بیوپلیمرها : پلی آمیدها

کلیات :

پپتیدها، پروتئین ها و آنزیم ها از نظر ساختاری پلی آمید می باشند. ابریشم، هم یک پلی آمید است که از هزاران سال پیش به عنوان یک ماده در صنعت نساجی در آسیا مورد استفاده قرار می گیرد. انواع دیگری از پلی آمید ها پتانسیل استفاده به عنوان پلیمرهای هوشمند را دارند و می توان آن ها را به روش های بیوتکنولوژیک تولید کرد. از میان این پلیمرها می توان به ابریشم عنکبوت، پروتئین های اتصالی در صدف ها یا مواد سازنده ی مروارید اشاره کرد.

در حال حاضر انواع مهمی از پلی امیدها از مواد با پایه ی پتروشیمی تولید می شوند مانند نایلون و پرلون. این مواد به عنوان فیبرهای ترموپلاستیک، طناب، پیچ لنگر یا مواد عایق به کار گرفته می شوند. اگرچه تولید چنین پلی آمیدهایی از مواد تجدیدپذیر (نایلون زیستی) از پتانسیل های قابل توجه بیوتکنولوژیکی می باشد هنوز هم مواد اولیه برای کاربرد وسیع بسیار هزینه بر است.

ابریشم :

جز ساختاری و سازنده ی ابریشم، فیبروئین می باشد. فیبروئین از واحدهای تکرارشونده ی هگزاپپتید و فاصله اندازها تشکیل شده است. مقادیر زیاد گلایسین و تشکیل پیوندهای هیدروژنی زیاد منجر به بسته بندی بسیار محکم و پایدار صفحات بتا (β-sheets) می شود.

فیبروئین توسط لارو کرم ابریشم Bombyx mori تولید می شود و همراه با پروتئین جانبی سریسین ترشح می شود. تا کنون ظرفیت بالای این سیستم ترشحی برای تولید پروتئین های ترانس ژنیک مانند اریتروپوئتین، فریتین یا ابریشم عنکبوت به کار گرفته شده است و چنین پروسه هایی در آستانه ی صنعتی شدن در ژاپن می باشد.

اسپیدروئین ها :

اسپیدروئین ها پلی آمیدهای بسیار متغیر هستند که توسط نخ ریسک ها به عنوان مثال Nephila claviceps تولید می شوند. خصوصیات الاستیک و پتانسیل تکنیکی بالایی دارند ابریشم عنکبوت 30% کشسانی دارد و به عنوان یکی از ترکیبات جلیقه ی ضد گلوله مورد بررسی می باشد (BioSteel). اسپیدروئین مانند ابریشم از پلی پپتیدهای تکرار شونده تشکیل شده است. این پلی آمید در E. coli، Pichia pastoris و حیوانات ترانس ژن با استفاده از ژن های سنتتیک بهینه سازی شده برای ارگانیسم میزبان بیان شده است.

اگرچه بازده اسپیدروئین های نوترکیب هنوز محدود به چند گرم در لیتر محیط کشت فرمنتاسیون می باشد. بزرگترین چالش برای ساخت ابریشم عنکبوت، تهیه ی فیبرهای به اندازه ی کافی بلندی است که بتوان در تجهیزات تکنیکی به درازا کشیده شود. یکی از راه حل های مناسب مهندسی، شبیه سازی سیستم نخ ریسی عنکبوت می باشد که در حال حاضر در حال بررسی است (AMSilk, Spider).

پروتئین های اتصالی :

صدف ها، به عنوان مثال Mytilus edilis از طریق یک پلی آمید که در آب سفت می شود به سطوح صاف از جمله پوسته ی خرچنگ متصل می شود و با این شگرد در فواصل و مسافت های زیادی پراکنده می گردد. وزن مولکولی پروتئین پیش ساز این پروتئین متصل شونده حدود kDa 130 می باشد و غالبا از آمینواسیدهای هیدروفیل مانند تیروزین، سرین، ترئونین، لایزین و پرولین تشکیل شده است. رزیدوهای تیروزین و پرولین طی ترشح تحت هیدروکسیلاسیون پس از ترجمه قرار می گیرد و به 3- یا 4-هیدروکسیل-L-پرولین یا O-هیدروکسی تیروزین (DOPA) تبدیل می شود.

این رزیدوها زمانیکه ترشح می شوند در حضور اکسیژن ساختارهای کینوئیدی تشکیل می دهند که پلیمریزاسیون زنجیره های پپتیدی را آغاز می کند. با بهینه سازی کاست ژن سنتتیک، بیان خوبی از پروتئین پیش ساز در E. coli حاصل می شود. ژن های مراحل تغییرات پس از ترجمه در ایجاد اتصال دخیل هستند اگرچه امکان کلون کردن آن ها در E. coli فراهم نیست. در نتیجه پروتئین پیش ساز جداسازی می شود و با تیروزیناز قارچی به پپتید پلی هیدروکسیله اکسید می گردد. سپس L-آسکوربیک اسید اضافه می شود تا از اکسیداسیون بیشتر جلوگیری شود. یک چسب تجاری بر پایه ی این ماده در حال تولید و بررسی برای کاربردهای دندانپزشکی می باشد.

نایلون زیتس :

نایلون سنتز شده ی پتروشیمیایی از دو بلوک ساختاری C6 شامل آدیپیک اسید و هگزامتیلن دی آمین (PA) تشکیل می شود. پنتامتیلن دی آمین را می توان در یک پروسه ی فرمنتاسیون از طریق دکربوکسیلاسیون L-لیزین و فشرده سازی با آدیپیک اسید به PA 56 که خصوصیاتش شبیه به PA66 است تولید می شود. آدیپیک اسید به روش پتروشیمیایی از سیکلوهگزان یا سیکلوهگزانول تولید می شود اما در حال حاضر مسیرهای بیوتکنولوژیکی ایجاد شده است که این دی کربوکسیلیک اسید را از گلوکز یا اسیدهای چرب تولید می کنند.

بنابراین تولید نایلون سبز موسوم به PA66  از نظر تکنیکی امکانپذیر است اما هنوز بسیار گران است و مقرون به صرفه نیست. درحال حاضر دی کربوکسیلیک اسیدهای با زنجیره ی طولانی تر (C-12) (از ریسینولئیک اسید با فرآوری قلیایی) یا دودکان دی کربوکسیلیک اسید (با اکسداسیون نهایی لائوریک اسید) به طور تجاری در دسترس هستند. بنابراین، Pa 510, 512, 610, 612 و سایر پلی آمیدها را می توان از بلوک های ساختاری بیولوژیکی تولید کرد. اگرچه هنوز هزینه های بالای تولید این مواد به ازای مزایای تولید یا کاربرد از طرف بازار مورد پذیرش قرار نگرفته است.

نویسنده : طاهره صادقیان _ دانشجوی دکتری بیوتکنولوژی دارویی _ علوم پزشکی اصفهان