مانوپارت لب : آیا تا به حال در یک روز گرم تابستان وقتی از شیر خانه آب می‌گیرید و اولین جرعه را می‌نوشید، به فکر سلامت آب مصرفی و راهکارهای تصفیه آب آن افتاده‌اید؟ شاید این پرسش شما را به یاد روزهایی کند که در کودکی با شوق به طبیعت می‌رفتیم، کنار رودخانه آب بازی می‌کردیم و پس از یک کوهنوردی طولانی، آب پاک چشمه‌ای را می‌نوشیدیم. اما امروزه، با رشد سریع صنایع و شهرسازی، آلودگی‌های ناشی از فعالیت‌های صنعتی و شهری به تهدیدی جدی برای سلامت ما و نسل‌های آینده تبدیل شده‌اند.
در این میان، موضوع تصفیه آب به عنوان یک ضرورت حیاتی مطرح می‌شود، چرا که منابع آبی تحت تأثیر فاضلاب‌های صنعتی، مواد شیمیایی و پسماندهای شهری قرار گرفته‌اند. روش‌های سنتی تصفیه آب اغلب قادر به حذف کامل این آلاینده‌ها نبوده‌اند؛ از این رو، دانشمندان فناوری‌های نوین مبتنی بر مواد زنده را معرفی کرده اند. به عنوان نمونه، پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا سن‌دیگو با استفاده از فناوری چاپ سه‌بعدی، فیلتری از مواد زنده طراحی کرده‌اند که در پاکسازی آب آلوده و بهبود کیفیت آب مصرفی نقش مؤثری ایفا می‌کند.
شاید بپرسید: این «مواد زنده» چیستند و چگونه کار می‌کنند؟ پژوهشگران با استفاده از سیانوباکتری‌ها[1] (که به جلبک‌های سبز-آبی نیز معروفند) به ویژه گونه‌ی Synechococcus elongatus PCC 7942، تلاش کرده‌اند از توانایی‌های منحصر به‌فرد این موجودات در تولید اکسیژن و مواد آلی بهره ببرند. برای حفظ حیات و رشد بهینه در شرایط کنترل‌شده، این موجودات در هیدروژل آلژینات قرار می‌گیرند؛ یک پلیمر طبیعی استخراج‌شده از جلبک‌های دریایی که به دلیل شفافیت (برای نفوذ نور جهت فتوسنتز)، تخلخل مناسب (جهت تبادل مواد مغذی و گازها) و پایداری مکانیکی(امکان ساختاردهی پیچیده)، محیطی مناسب برای رشد سلول‌ها فراهم می‌کند.
برای ساخت فیلتری از این مواد زنده، پژوهشگران از فناوری چاپ جوهرافشان مستقیم( DIW یا Direct Ink Writing) استفاده کرده‌اند.
در این روش، بیوانکی[2] حاوی ترکیبی از سیانوباکتری‌ها و آلژینات از طریق نازل[3]های دقیق به صورت لایه به لایه بر روی بستر مورد نظر چاپ می‌شود. و قرار می‌گیرد. این فرآیند به سلول‌ها اجازه می‌دهد بدون آسیب مکانیکی در ساختار هیدروژل تثبیت شده و به رشد ادامه دهند.
همچنین، DIW امکان ایجاد ساختارهای پیچیده با جزئیات بالا را فراهم می‌کند. ساختارهای حاصل از این چاپ، مشابه یک پوشش زیستی (Biofilm-like structure) عمل می‌کنند؛ یعنی سلول‌ها به صورت گروهی روی سطوح خاصی مستقر شده و به کمک بافت پلیمری خارج‌سلولی، یک جامعه پایدار را تشکیل می‌دهند که مقاومت و عملکرد بالایی در برابر تغییرات محیطی دارد.
حال که با اجزای این سیستم آشنا شدید، نوبت به توضیح فرآیند تصفیه آب می‌رسد. پس از قرارگیری فیلتر در کنار آب آلوده – مثلاً آبی که حاوی آلاینده‌های آلی است – یک محرک شیمیایی خارجی (مانند تئوفیلین) به عنوان سوئیچ فعال‌سازی عمل کرده و باعث می‌شود سیانوباکتری‌ها سیستم‌های ژنتیکی خود را برای تولید آنزیم‌های خاص، از جمله لاکاز (CotA)، فعال کنند. علاوه بر این، سلول‌ها پروتئین‌های فلورسنتی زرد (YFP) را آزاد می‌کنند که نشانگر پاسخ سیستم به آلودگی محیط است. برای تشخیص حضور YFPاز میکروسکوپ فلورسانس مجهز به فیلترهای مناسب استفاده می‌شود که امکان مشاهده نور زرد ساطع‌شده از این پروتئین را فراهم می‌کند.
پس از فعال‌سازی، آنزیم لاکاز به صورت آزاد در محیط هیدروژلی منتشر شده و با توجه به اینکه این آنزیم اکسیداتیو قوی است؛ ترکیبات آلی پیچیده مانند رنگ نیلی کارمین[4] تجزیه و مولکول‌های آلاینده را به ترکیبات بی‌ضرر تبدیل می‌کند. از آنجا که این سیستم درون هیدروژل متخلخل قرار دارد، مواد مغذی، اکسیژن و نور به‌طور پیوسته به سلول‌ها دسترسی دارند و فعالیت مداوم آن‌ها در پاکسازی آب تضمین می‌شود. در حین فرآیند، با کاهش سطح آلاینده‌ها، فعالیت سلول‌ها نیز به طور طبیعی کاهش می‌یابد.
برای جلوگیری از انتشار ناخواسته سیانوباکتری‌های مهندسی‌شده در محیط طبیعی، پژوهشگران یک ژن خودکشی در باکتری‌ها طراحی کرده‌اند که در صورت حضور ماده‌ای مانند ایزونیازید[5]، فعال شده و موجب مرگ سلول‌ها می‌شود. این مکانیسم کنترل ایمنی، اطمینان می‌دهد که سیستم در صورت عدم نیاز، بدون ایجاد خطر برای اکوسیستم، به‌طور ایمن حذف شود.
اگرچه مواد زنده‌ی فتوسنتزی طراحی‌شده در این پژوهش پتانسیل بالایی برای کاربردهایی مانند زیست‌پالایی دارند، اما محدودیت‌ها و چالش‌هایی وجود دارد که باید مورد توجه قرار گیرد.
1- فعالیت کم آنزیم‌ها: برای انتقال این فناوری از مقیاس آزمایشگاهی به کاربردهای بزرگ‌مقیاس( مانند تصفیه خانه ها)، در زمینه آنزیم ها به بهبود فعالیت به ازای هر واحد حجم هیدروژل نیاز است.
2- ناپایداری ساختار هیدروژلی در محیط: پایداری ساختاری هیدروژل تحت تأثیر عواملی مانند ترکیب آلژینات، نوع اتصال عرضی و غلظت یون‌های دوظرفیتی( مانند Ca+2) قرار دارد که نیاز به بهینه‌سازی بیشتر دارد.
3- خطرات زیست‌محیطی: از جنبه زیست‌محیطی، خطراتی مانند بیوفولینگ (تجمع ناخواسته میکروارگانیسم‌ها) و اثرات اکولوژیکی ناخواسته ناشی از استفاده از مواد بیولوژیکی باید به دقت بررسی شود.
4- محدودیت در سیگنال‌های القایی: استفاده از مولکول‌های القاکننده مانند تئوفیلین، اگرچه در کنترل آلودگی مؤثر است، اما برای محیط‌های آبزیستی زیاد مناسب نیست و نیاز به توسعه سیگنال‌های القایی سازگارتر وجود دارد.
در نتیجه، برای دستیابی به کاربردهای عملی و گسترده‌تر، تحقیقات بین‌رشته‌ای در حوزه‌های زیست‌شناسی مصنوعی، علم مواد و اکولوژی، بیشتری در جهت رفع این چالش‌ها ضروری است.
در پایان، این پژوهش نشان می‌دهد که فناوری‌های نوین مانند چاپ سه‌بعدی و مهندسی زیستی می‌توانند راهکارهایی امیدبخش برای مقابله با چالش‌های زیست محیطی و تصفیه آب ارائه دهند. استفاده از سیانوباکتری‌های مهندسی‌شده درون هیدروژل آلژینات، با قابلیت تولید آنزیم لاکاز و تجزیه آلاینده‌ها، گامی به سوی پاکسازی آب است. هرچند محدودیت‌هایی مانند نیاز به بهبود پایداری هیدروژل، افزایش فعالیت آنزیمی و مدیریت ریسک‌های اکولوژیکی هنوز وجود دارد، اما این دستاوردها مسیر را برای توسعه فناوری‌های سبز هموار می‌کنند.
پرسش کلیدی اینجاست: آیا جامعه علمی و صنعتی می‌توانند با همکاری یکدیگر، این چالش‌ها را به فرصت‌هایی برای نوآوری در حوزه تصفیه آب تبدیل کنند؟ پاسخ مثبت به این پرسش نه تنها کیفیت زندگی نسل حاضر را ارتقا می‌دهد، بلکه میراثی پاکتر برای آیندگان به جای می‌گذارد.
برداشتی از:
- https://today.ucsd.edu/story/3d-printed-living-material-could-clean-up-contaminated-water
- https://doi.org/10.1038/s41467-023-40265-2
- https://algaeplanet.com/understanding-blue-green-algae/
- https://www.popsci.com/technology/water-filter-cyanobacteria-3d-print/
- https://basicbiology.net/micro/microorganisms/bacteria
[1] . جالبه بدونید که سیانوباکترها از اولین موجودات زنده‌ای بودند که جو زمین را تغییر دادند! این باکتری‌های فتوسنتزکننده با تولید اکسیژن، شرایط را برای شکل‌گیری حیات پیچیده فراهم کردند. علاوه بر این، آن‌ها با تثبیت نیتروژن، مواد مغذی مورد نیاز سایر موجودات را تأمین نمودند. برای اطلاعات بیشتر میتونید این مقاله را بخونید.
[2] . بیوانک (Bioink) یک جوهر زیستی است که در چاپ سه‌بعدی زیستی استفاده می‌شود و حاوی سلول‌های زنده، مواد زیست‌سازگار (مانند هیدروژل‌ها) و ترکیبات مغذی است. این ماده امکان چاپ ساختارهای زنده و عملکردی را فراهم می‌کند که می‌توانند در مهندسی بافت، پزشکی بازساختی و زیست‌فناوری مورد استفاده قرار گیرند.
[3] . نازل دستگاهی است که در فرآیند چاپ سه‌بعدی، مواد را از داخل خود به بیرون هدایت کرده و آن‌ها را به‌طور دقیق بر روی سطح قرار می‌دهد. این قطعه در چاپ جوهرافشانی مستقیم برای ایجاد ساختارهای زیستی با دقت بالا استفاده می‌شود.
[4] . رنگ نیلی کارمین (Carmine) یک رنگ قرمز طبیعی است که از رنگدانه‌های استخراج شده از حشره کوشی (Cochineal) به‌دست می‌آید. این رنگ در صنایع غذایی، آرایشی، داروسازی و نساجی به‌عنوان رنگ‌دهنده استفاده می‌شود.
[5]. ایزونیازید پس از واکنش با یکی از آنزیم ها، ترکیبات سمی تولید می‌کند که باعث تخریب غشا و اختلال در فرایندهای متابولیکی سلول شده و ژن خودکشی را فعال می‌کند؛ بدین ترتیب سلول‌ها به صورت خودکار از بین می‌روند.
