گستردگی کاربرد زیست فناوری (بیوتکنولوژی) در قرن 21 به حدی رسیده است که اقتصاد، بهداشت، درمان، محیط زیست، کشاورزی، صنعت، تغذیه و سایر جنبههای زندگی بشر را تحت تاثیر شگرفت خود قرار خواهد داد. اهمیت این موضوع باعث شده که دانشمندان جهان، قرن 21 را به نام بیوتکنولوژی بشناسند. واکاویی بهتر این موضوع و دستاوردهای مهم علم بیوتکنولوژی برای بشر و همچنین سهم پژوهشگران ایرانی و نقش محققان دانشگاه صنعتی شریف در تولید این دستاوردها، باعث شد گفت و گویی با دکتر منوچهر وثوقی، استاد دانشکده مهندسی شیمی و نفت انجام دهیم که در ادامه آن را می خوانید.
زیست فناوری چیست؟
بیوتکنولوژی یا زیست فناوری (فناوری بر مبنای زیست) از فرآیندهای سلولی و بیومولکول ها بهره می گیرد تا محصول ها و فناوری های جدید ایجاد و با کمک آن سطح سلامت انسان و دیگر موجود های زنده سیاره زمین افزایش پیدا کند.
علم زیست فناوری چه زمانی به زندگی بشر ورود پیدا کرد؟
زیست فناوری از نظر تاریخی، قدمتی کهن (پیش از میلاد) دارد اما بشر بی آنکه بداند این پدیده چیست، از میکرو ارگانیسم ها برای بهبود زندگی خود بهره می برد. مثلا شیر را به ماست و قند را به الکل تبدیل یا از مخمر در فرآیندهای تخمیری استفاده می کرد. همچنین پی برد که عامل بسیاری از بیماری های عفونی، یک موجود زنده است که می تواند رشد و تولید داشته باشد و با کشف لویی پاستور این موضوع به اثبات رسید و علمی تحت عنوان میکروب شناسی بوجود آمد و پیشرفت کرد. با کشف پنیسیلین در زمان جنگ جهانی دوم این علم وارد حوزه ی مهندسی، تحت عنوان مهندسی بیوشیمی گردید. پس از مشخص شدن ساختمان دی ان ای توسط واتسون و کریک و پیش رفت مهندسی ژنتیک در سال های 1970 بشر قادر به دستکاری ژنتیکی گردید. که بر اساس آن فعالیت بسیاری از سلولهای مختلف را بهبود بخشد و یا در جهت خواسته ی خود تغییر دهد. در این سال ها عنوان بیوتکنولوژی (زیست فناوری) به این تحقیقات و فعالیت ها تعلق گرفت. پس از آن بشر توانست با دستیابی به این ابزار، وارد سلول شود و ژن ویژه ای را درون یک باکتری یا سلولی دیگر قرار دهد. ژن دستوری شده می تواند توسط آن باکتری محصولی را تولید کند یا خاصیتی ویژه ای به آن سلول بدهد. از آن پس زیست فناوری یا بیوتکنولوژی توانست سریعا در حوزه های مختلف رشد پیدا کند.
هم اکنون زیست فناوری توانسته به کدامیک از حوزه ها ورود پیدا کند؟
زیست فناوری یک دانش بین رشته ای است که با توجه به نوع فعالیت، ممکن است با حوزه هایی مانند مهندسی شیمی، پزشکی، کشاورزی، میکروبیولوژی، نانوتکنولوژی و ... همپوشانی داشته باشد. از دانش زیست فناوری در حوزه های کشاورزی، تغذیه و زیست محیطی، به منظور اصلاح ژنتیکی گونه های گیاهی با هدف تولید محصولات با کیفیت بالاتر، تولید محصولات پروبیوتیک و مکانیزم های تصفیه بیولوژیک استفاده می شود. در زمینه های پزشکی و درمانی نیز مهندسی بافت، ژن درمانی، حسگری زیستی و دارو رسانی را می توان از پرکاربردترین مباحث دانست که با گسترش فناوری نانو و ورود آن به این بخش ها پیشرفت های چشمگیری در حوزه نانوبیوتکنولوژی در بخش پزشکی رخ داده است. به گونه ای که امروزه با استفاده از حامل های نانوساختار، دارو رسانی برای درمان بیماری هایی نظیر سرطان هدفمند سازی شده است. در حال حاضر دسته بندی های مختلفی برای این رشته وجود دارد. از جمله می توان به زیست فناوری میکروبی، پزشکی، کشاورزی، مهندسی زیست، کاتالیست های زیستی، مواد زیستی جدید، زیست توده و انرژی زیستی، فرآیندهای زیستی سبز و نانو زیست فناوری اشاره نمود. اما با توجه به پیشرفت علم در این حوزه ها و نزدیک شدن فعالیت این شاخه ها به هم، مرزهای واضحی بین بخش های گوناگون وجود ندارد و شاخه های مختلف همپوشانی دارند.
زیست فناوری در این حوزه ها چه کاربردهایی می تواند داشته باشد؟
به منظور دست یابی به محصولات زیستی، از میکروارگانیسم ها استفاده می شود. در این فرآیندها گاهی میکروارگانیسم (عمدتا باکتری ها) به عنوان محصول نهایی (مانند پروبیوتیک ها) است و گاهی سبب تولید محصول (تولید الکل توسط باکتری) می شود. زیست فناوری موضوع های بسیار گستردهای را در زمینه علوم پزشکی و دارویی، از جمله؛ ابداع روشهای کاملا جدید برای “ تشخیص مولکولی مکانیسمهای بیماریزایی و گشایش سرفصل جدیدی به نام پزشکی مولکولی”، “امکان تشخیص پیش از تولد بیماریها و پس از آن” ، “ژن درمانی و کنار گذاشتن (نسبی) برخورد معلولی با بیمار و بیماری” ، “ تولید داروها و واکسنهای نو ترکیب و جدید”، “ساخت کیتهای تشخیصی”، “ایجاد میکرو ارگانیسمهای دستکاری شده برای کاربردهای خاص”، “تولید پادتنهای تک دودمانی (منوکلونال)” و غیره را در برمیگیرد. به عنوان مثال دانش آموختگان رشته زیست فناوری پزشکی ( بیوتکنولوژی پزشکی) قادر خواهند بود به طراحی و تولید واکسن های نوین زیستی، کیت های تشخیصی، آنتی بادی های نوترکیب به منظور درمان و مطالعه های سرطان اقدام کنند. هدف اصلی گرایش زیست فناوری کشاورزی نیز اصلاح نژاد گیاهان با روش های زیست فناوری به منظور بهبود و افزایش کارایی آنها (همچون افزایش محصول دهی، مقاوم شدن در برابر بی آبی و ...) است. در شاخه مهندسی زیست نیز مباحث مهندسی زیست فناوری مورد بحث قرار می گیرد. به طور مثال بهینه سازی شرایط تولید صنعتی و تخلیص در این شاخه بررسی می شوند. همچنین مواردی همچون میکروفلوئیدیک که در آنها از چیپ های مهندسی شده برای منظورهای زیستی استفاده می شود، در این حوزه جای می گیرند. شاخه نانوزیست فناوری نیز در حقیقت ترکیب دو حوزه نوظهور نانوتکنولوژی و بیوتکنولوژی است. از جمله فعالیت های متداول در این حوزه می توان به ساخت داربست های نانوساختار با مشخصات قابل تنظیم به منظور افزایش تشابه به بافت های بدن، استفاده از حامل های دارویی نانوساختار، استفاده از نانوساختار ها برای تصویربرداری زیستی (bio imaging)، و همچنین مطالعه و بررسی رفتار میکروارگانیسم ها اشاره نمود.
هم اکنون جایگاه زیست فناوری در ایران نسبت به کشورهای پیشرو جهان، در چه جایگاه و مرتبه ای قرار گرفته است؟
هم اکنون در ایران در چند حوزه زیست فناوری، پژوهش هایی در حال انجام است و پژوهشگران توانسته اند مقالات خود را در مجلات معتبر با impact factor بالا به چاپ برسانند و در سطح جهانی نسبتا همپای پژوهشگران دنیا پیش رفته اند. قابل ذکر است که پیشرفت زیست فناوری در کشور مرهون کمک ها و برنامه های مراکز دولتی به ویژه دانشگاه ها و وزارتخانه هایی نظیر علوم و تحقیقات فناوری، جهاد کشاورزی، صنعت و معدن و به ویژه معاونت علمی ریاست جمهوری می باشد. نخستین حوزه ای که ایران خیلی قوی به آن ورود پیدا کرده، رشته پزشکی است. هم اکنون چندین پژوهشگاه، دانشگاه های علوم پزشکی و مراکز تحقیقاتی پیرامون این حوزه فعالیت می کنند همچنین بخش خصوصی نیز با توسعه و ایجاد صنایع داروهای زیستی فعالیت چشمگیری دارند. به طوری که با کمک مهندسین مختلف توانایی طراحی و اجرای پروژه های بزرگ تولید داروهای زیستی را دارا هستند. تنها مشکل اصلی در این حوزه، ساخت بخشی از تجهیزات زیستی پیش رفته است که باید از خارج از کشور تهیه شود. گروه بعدی حوزه کشاورزی است که دانشگاه ها، دانشکده های کشاورزی، مراکز پژوهشی و کشاورزی وابسته به جهاد کشاورزی یا وزارت علوم (پژوهشگاههای تحقیقاتی) در این زمینه پیش رو هستند. بخش خصوصی نیز در زمینه ی ساخت بعضی از نهاده های کشاورزی نظیر سم و کود زیستی و یا تولید بذر و نهال اصلاح شده فعالیت می کند. گروه بعدی، حوزه صنعت است، از جمله فعالیت های صنعتی این حوزه می توان به زیست فناوری سنتی (تولید فرآورده های مختلف غذایی،صنعتی، شیمیایی یا پزشکی با ایجاد کارخانه های زیست فناوری)، تولید انواع اسیدهای آلی مانند اسید سیتریک و استیک، تولید انواع آنزیم های غذایی و صنعتی (آنزیم هایی کاربردی در صنایع نوشابه سازی، لبنیات، نشاسته سازی، چرم سازی) اشاره نمود. گروه بعدی سیستم های تصفیه ی بیولوژیکی پساب های صنعتی است که در این حوزه بخش خصوصی فعالیت بسیار خوبی دارد و کلیه ی فعالیت ها از جمله طراحی و اجرای واحدهای تصفیه ی بیولوژیک فاضلاب به انجام می رساند. در چند سال اخیر به دلیل نیاز صنایع نامبرده در بالا (پزشکی، کشاورزی، صنعت و...) بخش خصوصی وارد حوزه ی جدیدی به نام ساخت تجهیزات زیست فناوری شده است که در این حوزه تجهیزات زیست فناوری در بخش های بالا دستی، تولید و پایین دستی توسط شرکت های خصوصی تولید می شود. این حوزه با توجه به تحریم های موجود بسیار مورد توجه قرار گرفته و پیش رفت های خوبی حاصل شده است.
اکنون دانشگاه صنعتی شریف به کدامیک از این حوزه ها ورود پیدا کرده است؟
در اواخر سال های ۱۳۴۰ رشته ای تحت عنوان مهندسی بیوشیمی و صنایع تخمیری در دنیا مورد توجه قرار گرفت. این رشته در هیچ یک از دانشگاه های ایران تدریس نمی شد اما مراکزی نظیر انستیتو پاستور ایران و رازی به کار تولید انواع واکسن مشغول بودند بدون اینکه متخصصانی در زمینه مهندسی بیوشیمی به کار گرفته باشند. با پیشرفت کشور و رشد جمعیت، نیاز به این رشته در کشور محسوس شد و برای اولین بار در دانشگاه صنعتی شریف در سال ۱۳۴۷ مرکز تحقیقات مهندسی بیوشیمی تاسیس و آغاز به فعالیت کرد. هدف اصلی از تاسیس این مرکز انجام تحقیقات و پژوهش در زمینه فرایندهای تخمیری صنعتی، غذایی، دارویی و استفاده از منابع وسیع کشور در این رابطه بود. به زودی پروژه هایی در ارتباط با تولید پروتئین تک یاخته با استفاده از ضایعات کشاورزی و تولید اسیدهای آلی از مواد اولیه ای چون ملاس یا شیره خرما مورد توجه قرار گرفت و هسته اصلی پژوهش را در این مرکز تشکیل داد. این مرکز در زمینه مهندسی بیوشیمی برای اولین بار در کشور موفق به تولید زیستی پروتئین تک یاخته (اس سی پی)، اسید سیتریک و چند فرآورده زیستی دیگر با استفاده از محیط کشت های قندی شد. این روش ها به نام مرکز به ثبت رسیده است. از سال ۱۳۶۲ نیز توجه دانشگاه به آموزش این رشته نیز معطوف شد و در نتیجه مرکز مهندسی بیوشیمی به منظور همکاری در امر آموزش و تحقیقات با دانشکده مهندسی شیمی و نفت کار خود را آغاز کرد؛ به طوری که با تداوم آن در سال ۱۳۷۳ تحت مدیریت آن دانشکده قرار گرفت. هم اکنون به صورت مشترک در امور آموزشی و پژوهشی همکاری می کند. بدین ترتیب دانشجویان تحصیلات تکمیلی دانشکده های مهندسی شیمی و نفت، مهندسی مکانیک، مهندسی عمران و مهندسی مواد و همچنین دانشکده های کامپیوتر و برق و نانوتکنولوژی نیز، پایان نامه و رساله های خود را در زمینه های بیوتکنولوژی، ژنتیک، محیط زیست، صنایع غذایی، نانوبیوتکنولوژی و زیست پزشکی با همکاری استادان دانشکده مهندسی شیمی و دانشکده های همکار به انجام می رسانند. در سال های اخیر با توجه به گسترش فعالیت های جهانی در زمینه زیست فناوری و تنوع فراوان موضوعی موجود، دانشمندان با تخصص های گوناگون به این رشته ورود پیدا کرده اند.
تاکنون دانشگاه صنعتی شریف در زمینه زیست فناوری چه دستاوردهایی کسب کرده است؟
دانشگاه صنعتی شریف در اغلب حوزه های زیست فناوری ورود پیدا کرده است اما مهمترین و اساسی ترین فعالیت های آن مربوط به بخش صنعتی است که می توان به فرآورده هایی همچون اسید سیتریک، خمیر مایه . پروتیئن تک یاخته و آنزیمهای صنعتی اشاره نمود. هم اکنون علاوه بر بیوتکنولوژی صنعتی، پژوهشگران دانشکده های مختلف دانشگاه به حوزه های مختلف بیوتکنولوژی پزشکی، نانوبیوتکنولوژی، مهندسی بافت یا سلول های بنیادی، بیو انفورماتیک، تولید حسگرهای زیستی، بیومکانیک و حتی ازدیاد برداشت نفت از طریق میکروب و تصفیه فاضلاب های صنعتی به روش بیوتکنولوژی نیز ورود پیدا کرده اند. در حال حاضر حدود 25 تا 30 نفر از اعضای هیات علمی دانشکده های مختلف دانشگاه شریف با توجه به محل دانشکده ای که فعالیت می کنند با حوزه زیست فناوری در ارتباط هستند و مجری طرح های پژوهشی به غیر از پایان نامه های کارشناسی، کارشناسی ارشد و دکترا در این زمینه می باشند.
دستاوردها و فعالیت های جدید دانشگاه شریف دراین زمینه کدام است؟
با توجه به ماهیت بین رشته ای زیست فناوری، دانشمندان بر این عقیده اند که برای دستیابی به هدف مطلوب باید افراد با تخصص های مختلفی به همکاری بپردازند. یک رکن اصلی که در تمام گروه های فعال در زمینه زیست فناوری وجود دارد مهندسانی هستند که با توجه به نوع تخصص در بخش شبیه سازی و فرآیند تولید فعالیت می کنند. از این رو در سال های اخیر رشته زیست فناوری با استقبال گسترده ای از سوی اساتید دانشگاه صنعتی شریف مواجه شده است که موجب ارتقای امکانات دانشگاه در این راستا شده است. در حال حاظر اساتید دانشگاه صنعتی شریف در زمینه های مختلف با تیم های متخصص پزشکی و زیست شناسی همکاری فعال دارند. چندین سال است که دانشکده های مهندسی شیمی و نفت (گرایش بیوتکنولوژی و مهندسی پزشکی)، دانشکده مهندسی مواد (گرایش مواد زیستی) و در دانشکده های برق و کامپیوتر (در گرایش های نزدیک) در مقطع کارشناسی ارشد و دکتری دانشجو می پذیرد اما پژوهش در زمینه بیوتکنولوژی توسط اغلب اعضای هیئت علمی در دانشکده های مختلف انجام می شود. در همکاری با دانشکده مکانیک، عمدتا مباحث مربوط به میکروفلوییدیک و شبیه سازی رفتار سیستم های بیولوژیکی دنبال می شود. به عنوان مثال می توان به تحقیقاتی که در زمینه مطالعه رفتار کانال های دیواره سلول ها با همکاری دانشکده مهندسی مکانیک و پژوهشکده نانو انجام شده اشاره نمود که مقالات مربوط به آن در ژورنالهای بسیار معتبر به چاپ رسیده است. همچنین مباحث مربوط به ساخت میکروچیپ ها با ارزش تشخیص پزشکی با همکاری دانشکده مهندسی مکانیک و دانشکده مهندسی برق در حال انجام است. پژوهش هایی در زمینه های ساخت داربست های استخوانی، داربست های رگ، پوست و نیز داربست های غضروفی نیز به صورت گسترده ای در همکاری با دانشکده مهندسی شیمی و نیز دانشکده مواد صورت می گیرد. داربست رگ ساخته شده در این مجموعه (مقاله منتشر شده در یکی از ژورنال های وابسته به نیچر) مورد توجه مرکز قلب تهران قرار گرفته و مذاکراتی در زمینه همکاری بین دانشگاه و بیمارستان صورت گرفته است. همچنین در زمینه داربست های استخوانی و پوستی نیز پیشرفت های خوبی حاصل شده است. همچنین در زمینه دارورسانی و درمان سرطان چندین سال است که گروه های متفاوتی در دانشگاه مشغول فعالیت هستد. نتایج مربوط به تحقیقات اولیه مورد توجه بوده و در ژورنال های معتبر دنیا از جمله ژورنال های وابسته به نیچر به چاپ رسیده است. امید می رود که در سال های آینده بتوان در هر یک از زمینه ها محصولی با قابلیت صنعتی شدن نیز ارائه نمود
