مقدمه
هزاران سال است که انسانها از میکروارگانیسمها برای تهیه محصولاتی مانند نان، ماست و انواع نوشیدنی استفاده میکنند. مراحل توسعۀ زیستفناوری میکروبی سنتی در طول جنگ جهانی اول آغاز شد که منجر به تولید استون-بوتانول و گلیسرول به روش تخمیر گردید و به دنبال آن موادی مانند اسید سیتریک، ویتامینها و آنتیبیوتیکها تولید شدند. در اوایل دهه 1970، میکروبیولوژی صنعتی سنتی با زیستشناسی مولکولی ادغام شد تا بیش از 40 محصول زیستدارویی مانند اریتروپوئیتین، هورمون رشد انسانی و اینترفرونها تولید شوند. امروزه علم میکروبیولوژی یکی از مشارکتکنندگان اصلی در صنعت جهانی به ویژه در صنایع دارویی، غذایی و شیمیایی است (Demain, 2000).
زیستفناوری میکروبی به‌صورت «هر نوع کاربرد فنّاورانه از ارگانیسم‌های میکروبی (باکتریها، مخمرها، قارچ‌ها، جلبک‌ها و آرکیها) یا فرآوردههای آنها برای ساخت یا اصلاح محصولات یا فرآیندها»، تعریف میگردد (Okafor, 2007).
میتوان میکروارگانیسمها را به مقدار زیاد، به صورت ارزان و در مدت زمان کوتاه، با روشهای استاندارد کشت کرد. همچنین میتوان آنها را به راحتی اصلاح و باز طراحی نمود. بنابراین بخش عمدهای از تولیدات زیستی موجود در بازار توسط مهندسی ژنتیک با استفاده از روشهای مختلف نوترکیب، تولید میشوند (Alemu, 2012).
کاربردهای زیست فناوری میکروبی
- تولیدات دارویی
طیف وسیعی از مواد دارویی توسط منابع زیستی، ازجمله میکروارگانیسمها، تولید یا از آنها استخراج میگردد. بخش عمدهای از داروهای زیستی موجود در بازار با استفاده از روشهای دستورزی ژنتیکی و با ایجاد سیستم‌های مختلف نوترکیب در میکروارگانیسمها تولید میگردند.
- تولید آنزیم
آنزیمها کاتالیزورهای زیستی به شکل پروتئین هستند که توسط همه موجودات زنده تولید میشوند. در تولید آنزیمهای تجاری، قارچ‌ها و مخمرها حدود 50٪، باکتریها 25٪، حیوانات 8٪ و گیاهان 4٪ بهکار میروند. در تولید آنزیمها به روش زیستی میکروبها به گیاهان و حیوانات ترجیح داده میشوند زیرا آنها منابع ارزانقیمت با هزینۀ پایینِ تولید، دارای محتوای آنزیمی قابل پیشبینی و سازگار، دارای امکان سهولت اصلاح و بهینهسازی و همچنین تولید آنزیمهای نسبتاً پایدارتر هستند.
- مهندسی ژنتیک
به دلیل توانایی میکروارگانیسمها در متابولیسم بسترهای مختلف و بیان صفات مختلف ژنتیکی، به عنوان ابزار یا وسیله ای برای انجام برخی فرایندها بهکار میروند. از صفات ژنتیکی میکروبهای مختلف در تبادلات ژنتیکی، نوترکیبی و مهندسی استفاده میگردد و به عنوان حاملی برای ایجاد گیاهان و حیوانات تراریخته عمل میکنند. همچنین دستگاه‌های مبتنی بر سلول میکروبی به‌عنوان ابزار تشخیصی در حسگرهای زیستی و نانوتکنولوژی زیستی استفاده میگردند.
- کودهای زیستی
استفاده از کودهای شیمیایی در کوتاه‌مدت گران نیستند، اما باید به‌طور مداوم استفاده شوند بنابراین در استفادۀ طولانی‌مدت هزینهبر هستند و باعث آلودگی محیط زیست میگردند. ماده تلقیحی یا کشت میکروبی مناسب‌ترین نام برای کودهای زیستی است. کودهای زیستی کاملاً بی‌ضرر، عاری از آلودگی، کم‌هزینه و تجدید پذیر میباشند.
- سموم آفتکش زیستی
کنترل زیستی به‌عنوان ابزاری بالقوه مقرون‌به‌صرفه، ایمن و سازگار با محیط‌زیست برای کاهش جمعیت آفات در محصولات زراعی، جنگلی یا مراتع در نظر گرفته میشود. عوامل کنترل زیستی مؤثر هستند و غالباً به‌سرعت از بین میروند بنابراین هیچ پسماندی ندارند. سموم دفع آفات میکروبی از یک میکروارگانیسم طبیعی، به‌عنوان مثال، یک باکتری، قارچ، ویروس یا پروتوزوآ تشکیل می شوند.
- غذاهای تخمیر شده و نوشیدنی‌ها
استفاده از میکروارگانیسمها برای تولید غذاهای تخمیر شده و نوشیدنی‌ها سابقه بسیار طولانی دارند. چندین هزار سال است که از تخمیر به‌عنوان ابزاری مؤثر و کم‌هزینه برای حفظ کیفیت و سلامت مواد غذایی استفاده میشود. محدودیتهای عمدۀ فرآیندهای تخمیر خود به خودی شامل عدم کارایی، بازده کم محصول و کیفیت متغیر محصول است. در صنایع غذایی از مایه‌های تلقیحی میکروبی که حاوی غلظت بالایی از میکروارگانیسم‌های زنده هستند و از آنها به‌عنوان کشتهای اولیه یاد میشود، برای شروع و تسریع سرعت فرآیندهای تخمیر به‌صورت کنترل‌شده استفاده میگردد. زیست فناوری علاوه بر اینکه به منظور فرآوری زیستی مواد غذایی اعمال میشود، برای افزایش خواصی مانند طعم، عطر، ماندگاری، سلامت، بافت و ارزش غذایی مواد غذایی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
- زیست فناوری صنعتی
میکروارگانیسمها میتوانند به‌عنوان کارخانههای کارآمد برای تولید متابولیتهای مختلف در مقیاس صنعتی عمل کنند، که شامل تولید حلالهای آلی / الکلها و اسیدها، اسیدهای آمینه، ویتامینها، مواد افزودنی غذایی (مواد طعم‌دهنده، شیرین‌کننده‌ها) و موارد بسیار دیگری هستند. در صنایع شیمیایی، میتوان آنها را برای تبدیل ترکیبات آلی به آنالوگهای مفید و پیچیدهتر استفاده کرد.
- تولید سوخت زیستی
تولید سوخت زیستی بخشی از زیست فناوری «سفید» است. میکروبها مستقیماً از زیست‌توده سوخت تولید کرده و آن را به مواد شیمیایی تبدیل میکنند. سوختهای مفیدی که توسط میکروبها تولید میشوند شامل اتانول، متانول، متان، هیدروژن و هیدروکربن‌ها است. برای تولید میکروبی سوخت، از مواد زائد مانند فاضلاب و زباله‌های شهری به‌عنوان بستر تخمیر استفاده میگردد.
(زیستفناوری به اصطلاح «سفید» یک زمینۀ گسترده و در حال گسترش است که از آنزیمهای نوترکیب میکروبی به صورت متنوع در صنعت، تولید پلاستیکهای زیستی و زیست تخریب پذیر، سوختهای زیستی و همچنین تولید الیاف مصنوعی استفاده میگردد.)
- کاربردهای زیست‌محیطی زیستفناوری میکروبی
انواع ترکیبات آلی در دسترس میکروارگانیسمها هستند. تقریباً هر یک از این ترکیبات طبیعی بیشمار به‌عنوان منبع انرژی و / یا کربن توسط برخی از میکروارگانیسمها استفاده میشوند. قابلیت انعطاف‌پذیری متابولیکی جوامع میکروارگانیسمها که در طبیعت باعث میشود که در برخی از مناطق تحت عنوان زیستفناوری محیط‌زیست مورد بهرهبرداری قرار گیرند، مانند: بازیابی و گوگردزدایی میکروبی از زغال‌سنگ، تخریب پودر چوب و استفاده در صنعت نساجی. همچنین زدودن زبالهها و کاهش آلودگی، با استفاده از میکروارگانیسمها و گیاهان، به پالایش زیستی معروف است (Alemu, 2012 ;Demain, 2000).
- کاربردهای نوین زیستفناوری میکروبی
در سالهای اخیر، پیشرفتهای زیادی در زیستفناوری میکروبی حاصل شده که تأثیرات زیادی بر جوامع بشری ایجاد کرده است. توسعۀ روشهای سریع و مقرون بهصرفۀ مهندسی ژنتیک به همراه ابزارهای بیوانفورماتیک، دستگاهها و روشهای زیستشناسی مصنوعی، روشهای کشت سلول منفرد و ابزارهای تحلیلی و تصویر برداری با وضوح بالا، اهداف جدیدی را در این زمینه به وجود آورده و کاربردهای نوینی، مانند مهندسی میکروبیوم (باکتریهای مفید همزیست)، بیوالکتریک، استفاده از سموم میکروبی برای کاربردهای درمانی، آرایشی و غیره را سبب شده است (Timmis, 2016).
جمع بندی
زیستفناوری میکروبی یک بخش خارق العاده، پویا و هیجان‌انگیز از زیستشناسی در عرضه و تنوع محصولات و خدماتی که ارایه میدهد و مشارکت میکند، مانند پیشگیری و درمان بیماریها، تشخیص بیماریها، کشاورزی و باغداری، تهیه غذا و خوراک، تولید انرژی، تولید مواد شیمیایی و مواد خام، تصفیه آب و پسماند، بازیافت، کسب و افزودن ارزش به مواد طبیعی، پایش محیط‌زیست، پزشکی قانونی، و… است (Timmis, 2016). زیست فناوری میکروبی بر بهرهبرداری از میکروبهای مفید به منظور رفع نیازهای مختلف انسان متمرکز است. در سالهای اخیر، پیشرفتهای زیادی در زیستفناوری میکروبی حاصل شده که تأثیرات زیادی بر جامعه ایجاد کرده است. تحولات بسیار سریع میباشند و هر روز ابعاد جدیدی به آن اضافه میگردد (Alemu, 2012).
کلید واژهها:
زیستفناوری میکروبی، بیوتکنولوژی میکروبی، میکروارگانیسم، میکروب، قارچ، باکتری، پروتوزوآ، جلبک، زیستشناسی مصنوعی، بیوانفورماتیک، زیستفناوری سفید، سوخت زیستی، فرآوری مواد غذایی، حسگر زیستی، کود زیستی، آفتکش زیستی، زیست پالایی، زیستفناوری محیط‌زیست، داروهای زیستی، آنزیم، پلاستیکهای زیستی، تصفیه آب، بازیافت، پزشکی قانونی، مهندسی ژنتیک، نوترکیبی.
Microbial Biotechnology, Microorganism, Microbe, Fungi, Bacteria, Protozoa, Alga, Synthetic Biology, Bioinformatic, White Biotechnology, Bio-oil, Food processing, Biosensor, Biofertilizer, Biopesticide, Bioremediation, Environmental Biotechnology, Biopharmaceutic, Enzyme, Bioplastics, Water treatment, Recycling, Forensic medicine, Genetic engineering, Recombination.
منابع
Alemu, Melaku. (2012). Application of Microbial Biotechnology. Ethiopian Institute of Agricultural Research: Addis Ababa
Demain, A. L. (2000). Microbial biotechnology. Trends in biotechnology, 18(1), 26-31.
Okafor, N. (2007). Modern industrial microbiology and biotechnology. Science Publishers, Enfield, USA.
Timmis, K., Ramos, J. L., de Vos, W., Vlaeminck, S., Prieto, A., Danchin, A., … & De Lorenzo, V. (2016). Microbial Biotechnology‐2020. Microbial biotechnology, 9(5), 529.
گرد آورندگان: نسترن حیدری (کارشناسی ارشد زیستفناوری میکروبی)، امیرشایان ثناگو (کارشناسی ارشد زیستفناوری میکروبی)
