفاده قرار می گیرند.
● اصلاح نژاد دام
مدیریت تلاقی و زمان مناسب جفتگیری دامها، از جمله مواردی است كه در مزارع پرورش گاوشیرده به هزینه و زمان طولانی نیاز دارد. از راهكارهایی كه اخیر مورد استفاده قرار گرفته است، استفاده از نانوتیوپها خاص در داخل پوست می باشد كه زمان واقعی پیك هورمون استروژن و وقوع فحلی را دار دامها نشان می دهد و لذا با علائمی كه سنسورهای موجود به دستگاه مونیتور می فرستد، زمان دقیق و واقعی تلقیح را به دامدار نشان می دهد.كانون دانش

 

الف) توليد سموم و کودهاي شيميايي: با استفاده از نانوذرات و نانوکپسول‌ها مي‌توان کودهايي با رهايش کنترل‌شده يا تأخيري توليد نمود. همچنين جذب کودها و سم‌هايي که با اين ابعاد توليد مي‌گردند، راحت‌تر شده و نسبت به سموم رايج تأثير بيشتري دارند.

علاوه بر آن مي‌توان سموم زيست‌سازگار ايجاد کرده و از آلودگي محيط زيست پرهيز نمود.

ب) صنايع غذايي:

•  توليد وسايل آزمايشگاهي قابل حمل (نانوحسگرها، بيوحسگرها)

•  تشخيص اسيدهاي نوکلئيک و يا متابوليت‌هاي کنترل کيفي و ايمني مواد غذايي مانند تشخيص عوامل بيماري‌زا در مواد غذايي

•  استفاده از پروتئين‌ها در ترکيب با ساير مواد معدني به منظور ايجاد وسايل و مواد جديد.

•  استفاده از سيستم‌هاي نانوفيلتراسيون در صنايع غذايي به منظور عبور انتخابي مواد براساس شکل و اندازه.

•  نانوکپسوله‌کردن عطرها و طعم‌هاي مختلف در مواد غذايي به منظور کنترل رهاسازي عطرها و طعم‌ها در غذا.

•  بسته‌بندي: مواد بسته‌بندي مي‌توانند در ساختارهايي مانند بطري‌هاي نوشابه به کار روند و خصوصياتي نظير استحکام به آنها ببخشند. ويژگي‌هاي ديگري نيز نظير شفافيت مواد بسته‌بندي (که اجازه ديدن محصولات داخل بسته‌بندي را مي‌دهد) و افزايش نفوذناپذيري گازها در مواد بسته‌بندي (که محتويات داخل بسته را دربرابر هوا يا گازهاي بي‌اثر محافظت مي‌کند) دو ويژگي هستند که ارمغان پرکننده‌هاي نانوذره‌اي سيليکات هستند. پرکننده‌هاي نانوذره‌اي سيليکات مورد استفاده در مواد بسته‌بندي که اکنون در بازار عرضه مي‌شوند، به خصوص در نوع Aegis شرکت Honeywell در فيلم‌هاي شفاف بسته‌بندي غذاها استفاده مي‌‌شوند، و در بطري‌هاي نوشابه به‌عنوان يک لايه حايل مورد توجه هستند.

•  استفاده از فناوري DNA نوترکيب، جهت توليد پروتئين‌هاي جديد با خواص ويژه که در طبيعت وجود ندارند.

•  توليد نانوکامپوزيت‌هاي بيوپليمري از نشاسته جهت کاربردهاي غذايي و صنعتي.

ح) با توليد سيستم‌هاي آناليز قابل حمل، نظارت لحظه‌به لحظه سلامتي يک گياه،‌ تجويز استفاده از يک کود يا احتمال بروز يک آفت امکان‌پذير مي‌گردد.

د) ايجاد گلخانه‌هاي کم‌هزينه‌تر با صرفه‌جويي در مصرف انرژي و دوام بيشتر اسکلت در برابر رطوبت.

ه) علوم دامي

•  پايش سلامت حيوان (با استفاده نانوحسگرها، نانوبيوحسگرها)

•  شتاب تحقيقاتي در اصلاح نژاد انواع دام و طيور و آبزيان مؤثر

•  توليد خوراک‌هاي غيربيولوژيک دامي

•  توليد داروهاي دامي

و) نانوبيوتکنولوژي:

بيوتکنولوژي، استفاده از ساختارهاي زنده در کاربردهاي مختلف است. ولي نانوبيوتکنولوژي، استفاده از قابليت‌هاي نانوتکنولوژي در کاربردهاي زيستي است. نانوبيوتکنولوژي به ما اجازه مي‌دهد تا اجزاء و ترکيبات را داخل سلول‌ها قرار داده و مواد جديدي را با استفاده از روش‌هاي جديد خودآرايي، بسازيم. در روش خودآرايي، براي سرهم‌کردن اجزاء، نياز به روبات يا ابزار ديگري نيست.

ايجاد ساختارهاي برمبناي DNA در مهندسي ژنتيک و بيوتکنولوژي،‌ ايجاد تحول و انقلاب جديد در اين علوم خواهد بود. تحقيقات گسترده و سرمايه‌گذاري‌هاي جهاني در ساخت سيستم‌ها،‌ فرآيندها يا فرآورده‌هاي زير، نشان‌دهنده رويکرد جديد محققين علوم و صنايع زيستي، صاحبان سرمايه و دولت‌هاي مختلف به نانوبيوتکنولوژي است.

•  ساخت سيستم‌هايي به منظور دارورساني

•  بيوسنسورهايي به منظور آزمايشگاه‌هاي طراحي‌شده روي يک تراشه بسيار کوچک

•  ساخت ابزارهاي نانومتري برپايه DNA

تحقيقات نشان مي‌دهد که استفاده از ابزارها و سيستم‌هاي نانوساختاري مي‌تواند فرآيند آزمايشگاهي کنوني توالي ژن‌ها و تشخيص حالت ژن را بسيار کارآمد کرده و قطعاً تشخيص ساختار ژنتيک فردي، روش‌هاي شناسايي و درمان بيماري‌ها را دچار انقلاب خواهد کرد.

باتوجه به اهميت رشته‌هاي DNA در ژنتيک مولکولي و بيوتکنولوژي و با عنايت به اينکه DNA يک ساختار بسيار مهم و مناسب براي کاربردهاي نانوتکنولوژي است، تحقيقات زيادي در مورد ايجاد اشکال پيوندي با استفاده از مولکول‌هاي DNA شاخه‌دار و پايدار انجام شده است.

با استفاده از اين فناوري نوين، امكان تغيير و دستکاري در ژن‌هاي گياهان و حيوانات فراهم شده و درنتيجه گياهاني توليد خواهند شد که نسبت به آفات، ويروس‌ها، باکتري‌ها، قارچ‌ها و علف‌کش‌ها مقاوم شده و از اين طريق کنترل بهينة آفات و علف‌هاي هرز موجب کاهش مصرف سموم و آفت‌کش‌ها مي‌گردند، که اين همه گامي در جهت پايداري در کشاورزي و حفظ و حراست از محيط زيست مي‌باشد.

نتيجه‌گيري

مباحث جمعيت، غذا، بهداشت و ايمني چالش‌هاي جدي هستند که به موضوع روز مجامع علمي، سياسي و اقتصادي دنيا تبديل شده‌اند. بنابراين بايستي به سوي ترويج فناوري‌هايي حرکت کنيم که قابليت توليد گياهان، دام‌ها و بطور کلي موجوداتي با ويژگي‌هاي برتر را داشته باشند.

بايد بتوان دام‌ها را به شيوه‌اي دقيق و کيفي در مقابل بيماري‌هاي مهلک ايمن کنيم و درنهايت بايد بتوان امنيت غذايي و به تبع آن امنيت اقتصادي و اجتماعي را در کشور بنا نهاد. امروزه توليد فرآورده‌هاي جديد مثل پلاستيک‌هاي تجزيه‌شونده، آنزيم‌هاي صنعتي و غيره به روش‌هاي "سازگار با محيط زيست"، کشاورزي را سودآورتر و مفيدتر كرده است زيرا به شيوه‌هاي جديد و سودمند مي‌توان گياهان را با ويژگي‌هاي فوق توليد نمود. نانوتکنولوژي به‌عنوان انقلاب صنعتي آينده، در حال تغيير وضعيت کنوني جهان است و تأثيرات آن به‌عنوان رشته‌اي که حيات موجودات زنده را دگرگون مي‌کند، از اهميت ويژه‌اي برخوردار است. به نظر مي‌رسد دانشمندان، سياستمداران و مردم هر کشور بايد براي بررسي فرصت‌ها و تهديدهاي نانوتکنولوژي مطالعه کنند تا بتوانند با تحليل صحيح از انقلاب آيندة جهان، مسائلي که پيرامون فرصت‌ها و تهديدهاي آن بوجود خواهد آمد را درک نمايند. باتوجه به اين که پاره‌اي از کشورها در مسير انقلاب صنعتي نانوتکنولوژي قرار گرفته‌اند، و براي استفاده از نتايج و منافع آن آماده مي‌‌شوند، ما نيز بايستي ناگزير در اين زمينه به تحقيقات بپردازيم.

منبع: ستاد ويژه توسعه فناوری نانو (با حذف بعضی قسمتهای مقاله اصلي)