فهرست مطالب
بیوسورفکتانت‌ها مولکول‌های فعال سطحی هستند که در سطح سلول‌های میکروبی تولید شده و یا به بیرون از این سلول‌ها ترشح می‌شوند؛ در واقع این مواد در سلول‌های میکروبی به صورت داخل سلولی و نیز خارج سلولی، قابلیت تولید شدن دارند. بیوسورفکتانت‌ها دارای منشاء زیستی بوده و عملکرد مهم و کلیدی این مواد در کاهش دادن کشش سطحی است.
به طور معمول، بیوسورفکتانت‌ها برای کاهش دادن کشش سطحی در فصل مشترک بین دو فاز که معمولا فصل مشترک بین آب- هوا و نیز آب- روغن (به عنوان مثال در موارد نشت نفت به داخل آب) است، عملکرد بسیار امیدوار کننده‌ای را به نمایش می‌گذارند؛ اندازه‌گیری‌های صورت گرفته در خصوص استفاده از بیوسورفکتانت‌ها در فصل مشترک بین آب و هوا، کاهش 50 درصدی کشش سطحی را نشان می‌دهد که چنین کاهشی می‌تواند بسیار امیدوارکننده باشد.
این مواد به لحاظ ساختاری و شیمیایی، بسیار متنوع هستند و به طور گسترده در پاکسازی آلودگی‌های نفتی، تولید شوینده‌ها، امولوسیون کننده‌های مواد غذایی، عوامل و مواد ضد قارچی، آنتی‌بیوتیک‌ها و نیز صنایع فرآوری مواد معدنی کاربرد دارند. اما چه مزایایی باعث شده تا استفاده از این زیست مولکول‌ها نسبت به مواد مشابهی که به صورت شیمیایی تولید می‌شوند (سورفکتانت‌های تولید شده به روش مصنوعی)، برتری داشته باشد؟
زیست تخریب پذیری بهتر، سمیت و تاکسیسیتی بسیار پایین، فعال ماندن در گستره‌ی دماهای اکستریم و شرایط شوری و نیز تحمل محدوده PH وسیع‌تر، همه و همه ویژگی‌هایی هستند که بیوسورفکتانت‌ها را به گزینه‌های بسیار مناسبی برای جایگزینی با سورفکتانت‌های تولید شده به روش مصنوعی، تبدیل می‌کند.
همچنین پاکسازی آلودگی‌های نفتی و تجزیه‌ی زیستی نفت، از دیگر زمینه‌های کاربرد بیوسورفکتانت‌هاست که عملکرد آن‌ها در جهت افزایش برهم‌کنش‌های بین میکروب‌ها و نفت است.
مروری بر ساختار بیوسورفکتانت
بیوسورفکتانت، مولکولی آمفی‌پاتیک بوده که دارای بخش‌های هیدروفوبیک (آب‌گریز) و هم بخش‌های هیدروفیلیک (آب‌دوست) می‌باشد. قطعات آب‌دوست ساختار این مولکول، از جنس کربوهیدرات، پپتیدهای قطبی و نیز اسیدها هستند؛ درحالیکه، ماهیت بخش آب‌گریز ساختار این مولکول‌ها، اغلب لیپیدی است.
انواع مختلف بیوسورفکتانت
بیوسورفکتانت‌ها در 5 گروه، دسته بندی می‌شوند:
- گلیکولیپیدها: این دسته خود شامل مواردی از جمله رامنولیپیدها (rhamnolipids)، ترهالولیپیدها (trehalolipids) و سوفورولیپیدها (sophorolipids) می‌باشد.
- لیپوپپتیدها (lipopeptides) و لیپوپروتئین‌ها (lipoproteins)
- فسفولیپیدها (phospholipids)
- کمپلکس‌های پروتئین- پلی‌ساکارید (protein-polysaccharid complexes)
- وزیکول‌های غشایی (membranous vesicles)
از میان گروه‌هایی که ذکر شد، بیشترین مطالعات انجام شده در خصوص گلیکولیپیدهاست که رامنولیپیدها رایج‌ترین انواع از آن‌ها در نظر گرفته می‌شوند؛ این گروه از بیوسورفکتانت‌ها، فعالیت سطحی و بیولوژیکی بسیار خوبی داشته و به همین علت به طور گسترده در صنایع مختلف از جمله نفت، کشاورزی، مواد آرایشی و بهداشتی، داروسازی، مواد غذایی و نیز زیست‌پالایی نفت استفاده می‌شوند. رامنولیپیدها، با ایجاد حلالیت در هیدروکربن‌های نفت به تخریب شدن آن‌ها و تسهیل زیست‌پالایی نفت کمک می‌کنند.
بیوسورفکتانت‌ها چگونه تولید می‌شوند؟
همانطور که پیش‌تر نیز ذکر شد، این مولکول‌ها به صورت خارج سلولی و یا داخل سلولی تولید می‌شوند. پس از تولید این مواد به بیرون سلول ترشح شده و یا به صورت متصل به سطح سلول (adhesion to cell) حضور خواهند داشت. مهم‌ترین عملکرد فیزیولوژیکی این مواد، فراهم کردن شرایط رشد سلول‌های میکروبی روی بسترهای نامحلول از طریق کاهش کشش سطحی بین فازهاست؛ این عمل از طریق در دسترس قرار دادن قطعه‌ی هیدروفوبیک برای افزایش جذب و بهبود بخشیدن انجام متابولیسم صورت می‌گیرد.
تولید بیوسورفکتانت‌ها به روش‌های مختلفی صورت می‌گیرد اما آن‌چه که قصد داریم تا در این مقاله مورد بررسی قرار دهیم، تولید این مواد به روش مهندسی ژنتیک و تولید DNA نوترکیب است. مهندسی ژنتیک امکان تولید این مولکول‌های زیستی ارزشمند را به مطمئن‌ترین شکل ممکن فراهم می‌کند. در ادامه به بررسی این روش می‌پردازیم.
تولید بیوسورفکتانت با استفاده از مهندسی ژنتیک
استفاده از مهندسی ژنتیک و فناوری DNA نوترکیب برای تولید بیوسورفکتانت‌ها، به علت پتانسیل و اهمیت این مواد در فرآیندهای صنعتی، در سال‌های اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در واقع، مهندسی ژنتیک امکان ایجاد میکروارگانیسم‌های جدید برای بهبود و افزایش کارایی و تولید بیوسورفکتانت‌ها را با استفاده از تکنولوژی DNA نوترکیب فراهم می‌کند.
بهبود سویه‌های میکروبی از طریق دست‌ورزی ژنتیکی، نه تنها به تولید بیشتر محصول مورد نظر با هزینه‌ی کمتر کمک می‌کند، بلکه زیست مولکول‌هایی با کارایی بهتر و بالاتر را در اختیار ما قرار می‌دهد. بیوسورفکتانت‌های تولید شده با این تکنیک، قادر به تحمل شرایط محیطی اکستریم، حضور نمک و همچنین PHهای مختلف نیز هستند.
بررسی‌های انجام شده روی سویه‌های میکروبی دست‌ورزی شده نشان می‌دهد که تولید بیوسورفکتانت در این سویه‌ها نسبت به سویه‌ی والد (سویه‌ی اولیه بدون دست‌ورزی) دو برابر بیشتر است. در واقع، بدون دست‌ورزی ژنتیکی تیتر پایین تولید این مواد باعث ایجاد محدودیت در به کار گیری تجاری این مواد باارزش شده است؛ با این‌حال، اخیرا سویه‌هایی که مسیرهای متابولیکی آن‌ها مورد مهندسی قرار گرفته، افزایش بازدهی تولید سورفکتین را به میزان 42 درصد نشان داده‌اند.
چنین داده‌هایی، برای تولید و استفاده‌ی گسترده‌تر این مواد در مقیاس صنعتی بسیار امیدوار کننده است.
ارگانیسم‌های تولید کننده‌ی بیوسورفکتانت
میکروارگانیسم‌های متنوعی از جمله باکتری‌ها، مخمرها و قارچ‌های رشته‌ای در تولید بیوسورفکتانت‌ها نقش دارند. این ارگانیسم‌ها عمدتا هوازی هستند و با در دسترس داشتن منابع کربن و حضور در محیط آبی قادر به تولید بیوسورفکتانت هستند. سودوموناس آئروژینوزا (Pseudomonas aeruginosa)، باسیلوس سوبتیلیس (Bacillus subtilis) و گونه‌های مختلف کاندیدا (Candida sp.) از مهم‌ترین و پرکاربردترین میکروارگانیسم‌های مطالعه شده در تولید بیوسورفکتانت و به ویژه رامنولیپیدها هستند.
در این میان، سویه‌های باکتری سودوموناس آئروژینوزا متداول‌ترین میکروارگانیسم‌هایی هستند که برای تولید بیوسورفکتانت و به ویژه رامنولیپیدها مورد مطالعه و استفاده قرار می‌گیرند؛ اما یکی از مشکلات استفاده از این باکتری، پاتوژنسیتی و بیماری‌زایی آن است که باعث ایجاد نگرانی در خصوص ایمنی و بهداشت استفاده از این سویه‌ها به هنگام تولید در مقیاس صنعتی و نیز در زمان استفاده از محصولات آن‌ها شده‌است.
از این‌رو، تلاش شده تا با استفاده از مهندسی ژنتیک، سویه‌هایی طراحی و تولید شوند که غیرپاتوژن بوده و همانطور که پیش‌تر نیز ذکر شد، پتانسیل تولید میزان بالاتری از بیوسورفکتانت مورد نظر را نیز داشته باشند. باکتری E. coli دست‌ورزی شده نیز از دیگر میکروارگانیسم‌های شناخته شده‌ای است که می‌تواند در تولید بیوسورفکتانت به روش مهندسی ژنتیک به کار گرفته شود.
کاربرد بیوسورفکتانت
جایگاه این مواد در صنایع مختلف بسیار حائز اهمیت است؛ در ادامه به بررسی تعدادی از مهم‌ترین کاربردهای بیوسورفکتانت‌ها در صنایع مختلف می‌پردازیم:
صنعت نفت
یکی از تهدیداتی که می‌تواند محیط زیست و اکوسیستم را به خطر بیندازد، نشت آلودگی‌های نفتی به آب و خاک است. بیوسورفکتانت‌ها قادرند با افزایش پراکندگی مواد آلاینده، به تسریع روند حذف این آلاینده‌ها توسط میکروارگانیسم‌ها کمک کنند؛ علاوه‌بر نقش این مواد در زیست‌پالایی، بیوسورفکتانت‌های تولید شده توسط میکروارگانیسم‌ها در استخراج، اکتشاف نفت خام، ذخیره‌سازی و نیز پاکسازی کشتی‌های آلوده نیز کاربرد دارند.
سوفورولیپیدها، رامنولیپیدها و لیپوپپتیدها پرکاربردترین بیوسورفکتانت‌های مورد استفاده در صنعت نفت هستند.
صنایع دارویی
خواص ضدمیکروبی، ضد چسبندگی (anti-adhesive) و نیز عوامل بازدارنده‌ی آنزیمی بیوسورفکتانت‌ها، باعث ورود این مواد به صنایع دارویی شده است. این مواد همچنین، دارای فعالیت و عملکرد ضدویروسی و ضدتوموری هستند که امکان طراحی داروها برای درمان و نیز پیشگیری از این بیماری‌ها و عفونت‌ها را فراهم می‌کنند. از دیگر کاربردهای این مولکول‌ها در صنایع دارویی می‌توان به مقابله با خاصیت چسبندگی میکروارگانیسم‌های پاتوژن نیز اشاره کرد.
سوفورولیپیدها، رامنولیپیدها و لیپوپپتیدها در صنایع دارویی نیز همانند صنایع نفتی، بسیار مورد توجه بوده و کاربرد گسترده‌تری نسبت به سایر انواع بیوسورفکتانت دارند.
صنایع آرایشی و بهداشتی
جدیدترین تلاش‌های صورت گرفته در حوزه‌ی صنایع آرایشی و بهداشتی، معطوف به طراحی و تولید محصولات با استفاده از مواد طبیعی، فعال و تجدیدپذیر است. مواد طبیعی استفاده شده، علاوه‌بر عملکرد و تاثیرات بهتر برای مصرف کننده، زیست تخریب‌پذیر بوده و به محیط زیست آسیب نمی‌زنند.
سورفکتانت‌های شیمیایی که در گذشته در مواد آرایشی و بهداشتی مورد استفاده قرار می‌گرفت، دارای عوارضی از جمله ایجاد حساسیت در چشم و پوست، ریزش مو و نیز تحریک ایجاد واکنش‌های آلرژیک در مصرف کننده بودند؛ اما سورفکتانت‌های تولید شده توسط میکروارگانیسم‌ها به علت اینکه مولکول‌هایی با منشاء زیستی هستند، چنین عوارضی ندارد. Sophorolipids ،mannosylerythritol lipids rhamnolipids و lipopeptides از جمله بیوسورفکتانت‌هایی هستند که در صنایع آرایشی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
نانوتکنولوژی
کاربرد سورفکتانت‌های تولید شده توسط میکروارگانیسم‌ها در زمینه‌ی نانوتکنولوژی، عمدتا به تولید نانوذرات (nanoparticles) منعطف می‌شود که به علت توانایی این زیست‌مولکول‌ها در عمل به عنوان عوامل کاهش دهنده و هم به عنوان عوامل پایدارکننده می‌باشد. رامنولیپیدها و لیپوپپتیدها، پرکاربردترین موارد در این زمینه هستند.
نویسنده: ستاره سنگری
منابع:
