عليرغم وجود مزاياي نسبي در زمينة بيوتكنولوژي در كشور، برخي از حوزه‌هاي مهم اين تكنولوژي، مانند بيوتكنولوژي دريايي، كمتر مورد توجه قرار گرفته‌است. در اين مطلب، تعاريف و كاربردهاي "بيوتكنولوژي دريايي" ارايه شده‌اند.

اهميت بيوتكنولوژي دريايي

دريا بستر بسيار مناسبي جهت تحقيق و توسعه است؛ اما تاكنون همة پتانسيل آن شناخته نشده است. در حقيقت، بخش اعظمي از موجودات دريايي (به‌خصوص ميكروارگانيزم‌هاي اوليه) هنوز ناشناخته باقي مانده‌اند كه به‌تدريج در حال شناسايي هستند. حتي در مورد موجودات زندة شناخته‌شده نيز دانش كافي جهت مديريت كارا و بهره‌برداري بهينه از آنها وجود ندارد. اين همه، اهيمت بيوتكنولوژي دريايي را روشن مي‌سازند.

توجه به موجودات زنده دريايي به دو دليل مهم است:

1- موجودات زنده دريايي، بخش اعظمي از ذخاير زيستي كره زمين را تشكيل مي‌دهند. از آنجاكه حيات از درياها و اقيانوس‌ها سرچشمه گرفته است، لذا بخش اعظمي از موجودات نخستين و منحصر به‌فرد در درياها زندگي مي‌كنند. بنابراين، درياها منبع عظيم ذخاير ژنتيكي به‌شمار مي‌روند.

2- اغلب موجودات دريايي، ساختارها، مسيرهاي متابوليكي، سيستم‌هاي تكثير (توليد مثل) و مكانيزم‌هاي احساسي و دفاعي منحصر به‌فردي دارند كه بشر مي‌تواند از آنها استفاده نمايد. علت بروز اين ويژگي‌هاي منحصر به‌فرد، زندگي در طيف وسيعي از شرايط محيطي است (از آب‌هاي سرد قطبي كه دماي آنها تا 20- سانتي‌گراد مي‌رسد، تا اعماق اقيانوس‌ها كه ميزان فشار در آنجا بسيار زياد است).

تنوع بيولوژيكي و انواع مختلف مواد شيميايي موجود در درياها، از زمان‌هاي گذشته تاكنون منبع توليد تركيبات شيميايي- صنعتي مختلفي بوده‌اند كه از آن‌جمله مي‌توان مواد دارويي، مواد آرايشي، افزودني‌هاي غذايي، كاوشگرهاي مولكولي، آنزيم‌ها، مواد شيميايي خاص و مواد شيميايي مورد استفاده در كشاورزي را نام برد. تاكنون هزاران فرآورده با استفاده از منابع دريايي توليد شده‌اند كه فقط به بخش كوچكي از تنوع بيولوژيكي و شيميايي درياها مربوط مي‌شوند. برخي از اين فرآورده‌ها هم‌اكنون وارد بازار مصرف شده‌اند و بازاري چند ميليارد دلاري را به‌خود اختصاص داده‌اند.

عوايد حاصل از بيوتكنولوژي دريايي

بيوتكنولوژي دريايي يكي از حوزه‌هاي در حال رشد است كه با كمك آن، از موجوداتي مانند ماهي، جلبك و يا باكتري‌ها به‌طور مستقيم و غيرمستقيم استفاده مي‌شود. مهمترين فوايد بيوتكنولوژي دريايي به شرح زير است:

1- توليد فرآورده‌هاي جديد و اصلاح‌شده

2- فراهم آوردن تكنيك‌هاي جديد جهت رديابي، ارزيابي، ذخيره، حفاظت و مديريت اكوسيستم‌هاي دريايي

3- شيلات و پرورش آبزيان (Aquaculture) به صورت پايدار و مطمئن

در ذيل هر يك از اين موارد با تفصيل مورد بررسي مي‌گيرند:

1- توليد فرآورده‌هاي جديد و اصلاح شده

با توجه به پتانسيل بالاي موجود در دريا و تنوع موجودات آبزي، تاكنون محصولات فراواني از آنها استحصال شده است. مانند مواد دارويي، آنزيم‌ها، مواد مولكولي بيولوژيك، كيت‌هاي تشخيصي، آفت‌كش‌هاي زيستي، توليد بيوماس جهت توليد انرژي و غيره.

اكثر اين فرآورده‌ها، مانند تركيبات هالوژنه (تركيبات برم ويد) هستند و نمي‌توان مشابه آن را از موجودات خشكي‌زي به‌دست آورد. علاوه بر اين، ميكروارگانيزم‌هاي دريايي، منبع غني از ژن‌هاي جديدي هستند كه مي‌توان از آنها براي توليد داروها و فرآورده‌هاي بيولوژيك جديد و دسترسي به اهداف ديگر مانند مانيتورينگ استفاده كرد. در ذيل، برخي از اين فرآورده‌ها مورد بررسي قرار گرفته‌اند:

1-1- مواد دارويي و آرايشي

برخي از مواد دارويي و آرايشي كه از موجودات دريايي همچون باكتري‌ها، بي‌مهرگان و جلبك‌ها استخراج مي‌شوند عبارتند از: داروهاي ضدحساسيت (سودوپتروسين‌ها، تاپسنتين‌ها، سايتونمين، مانوآليد)، داروهاي ضدسرطان (برايوستانين‌ها، ديسكودرمولايد، اليوتروبين و ساركوديكتين)، آنتي‌بيوتيك‌ها (مارينون) و ملانين‌ها كه طيفي از رنگ‌ها هستند كه در ساخت صفحات خورشيدي و لنزهاي چشمي به‌كار مي‌روند.

علاوه بر اين‌، فرآورده‌هاي ديگري نيز از موجودات دريايي به دست مي‌آيند: مثلاً قارچ‌كش‌ها و آنتي‌بيوتيك‌هايي كه به مرور در بدن آزاد مي‌شوند؛ افزودني‌هاي غذايي مانند پپتيدهاي آنتي‌اكسيدان كه از ماهيچه ميگو جداسازي شده‌اند؛ پيش‌مادة اسيدآمينه ميكوسپورين (MAA) و دزوكسي‌گادوسول كه از جلبك‌هاي دريايي استخراج مي‌شوند. از اين مواد به‌عنوان افزودني‌هاي غذايي و همچنين براي ساخت مواد آرايشي استفاده مي‌شود. همچنين، از نوعي خرچنگ (Horseshoe Crab)، ماده‌اي را استخراج كرده‌اند كه با ليپوپلي‌ساكاريدهاي (LPS) باكتري‌هاي گرم منفي، واكنش مي‌دهد و مي‌‌تواند در تشخيص عفونت‌هاي اوليه در انسان و به‌عنوان ردياب LPS (پيروژن‌ها)، در فرآورده‌هاي بيوتكنولوژيك عمل كند.

جداول 1 ، برخي از فرآورده‌هاي استخراج شده از موجودات دريايي را كه در مقياس تجاري توليد مي‌شوند، نشان مي‌دهد:

جدول1 برخي فرآورده هاي زيستي دريايي که به صورت تجاري توليد شده اند

1-2- مواد مركب، پليمرهاي زيستي و آنزيم‌هاي صنعتي

اغلب اين مواد از جلبك‌ها و باكتري‌هاي دريايي استخراج مي‌شوند كه به تفكيك مورد بررسي قرار مي‌گيرند:

1-2-1- جلبك‌ها

بيش از دو هزار سال است كه از جلبك‌هاي دريايي، هم به‌عنوان غذاي جانبي بشر و هم در پزشكي، استفاده مي‌شود. اين جلبك‌ها كه در اعماق درياها (تا عمق 250 متري) رشد مي‌كنند، به 12 گروه و 30 كلاس مختلف طبقه‌بندي مي‌شوند.

جلبك‌ها از رنگدانه‌هاي فتوسنتزي مختلفي استفاده مي‌كنند كه بر اين اساس، به سه گروه قهوه‌اي، سبز و قرمز تقسيم مي‌شوند. البته جلبك‌هاي سبز- آبي نيز وجود دارند كه در حال حاضر تحت عنوان باكتري‌هاي سبز- آبي شناخته مي‌شوند و در واقع مرز بين جلبك و باكتري به شمار مي‌روند. تنوع بيولوژيكي موجود در جلبك‌ها، امكان توليد طيف وسيعي از فرآورد‌ه‌هاي بيولوژيك را فراهم مي‌آورد كه برخي از آنها در حال حاضر در مقياس وسيع توليد مي‌شوند. به‌عنوان مثال، پلي‌ساكاريدهاي حاصل از جلبك‌هاي قرمز (كاراجينن‌ها و آگارها) و جلبك‌هاي قهوه‌اي (الجين‌ها)، در حال حاضر به‌عنوان عوامل ژلي‌كننده و قوام‌دهنده در صنايع غذايي، در تهيه لوازم آرايشي و حتي مصالح ساختماني مورد استفاده قرار مي‌گيرند. مثال‌هاي زير مواردي از كاربرد جلبك‌‌ها را نشان مي‌دهد.

الف) استفاده از جلبك‌هاي دريايي به‌عنوان غذاي جايگزين در آبزي‌پروري براي تغذية توتياي دريايي، آبالون (نوعي صدف دريايي) و ماهي: اين جلبك‌ها حاوي كمي پروتئين، تمامي اسيد آمينه ضروري، ويتامين‌ها، مواد معدني، اسيدهاي چرب غيراشباع با چند پيوند دوگانه (PUFAs) مانند آراشيدونيك اسيد(AA)، ايكوساپنتئنويك اسيد (EPA) و دوكوسوهگزائينويك اسيد(DHA) هستند و به‌عنوان غذاي مكمل در رژيم غذايي در آبزي‌پروري مورد استفاده قرار مي‌گيرند.

ب) مصارف انساني: به‌دليل غني‌بودن جلبك‌ها از مواد معدني و ويتامين‌ها، اين موجودات قرن‌ها به‌عنوان غذايي سالم در رژيم غذايي انسان و يا براي مصارف دارويي مورد استفاده قرار گرفته‌اند. براي مثال، در دهة گذشته مشخص شد كه تركيباتي همچون لامينارين (Laminarin) و فوكوايدان‌ها (Fucoidan) مي‌توانند به‌عنوان داروي ضد تومور، محافظ بدن در برابر تشعشعات خطرناك، كاهش سطح كلسترول خون، كمك به بهبود زخم‌ها، ضد حساسيت، تعديل‌كننده سيستم ايمني، افزايش مقاومت در برابر باكتري‌ها و ويروس‌ها و عفونت‌‌هاي پارازيتي (مثلاً جلوگيري از عفونت‌هاي پس از جراحي) و جلوگيري از عفونت‌هاي فرصت‌طلب در افراد مبتلا به ايدز عمل نمايند. همچنين، متابوليت‌هاي ثانويه استخراج شده از جلبك‌ها (مانند تركيبات هالوژنه)، مواد اميدبخشي جهت مبارزه با باكتري‌ها و ويروس‌ها هستند.

از موارد كاربرد مواد استخراج شده از جلبك‌ها مي‌توان به عصاره‌هاي برگرفته از برخي جلبك‌هاي قرمز اشاره كرد كه در درمان عوارض ناشي از جايگزيني استخوان و كاهش cellulite (تشكيل غده چربي در زير پوست كه از رشد تعداد زيادي سلول چربي بوجود مي‌آيد و به شكل يك پنير مشبك است و باعث جدا شدن پوست از لايه‌هاي زيرين مي‌شود) به‌كار مي‌روند.

همچنين محققان ژاپني، روش‌هاي خاصي را براي تغيير يك جلبك دريايي به‌منظور توليد مقادير بيشتر آنزيم سوپراكسيد ديسموتاز ابداع كرده‌اند. اين آنزيم كاربرد زيادي در پزشكي، توليد مواد آرايشي و غذايي دارد.

ج) مصارف صنعتي: هالوپرواكسيدازها از تركيبات مهمي هستند كه از جلبك‌هاي دريايي به دست مي‌آيند و واكنش‌ هالوژنه‌شدن متابوليت‌ها را كاتاليز مي‌كنند. از آنجايي‌كه هالوژنه شدن، فرآيند مهمي در صنايع شيميايي محسوب مي‌شود، اين تركيبات، فرآورده‌هاي با ارزشي به شمار مي‌آيند.

ساير مصارف بيوتكنولوژيك جلبك‌هاي دريايي عبارتند از: صنايع غذايي، پزشكي و بهداشت، داروسازي، بهداشت دندان، سيستم‌هاي درك، سنسورهاي زيستي، بيوانرژي و پاكسازي زيستي.

1-2-2- باكتري‌ها

علاوه بر جلبك‌ها، باكتري‌هاي دريايي نيز منبع با ارزشي براي توليد مواد شيميايي و آنزيم‌هاي مختلف محسوب مي‌شوند. از جمله فرآورده‌هاي حاصل از اين باكتري‌ها، آنزيم‌هاي صنعتي هستند. آنزيم‌هايي كه از اين باكتري‌ها، به دست مي‌آيند، به دليل دارا بودن خصوصيات ويژه بسيار مهم و با ارزش هستند. به‌عنوان مثال، برخي از اين آنزيم‌ها در برابر غلظت بالاي نمك مقاوم هستند و مي‌توانند در فرآيندهاي صنعتي خاصي مورد استفاده قرار گيرند. پروتئازهاي خاصي از اين باكتري‌ها استحصال مي‌شوند كه در شوينده‌ها و پاك‌كننده‌هاي صنعتي و غيره كاربرد دارند. از جمله باكتري‌هاي توليدكننده اين پروتئازهاي خارج‌سلولي، مي‌توان به گونه‌هاي جنس Vibrio اشاره كرد؛ به‌عنوان نمونه، ويبريو آلژينوليتيكوس (Vibrio alginolyticus) شش پروتئاز توليد مي‌كند كه يكي از آن‌ها با نام اگزوپروتئاز سرين‌آلكالين نسبت به شوينده‌ها مقاوم است. همچنين اين باكتري‌ دريايي، آنزيم كلاژناز نيز توليد مي‌كند كه مصارف صنعتي و تجاري مختلفي دارد كه از آن جمله مي‌توان به جداسازي سلول‌ها از يكديگر، در مطالعات كشت بافت اشاره كرد. گروه ديگري از ميكروارگانيزم‌هاي دريايي خاص كه از آنها در جهت توليد آنزيم‌هاي خاص استفاده شده است، آركئو‌باكتري‌هاي هايپرترموفيليك (باكتري‌هاي باستاني) هستند. اين باكتري‌ها مي‌توانند در درجه حرارت‌هاي بيش از 100 درجه سانتيگراد رشد كنند، بنابراين بايد داراي سيستم‌هاي آنزيمي خاصي باشند كه در اين درجه حرارت بالا، فعال باقي بمانند. محيط‌ زندگي اين باكتري‌ها، چشمه‌هاي آب گرم، دستگاه گوارش حيوانات، لوله‌هاي هيدروترمال، محيط‌هاي شور مانند درياچه‌هاي نمك و غيره است. برخي از فرآورده‌هاي آنزيمي استخراج شده از باكتري‌هاي مقاوم به درجه حرارت كه در حال حاضر نيز به‌صورت تجاري درآمده‌اند، عبارتند از: پليمرهاي مقاوم به گرما، ليگازها و آندونوكلئازهاي برشي.

اولين محصول آنزيمي حاصل از آركئو‌باكتري‌ها، DNA پليمراز مقاوم به حرارت بود كه از باكتري‌ Thermus aquaticus و از چشمه‌هاي آب گرم پارك ملي Yellow Stone در آمريكا استخراج شد. اين آنزيم، نقشي اصلي را در واكنش زنجيره‌اي پليمراز (PCR) بازي مي‌كند. اين DNA پليمراز، در سال 1989 از سوي مجله ساينس (Science) به‌عنوان مولكول سال، انتخاب گرديد.

1-3- مواد مولكولي بيولوژيك

تحقيقات جديد نشان داده‌اند كه فرآيندهاي بيوشيميايي دريايي مي‌توانند جهت توليد مواد زيستي جديد مورد استفاده قرار گيرند. براي مثال، شركتي در شيكاگو، گروه خاصي از پليمرهايي را كه به‌طور طبيعي قابل تجزيه هستند و مشكلات زيست‌محيطي كمتري به‌همراه دارند، به بازار عرضه كرده است. اين مواد در ماتريس‌هاي آلي پوسته نرم‌تنان (حلزون) يافت مي‌شوند.

همچنين مواد زيستي دريايي جهت رفع گنديدگي‌هاي زيستي كه مسئله‌اي بغرنج و پرهزينه است، به‌كار مي‌روند؛ تشكيل كلوني‌هاي باكتريايي و ميكروبي همراه با لارو بي‌مهرگان و اسپور جلبك‌ها بر سطوح، منجر به تشكيل يك لاية لجني سخت مي‌شود كه اغلب باعث اختلال در خطوط لوله انتقال، خوردگي سطوح فلزات و غيره مي‌شوند و براي رفع آن نياز به صرف هزينه زيادي است. از مواد زيستي دريايي براي زدودن اين لايه مي‌توان استفاده كرد.

همچنين مكانيزم‌هاي مورد استفاده توسط دياتومه‌هاي دريايي، كوكوليتوفوريدها، نرم‌تنان و ديگر بي‌مهرگان دريايي، جهت ايجاد ساختارهاي معدني پيچيده در مقياس نانو، مورد توجه قرار گرفته‌اند. لازم به‌ذكر است كه ساختارهاي نانو، داراي خصوصيات ويژه‌اي نسبت به ساختارهاي بزرگتر هستند. نتايج تحقيقات در زمينة ساخت و طراحي بيوسراميك‌هايي كه با درك مكانيزم‌هاي بكاررفته توسط موجودات فوق، حاصل شده است، اميدهاي زيادي را در زمينة ساخت اجزاي كاشتني در پزشكي، اجزاي حركتي خودكار، وسايل الكترونيكي