فناوری نانو یکی از دست یافتهای ارزشمند بشری است که ارائه راه حلهای متنوع و نوآورانه را برای بسیاری از چالشهای زندگی بشر تحقیق میکند. نانوفناوری قابلیت مشاهده، دست کاری و مهندسی در مقیاس اتمی و مولکولی است. بر این اساس میتوان خصوصیات مطلوب یک ماده را چندیدن برابر نمود و خصوصیات غیرمطلوب را حذف کرد؛ لذا محصول نهایی بدست آمده با این روش دارای خصوصیاتی منحصر به فرد و کارآیی بالا است. همچنین بسیاری از ساختارهایی که با فناوری نانو ارائه میشوند، میتوانند خصوصیات منحصر بفردی را نمایان سازند که تاکنون در طبیعت وجود نداشته است. امروزه فناوری نانو در کنار فناوریهای اطلاعات، زیستی و شناختی، منجر به ایجاد قابلیت همافزایی[1] و یکپارچگی[2] سیستم ها و یا محصولات میگردد که به طور متحد و واحد در سیستم عمل میکنند و به آن همگرایی گویند. بهرهگیری از فناوری همگرا[3] میتواند، راهگشای بسیاری از نیازهای جوامع بشری باشد.
- حسگر
حسگر در حقیقت، ابزار و یا مادهای است که بتوان با آن یک یا چند پدیده فیزیکی یا شیمیایی خاص را بر اساس ایجاد یک سیگنال ویژه تشخیص داد. در حسگرهای شیمیایی معمولا میتوان به حضور و یا عدم حضور یک گونه (که با نام تخصصی آنالیت [4] شناخته میشود) و یا به غلظت (مقدار) آن پی برد. در این مورد، یا حسگر به صورت کیفی (تشخیص نوع ماده و حضور یا عدم حضور آن)، و یا به صورت کمی(تشخیص مقدار ماده مورد نظر و دوز آن) مورد استفاده قرار میگیرد. برخی حسگرها بسیار حساس هستند و میتوانند تا مقادیر بسیار پایین از مواد را تشخیص دهند. همچنین برخی قابلیت اندازه گیری همزمان چندین عامل شیمیایی را با دقت بالا دارا میباشند.
- اهمیت حسگرها برپایه نانوفناوری و فناوریهای همگرا در تشخیص DNA و ژنها
امروزه تجزیه و تحلیل توالی DNA و RNA اطاعات بسیار مفیدی را ارئه میدهد و از جهات مختلفی مورد اهمیت میباشد. روشهای موجود، بر تحلیل کامل جزئیات توالی ژن تکیه میکند و باعث میگردد که فرایند بسیار وقت گیر و پیچیده باشد. همگرایی فناوری نانو و زیست فناوری در ساخت حسگرها، این امکان را میدهند که در ابعاد دستگاهی کوچکتر، با سرعت و حساسیت بسیار بالایی فرایند تجزیه و تحلیل توالیها امکان پذیر گردد.
با استفاده از نانو زیست حسگرها به عنوان یک فناوری همگرا جهت تجزیه و تحلیل توالی DNA و RNA میتوان امکانات ذیل را فراهم نمود:
- تشخیص دقیق سرطان را در زمان کمی انجام داد و یا احتمال خطر سرطان در برخی افراد را پیش بینی کرد.
- ژنهای معیوب را در دوران جنینی تشخیص داد و احتمال تولد نوزادان با مشکلات ژنتیکی را کاهش داد.
- بسیاری از میکروبها و ویروسهای مضر را با دقت بالا و در زمان کوتاهی شناسایی کرد.
- در زمان کوتاهی، DNA مربوط به آثار به جا مانده در جُرم و جنایت مورد ارزیابی قرار گیرد.
- در صنعت کشاورزی، بهترین و با کیفیتترین محصولات توسط افراد معمولی و کشاورزان تشخیص داده شود.
- نانوحسگرهای تشخیص دهنده DNA و ژنهای معیوب
اساس عملکرد نانو حسگرهای تشخیص دهنده ژن بسیار متنوع میباشد و میتواند مبتنی بر الکتروشیمیایی، فلوئورسنت[5]، تشدید پلاسمون سطحی[6]، توالی یابی نانو حفره[7]، سیستم میکرو الکترومکانیکی[8] باشد. همچنین برای تشخیص و شناسایی DNA و ژنها نیاز به تکثیر آنها میباشد. دستگاههایی که روشهای تکثیر مثل واکنش زنجیره پلیمراز[9] (PCR) و تکثیر هم دما حلقه واسط[10] (LAMP) را انجام میدهند را میتوان با استفاده از فناوری نانو در ابعاد کوچک و قابل حمل تولید کرد.
مواد فلوئورسانس کننده:
فوئورسانس پدیدهای است که باعث میشود برخی از اجسام، وقتی نور روی آنها میتابد، بدرخشند. رنگ نورِ تابانده شده به جسم با رنگ نوری که از جسم بازتاب میشود، همیشه تفاوت دارد. در بیشتر روشهای شناسایی، معمولا از مواد فوئورسانس کننده در تراشه[11]های تشخیصی ژنها و DNAها استفاده میشود. امروزه نقاط کوانتومی[12] به عنوان ماده فلوئورسانس کننده مورد توجه واقع شده است. نقاط کوانتومی، نانو بلورهایی از جنس مواد نیمه هادی هستند که اگر با یک منبع نور مانند لیز تحریک شوند، میدرخشند و یا نور فلوئورسنت از خود ساطع میکنند. نقاط کوانتومی حالت خاموش و روشن خواهند داشت و هنگام تشکیل توالی DNA هدف و یا اتصال توالی هدف به مکان مد نظر، میتوانند پاسخهای متفاوتی از فلوئورسنت را ایجاد نمایند. این قابلیت منجر به شناسایی سریع توالی مورد نظر خواهد شد (شکل 1).
شکل 1: تشخیص DNA مد نظر با استفاده از نقاط کوانتومی [1].
توالی یابی نانو حفره:
در توالی یابی نانو حفره، DNA عبوری قابل شناسایی میباشد. این حفرهها معمولا از پروتئینهای حفره ای تشکیل شده اند که به صورت اختصاصی عمل میکنند. عملکرد توالی یابی نانو حفره معمولا بر دو مکانیسم استوار است. در برخی، توالی DNA به صورت گزینش پذیر اجازه عبور دارند و در برخی دیگر سرعت عبور DNAهای مختلف متفاوت خواهد بود. بر اساس این مکانیسمها، تشخیص توالی DNA امکان پذیر میباشد. توالی یابی نانو حفره روشی مناسب برای شناسایی ژنهای معیوب معرفی شده است (شکل 2).
شکل 2: توالی یابی نانوحفره جهت تشخیص بخش آسیب دیده DNA [2].
- بازار نانو حسگرهای تشخیص DNA و ژنها به عنوان محصولات فناوریهای همگرا
با توجه به بحث اهمیت تشخیص و ارزیابی DNA، RNA و ژنها در مباحث پزشکی، قضایی و صنعت کشاورزی و دامپروری، بازار امیدوار کنندهای برای نانوحسگرهای این صنعت پیش بینی میشود. بر اساس گزارش موسسه NanoMarkets، هر چند که در حال حاضر بازار بالقوهای برای نانوحسگرهای مورد استفاده جهت تشخیص ژنهای معیوب وجود دارد، اما انتظار میرود که رشد اصلی این بازار از سال 2019 با میزان 64/3 میلیون دلار شکوفا شود و به 19/8 میلیون دلار در سال 2021 برسد (شکل 3) [3].
شکل 3: بازار نانو حسگرهای تشخیص دهنده ژنهای معیوب بر حسب میلیون دلار [3].
- شرکتهای فعال در زمینه نانو حسگرهای تشخیص دهنده DNA و ژنها
امروزه شرکت های بسیاری در زمینه ادغام فناوری نانو، فناوری زیستی و فناوری الکترونیک جهت تولید نانو حسگرهای تشخیص DNA به عنوان یک محصول همگرا فعالیت می کنند. شرکت Ahram Biosystem دستگاه واکنش زنجیره پلیمراز (PCR) قابل حمل را به مرحله تولید رسانده است که با باتری کار میکند و میتواند به راحتی انواع ژنها و DNAها را در زمان کوتاهی تکثیر کند تا بتوان در جهت آنالیز DNA مورد استفاده قرار گیرد (شکل4 ) [4]. شرکت Nanopore که در زمینه تولید نانوحسگرهای بر پایه نانوحفره فعالیت میکند، با ایجاد همگرایی در فناوری نانو و فناوری اطلاعات، نانوحسگری قابل حمل با نام تجاری MinION را وارد بازار کرده است که میتواند DNAهای آسیب دیده را شناسایی کند و از طریق اتصال به کامپیوتر دادهها را نمایش دهد (شکل 5) [5].
شکل 4: دستگاه PCR قابل حمل ساخت شرکت Ahram Biosystem
شکل 5: نانوحسگر شناسایی ژنهای معیوب ساخت شرکت Nanopore
شرکت BioNano Genomics در زمینه تهیه نقشه ژنوم فعالیت دارد، دستگاههای متنوعی بر پایه فناوری همگرا جهت آزمایشگاههای ژنتیک به مرحله تولید رسانده است. یکی از محصولات این شرکت تراشههای تشخیص DNA میباشد که با نام تجاری IrysChip وارد بازار شده است. این تراشهها دارای میکرو و نانو کانالهای[13] متعددی برای جداسازی DNA هستند (شکل 6) [6].
شکل 6: تراشه تشخیص ژن ساخت BioNano Genomics
شرکت Veredus Laboratories که در زمینه سیستمهای تشخیص ژن فعالیت میکند، تراشه سیلیکونی با نام تجاری VereChip را وارد بازار کرده است که در حقیقت از ترکیب همگرای سیستم میکرو الکترو مکانیکی ( نوعی حسگر نانویی که نسبت به تغییرات مختلف مثل وزن، دما و یا فشار سیگنال تولید میکند.) و میکروسیال[14] ساخته شده است تا به صورت خودکار، تلفیق مراحل تکثیر DNA چند شاخه[15] و شناسایی ریزآرایهها[16] امکان پذیر گردد (شکل 7) [7].
شکل 7: تراشه تشخیص و آنالیز DNA محصول شرکت Veredus Laboratories
شرکت Affymetrix در در زمینه تولید مواد شیمیایی و کیتهای شناسایی مورد استفاده در آزمایشگاههای ژنتیک و زیست شناسی فعالیت میکند. تراشه ای با نام تجاری GeneChip وارد بازار کرده است که میتواند توالیهای DNA را به سرعت تعیین نماید. عملکرد این تراشه بدین صورت است که توالیهای عامل دار شده با نقاط کوانتومی، در جایگاه مناسب برروی توالی کوپل میشوند و در نهایت فلوئورسانس حاصل شده روی صفحه توسط دستگاه آنالیز میگردد (شکل 8) [8]. شرکت Toray نیز تراشهای با نام تجاری 3D-Gene وارد بازار کرده است که با استفاده از miRNAهای عامل دار شده به نقاط کوانتومی جهت تشخیص ریزآرایههای DNA به کار میرود [9].
شکل 8: استفاده از نقاط کوانتومی و ریز تراشه برای توالییابی ژن، ساخت شرکت Affymetrix
هرچند در ایران برخی از دانشگاهها به مطالعه و تحقیق بر روی نانوحسگرهای DNA و ژنهای معیوب پرداخته اند اما نتیجه این تحقیقات تاکنون وارد بازار فناوری نشده است.
- جمع بندی
به دلیل کاربرد گسترده شناسایی توالی DNA و ژنها در زمینه پزشکی، محیط زیست و صنعت، حسگرهای تشخیصی در این زمینه از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است. کاهش هزینهها و زمان پاسخدهی از مهمترین دلایلی است که شرکتهای تولید کننده محصولات شناسایی ژن و DNA را به سمت تولید نانو حسگرها بر پایه فناوری همگرا هدایت میکند. با استفاده از نانو حسگرها این امکان وجود خواهد داشت که به راحتی توالیهای DNA خوانده شوند و ژنهای معیوب شناسایی شوند. ساده سازی آنالیز و ارزیابی ژنها شرایط ایده آلتری برای پژوهش محققان میسر میکند. به نظر میرسد بازار این نوع از حسگرها در آینده بسیار مورد توجه واقع گردد.
—————————————
- منابع
- Integrated Biomolecule–Quantum Dot Hybrid Systems for Bioanalytical Applications, I.Willner, J. Phys. Chem. Lett. V:2 (2011) P: 2667–2677.
- http://archive.unews.utah.edu/news_releases/utah-chemists-use-nanopores-to-detect-dna-damage/
- NanoMarkets Report, Nanosensor Markets 2014, Nano-701.
- http://www.ahrambio.com/products_palmpcr_technology.html
- https://nanoporetech.com/
- http://www.bionanogenomics.com/
- http://vereduslabs.com/
- http://www.affymetrix.com/
- http://www.3d-gene.com/
—————————————————————————–
پانوشت:
[1] Synergism
[2] Integrity
[3] Converging Technologies
[4] Analyte
[5] Fluorescent
[6] surface plasmon resonance
[7] Nanopore sequencing
[8] Micro-Electro-Mechanical-Systems
[9] polymerase chain reaction
[10] Loop-mediated isothermal amplification
[11] Chip
[12] Quantum dots
[13] Micro/ Nano Channels
[14] micro-fluidics
[15] multiplexed DNA amplification
[16] microarray
———————————————————————
تهیه و تنظیم:
- احسان فریدی، محسن سروری، صابر زارع
بخش ترویج صنعتی ستاد توسعه فناوری های نانو و میکرو
====================================================================================
[جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید]
[همچنین برای دانلود فایل PDF کلیه گزارشات بهمراه جزئیات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید]
====================================================================================
