نانو ذرات (Nano particles):

نانوذرات، ذرات جامد کلوئیدی هستند که اندازه ای در محدوده ی 10 تا 1000 نانومتر را دارا می باشند. به مجموعه نانوکپسول ها، نانواسفرها (Nano sphere) و یا حتی شبکه های پلی مری که دارو در مقیاس مولکولی در آن ها حبس شده باشد، نانو ذره اطلاق می شود. نانو کپسول ها یک کره کوچک هستند که فقط دیواره و جداره آن‌ها پلی مری است. داخل کره فاز دیگری وجود دارد که دارو داخل آن قرار می گیرد. اما نانواسفرها یک کره پلی مری هستند و داخل ماتریکس آن‌ها نیز از پلیمر تشکیل شده است و دارو داخل این ماتریکس قرار می گیرد.

میکروارگانیسم ها و فلزات:

برخی از باکتری ها تحت شرایط سخت و تنش زایی محیط، قادر به رشد هستند. برخی از باکتری ها هم که قادر هستند در حضور فلزات سمی رشد کنند. اغلب این باکتری ها دارای سیستم هایی برای مقاومت و رشد در این شرایط هستند. این باکتری ها قادر به احیاء فلزات و کاهش سمیت آن هستند و برخی دیگر قادر به رسوب گذاری خارج سلولی و برخی دیگر پمپ های انتقال این فلزات را دارند. میان کنش باکتری با فلزات سبب کاربردهای گوناگون باکتری ها در بیوتکنولوژی شده است که می توان از باکتری ها برای معدنی کردن بیولوژیکی (Bio mineralization)، حذف بیولوژیکی مواد آلوده (Bio remediation)، استخراج بیولوژیکی معادن (Bio leaching)  استفاده کرد. برخی باکتری ها در رسوب گذاری معدنی به طور مستقیم عمل می کنند. در واقع باکتری ها در معدنی شدن مواد، نقش کاتالیزوری دارند. اکسیداسیون مواد معدنی توسط باکتری ها اهمیت دارد. برخی از باکتری ها با تولید اسیدهای معدنی در استخراج طلا و مس معادن دخالت می کنند.

ارگانیسم های زنده به عنوان کارخانه مولد نانوذرات:

تولید نانو ذرات به دو روش اصلی صورت می گیرد:

1) سنتز از طریق واکنش های شیمیایی

2) تولید بیولوژیکی نانوذرات

باتوجه به نیاز روز افزون بشر به یافتن روش هایی برای ساخت ابزار و وسایلی که آلودگی زیست محیطی نداشته باشند، محققین به سمت سیستم های بیولوژیکی روی آورده اند. شناخته شده ترین مثال از این میکروارگانیسم سنتز کننده نانودرات معدنی، مگنتیک باکتری ها هستند که قادر به تولید نانوذرات مغناطیسی هستند و یا دیاتومه تولید نانوذرات سیلیسی؛ و باکتری های دارای لایه سطحی در تولید نانوذرات کربنات کلسیم استفاده می کنند که مهم ترین نقش این ارگانیسم ها حذف آلودگی های فلزات سمی از محیط است که معمولا برای از بین بردن اثرات سمی فلزات یا احیاء آن ها کاربرد دارند، برای همین به این ارگانیسم ها با این توانایی، نانو کارخانه های همکار و دوست دار طبیعت می گویند.

نانو مواد دارای خصوصیات فیزیکی و شیمیایی منحصر به فردی هستند که سبب پتانسیل بالقوه ی آن ها شده است. با روش های مختلف فیزیکی و شیمیایی قادرند که این نانو مواد را تولید کنند. ولی روش بهتر آن است که آلودگی زیست محیطی کمتری دارد و استفاده از سیستم های زنده برای تولید نانو مواد است که کارگران اصلی این کارخانه باکتری ها می باشند. به عنوان مثال مگنتیک باکتری ها که تولید مگنتیک Fe3O4 و کریکسیت Fe3S را می کند و یا دیاتومه ها تولید نانوذرات سیلیسی می کنند. از این دو نانو ذرات ذکر شده در الکترونیک و تبدیل انرژی خورشیدی به نورانی کاربردهای وسیعی دارد.

مگنتیک باکتری ها و تولید نانو ذرات مغناطیسی

یک مثال مهم از معدنی شدن، تولید نانو ذرات مغناطیسی توسط مگنتیک باکتری ها است. مگنتیک باکتری یک گروه هتروژن از پروکاریوت ها با یک هتروژن از پروکاریوت ها با یک تنوع مورفولوژیکی شامل کوکسی، میله ای، ویبریو و مارپیچ هستند که در محیط های آبی در نقاط مختلف زندگی می کنند. این باکتری ها همگی گرم منفی، متحرک دارای گرایش منفی به غلظت اتمسفری اکسیژن می باشند. خصوصیات ویژه ی این باکتری ها تولید کریستال های درون سلولی اکسید آهن (مگنتیک) یا سولفیدهای معدنی آهن (اگربیلیت) که پوشیده در یک غشاء دو لایه ای می باشند که به آن مگنتوزوم گویند. مگنتوزوم ها باعث جهت گیری و مهاجرت باکتری های مغناطیسی گرا در طول خطوط میدان مغناطیسی زمین می شوند. این باکتری ها به صورت درون سلولی، تولید نانو کریستال های مغناطیسی زمین می شوند. این باکتری ها به صورت درون سلولی، تولید نانو کریستال های مغناطیسی زمین می شوند. این باکتری ها به صورت درون سلولی، تولید نانو کریستال های مغناطیسی درون این مگنتوزوم ها می کنند که شامل نانو ذرات مگنتیک که اندازه ی آن ها 120-35 نانومتر است. اطراف این ذرات یک غشاء قرار گرفته است.

مورفولوژی ذرات مغناطیسی آهن:

از لحاظ مورفولوژی ذرات مغناطیسی آهن به صورت مکعبی، گلوله ای شکل و یا شش وجهی هستند. از مگنتیک باکتری ها برای برطرف کردن و حذف فلزات سنگین و مواد رادیواکتیو هسته ای از پساب استفاده می شود. یکی دیگر از استفاده های نانو ذرات مغناطیسی، استفاده از آن ها به عنوان یک حامل برای تجمع مواد فعال بیولوژیکی از جمله آنزیم، آنتی بادی، DNA است و کاربرد بیشتر در تشخیص های پزشکی سنجش های ایمینولوژیکی است. مزیت این روش نسبت به روش های متداول آزمایش های ایمنی در این است که به راحتی سلول هایی که به مارکرهای متصل به نانو ذرات مغناطیسی واکنش داده اند را می توان جداسازی کرد. لازم به یادآوری است که ذرات مگنتوزوم بعد از مرگ سلول باکتری باقی می مانند و ایجاد فسیل های مغناطیسی می کنند و از باکتری های مغناطیس گرا می توان به مگنتواسپیریلیوم  (Magnetospirillum)که میکروآیروفیل است، اشاره کرد. باکتری مگنتواسپیریلیوم مگنتوتاکنیوم یک باکتری میله ای شکل است که درون آب های شیرین شناور می باشد که حاوی مگنتوزوم ها هستند و در جهت میدان مغناطیسی زمین آرایش می یابند. نانو ذرات مغناطیسی موجود در این مگنتوزوم در مقایسه با نانوذراتی که از طریق های دیگر تهیه می شوند هم اندازه تر و دارای توزیع یکنواخت تک بعدی و تک بلوری می باشد.

جذب هدفمند نانو ذرات مغناطیسی توسط سلول های سرطانی

متوتروکسات یکی از شناخته شده ترین داروهای ضد سرطان است اما بسیاری از سلول های بدخیم ابزاری درون خود توسعه داده اند که به محض ورود این دارو به درون سلول، آن را به بیرون سلول پمپ می کنند. محققان دانشگاه واشنگتن با استفاده از فناوری نانو توانستند که با اتصال این دارو به سطح نانو ذرات مغناطیسی در عین حال که متوتروکسات را درون سلول سرطانی  نگه می دارند، می توانند این دارو را در بدن را در بدن ردیابی نمایند و از مهم ترین کاربردهای دیگر نانوذرات مغناطیسی در تصویر برداری پزشکی و ذخیره نمودن اطلاعات می باشد.

تولید نانو ذرات دیگر میکروبی

یکی از این نانو ذرات سولفید کادمیوم است که توسط باکتری کلبسیلا آیروژینوژا (Klebsiella aeruginosa)، کاندیدا گلابرتا (Candida glabrata)، شیزوساکرومایس بمبی (Schizosaccharomyses pambae) صورت می گیرد که سبب سمیت زدایی کادمیوم می شود. تولید میکروکریستال های کادمیوم توسط این ارگانیسم می تواند کاربردهایی داشته باشد از جمله استفاده از آن ها در تهیه ی کریستال های نیمه کوانتومی، چنین کریستال های سولفیدی دارای جذب نوری، فتوسنتزی و انتقال الکترون بالایی دارند. نانو کریستال های لانتیوم توسط باکتری سودوموناس آیروژینوزا و اشریشیاکلای در محیط حاوی نیترات لانتیوم La(NO3)3 تشکیل می شود. تیوباسیلوس فرواکسیدانس و تیوباسیلوس تیواکسیدانس قادر به فروشویی سولفیدهای معدنی و تولید نانوذرات نقره است. از مثال های دیگر معدنی شدن بیولوژیکی فلزات می توان به تشکیل تلوریوم در باکتری اشریشیا کلای K12 اشاره نمود و یا شوانلا بوتری فسینس و یا ژیوباکتر متالیرداکشن دارای آنزیم هایی هستند که به کمک آن ها سبب احیاء Tc(II) می شوند، همچنین گزارشاتی در مورد احیاء سلنیت به سلنیوم توسط انتروباکتر کلوآسهکو دسولفوویبریو دسولفوریکانس، ردواسپیریلیوم روبروم ارائه شده است. قطعاتی از دیواره سلولی باسیلوس سابتلیس با کلرید طلا AuCl3 تیمار شد و مشاهده شد که نانوذرات طلا به صورت گرانول هایی ایجاد می شود.

استفاده از نانو ذرات طلا در تشخیص سرطان :

طلا ماده ای بسیار مناسب در جذب و پراکنده کردن نور است. بسیاری از سلول های سرطانی در سطح خود دارای نوعی پروتیین به نام EFGR (سلول گیرنده با عامل رشد اپیدرمال) می باشد در حالی که سلول های سالم فاقد چنین عامل هستند. با اتصال پادتن های آنتی EFGR به نانو ذرات طلا محققان توانسته اند این نانو ذرات را به سلول های سرطانی رسانده و به آن ها متصل نمایند و سپس با میکروسکوپ زمینه تاریک نقاط سرطانی را به صورت درخشان زیر میکروسکوپ مشاهده کردند. این نانو ذرات توانایی اتصال به سلول های سالم را ندارند؛ به این ترتیب سلول های سالم در مقایسه با سلول های سرطانی تاریک تر جلوه می کنند. کاربرد بالقوه دیگر نانو ذرات طلا در ارتباط با سرطان، انهدام سلول های سرطانی است. در مطالعات انجام شده پژوهشگران با گرم کردن این ذرات با لیزر از آن ها به عنوان عوامل انهدام سلول های سرطانی استفاده استفاده می کنند.

نانو ذره نقره

اولین بار استفاده از نقره به عنوان یک ماده جلوگیری کننده از بیماری به مربوط به 2000 سال قبل است که پادشاهان ایرانی درون ظروف نقره ای آب جوشیده ریخته و مصرف می نمودند تا از بیماری حفاظت شوند. باکتری سودوموناس استاتزری (Pseudomonas stutzeri) قادر به تولید نانوذرات نقره می باشد. با توجه به خاصیت ضد میکروبی نقره، بایستی مکانیسم هایی در باکتری سودوموناس استاتزری وجود داشته باشد که سبب مقاومت این باکتری به نقره است. این باکتری قادر به احیاء فلز نقره و رسوب آن در فضای پری پلاسمیک و در نهایت تولید نانوکریستال های نقره می باشد.

نانوذره نقره به پروتیین ها حاوی گروه سولفیدی موجود در غشاء باکتری متصل می شود، که این امر سبب تغییر در مورفولوژی و نفوذپذیری غشاء و تاثیر در زنجیره ی تنفسی و تقسیم سلولی و در نهایت مرگ سلول می گردد و از سوی دیگر ورود ذرات نقره به درون سلول و واکنش آن با ترکیبات حاوی گوگرد و فسفر مانند DNA، سبب از بین رفتن باکتری می شود. بیماری molloscum contagiusum یک بیماری مسری ویروسی به صورت ضایعات زگیل مانند می باشد که تاکنون درمان مشخصی نداشته است؛ اما اخیرا توانسته اند که به کمک نانوذرات نقره این بیماری را در مدت سه روز درمان کنند.

نانوذره نقره نسبت به آنتی بیوتیک دارای مزایایی می باشد که در زیر به تعدادی از آن ها اشاره می شود:

1) باکتری ها به نانو ذره مقاومت پیدا نمی کنند به دلیل اینکه نانو ذره بر روی قسمت های مختلف و آنزیم های متعددی موثر است .

2) نانو ذره نقره بر روی طیف وسیعی از باکتری ها موثر است.

3) نانو ذره نقره بر روی سلول های انسانی اثر سوء ندارد، زیرا سلول های انسانی به صورت بافت هستند.

4) برخلاف آنتی بیوتیک ها که پس از واکنش با سلول تغییر یافته و بی اثر می شوند، نانو ذره نقره پس از اثر بر میکروب ها آزاد شده و بر میکروارگانیسم دیگر نیز تاثیر می گذارد.

سایر کاربردهای نانوذره نقره:

1) تولید الیاف، پارچه ها ولباس های ضد میکروب و ضدبو

2) استفاده در باطری سازی

3) رنگ های ضد میکروبی

4) مواد بهداشتی و آرایشی

5) استفاده در سفینه ها و شاتل های فضایی برای ضدعفونی کردن آب و هوا و وسایل مختلف

6) استفاده در پزشکی و درمان و بهبود زخم