کاربردهای گوناگون بسپار های طبیعی (پلیمرهای طبیعی) - سفر به کیش

خبرنگاران | سرویس علوم - قرن ها پیش، در دورانی که پلاستیک ها و بسپار های مصنوعی وجود نداشتند، در نخستین ایام خلق زمین، طبیعت بسپار های طبیعی را برای امکان پذیر ساختن زندگی به کار می گرفت. نمی توان همان تصوری را که از بسپار های مصنوعی در فکر ما نقش بسته، در خصوص بسپار های طبیعی صادق دانست، زیرا نه ما می توانیم آن ها را به عنوان شگفتی های قوه نبوغ خویش ستایش کنیم و نه شرکت های شیمیایی به واسطه فروش آن ها سودآوری خواهند داشت. در هر صورت، این قضیه نه تنها از اهمیت بسپار های طبیعی نمی کاهد بلکه، در واقع، به آگاه سازی درباره اهمیت آن ها در زمینه های متنوع یاری می رساند.

بسپار های طبیعی از قبیل RNA و DNA اهمیت فراوانی در ژن ها و فرآیند های زندگی دارند. در حقیقت پیک RNA آن چیزی است که پروتئین ها، پپتید ها و آنزیم ها را در بدن ایجاد می کند. آنزیم ها برای انجام سوخت و ساز انرژی در بدن مفید هستند و به همیابی ارگانیسم های زنده داخلی یاری می رسانند. پپتید ها تعدادی از جالب ترین اجزای ساختار پوست، مو و حتی شاخ اسب های آبی را تشکیل می دهند. دیگر بسپار های طبیعی شامل پلی ساکارید ها (بسپار های شکر) و پلی پپتید هایی مانند ابریشم، کراتین و مو می گردد. البته از ذکر این نکته نباید غافل شد که کربن و هیدروژن تنها مواد تشکیل دهنده لاستیک طبیعی، و طبیعتاً بسپار طبیعی هستند. پس در اینجا از نزدیک خانواده های اصلی بسپار های طبیعی را بررسی قرار می کنیم.

بسپارهای طبیعی دسته اول) پلی ساکارید ها

DNA و RNA

DNA و RNA حاوی ستون های بسپاری مبنی بر واحد های قند هستند؛ و هر چند که در خصوص DNA و RNA گروه هایی مرتب و منظم و متصل به واحد های قندی وجود دارند که بسپار های مزبور ظرفیت منحصر به فرد خود را مدیون آن هستند، اما همین امر آن ها را به پلی ساکارید تبدیل می کند. وجود این دو برای پروتئین سازی و انتقال وراثت در جانداران ضروری است.

نشاسته

خانواده دیگر پلی ساکارید ها شامل نشاسته و سلولز می گردد. نشاسته یک پلی ساکارید با وزن مولکولی بالاست و مواد غذایی از قبیل نان، ذرت و سیب زمینی سرشار از آن هستند. نشاسته حتی می تواند 10000 واحد قند تماماً به هم چسبیده باشد. مشخص نوع نشاسته یا پلی ساکارید به وسیله نحوه پیوند میان واحدها، که تماماً به صورت ترتیب خطی مرتب شده اند و البته تعدادی از آن ها شاخه هایی را شکل می دهند، انجام می پذیرد.

سلولز

یکی دیگر از اعضای مهم خانواده پلی ساکارید و بسپار طبیعی اصلی تشکیل دهنده گیاهان و درختان، سلولز است. چوب در اصل سلولزی است که پلی ساکارید متفاوتی محسوب می گردد. نشاسته در آب گرم قابل حل است و به سهولت می توان آن را به شیء مفیدی تبدیل کرد، اما سلولز به شدت بلوری است و تقریباً با هیچ ماده دیگری قابل حل نیست. پارچه نخی، که در اغلب لباس ها کاربرد دارد، نوعی سلولز محسوب می گردد و خصوصیت حل ناشدگی آن در آب گرم برای چنین استفاده ای مورد توجه ویژه قرار گرفته است؛ در غیر این صورت لباس ها هنگام شستشو از بین می رفتند. سلولز بعلاوه خاصیت تمیزی دارد، یعنی وقتی آن را خیس کرده و اتو می کشید، صاف و پهن می گردد. این خصوصیت موجب می گردد تا زیبایی لباس نخی دست کم برای مدتی پا برجا بماند. در صورت شستشوی مجدد به سادگی دوباره کاملاً تمیز می شوند.

کیتین؛ بسپار طبیعی برای دوستداران غذا های دریایی!

یکی دیگر از اعضای پلی ساکارید، کیتین است، مادهای سخت، غیر قابل حل و انعطاف پذیر. پوسته خرچنگ خاردار، میگو، خرچنگ، خرچنگ دریایی و دیگر اعضای خانواده خرچنگ ها از این ماده تشکیل شده است. ما هنوز در فهم اینکه چگونه بسپار هایی مصنوعی با این خواص ترکیبی منظم ساخته می شوند، عاجزیم! هرچند سلولز ها کاربرد های شیمیایی فراوانی دارند و در ساخت کاغذ، خانه های چوبی، کفش های چوبی و امثال آن ها مورد استفاده قرار داده ایم، اما هنوز در درک و کشف چگونگی استفاده گسترده از کیتین ناتوان هستیم. تحقیقات فراوانی در خصوص استفاده از کیتین در محصولات متنوعی در حال انجام است و شاید در آینده بتوانیم از کیتین برای تهیه لباس یا پلاستیک استفاده کنیم. این مهم یک حوزه تحقیقاتی با اهمیت است، زیرا از بسپار های طبیعی، که منابعی تجدیدپذیر یا ضایعات هستند، استفاده می کند.

بسپار های طبیعی دسته دوم) پروتئین ها و پلی پپتید ها

پروتئین ها

پروتئین ها اولین مثال پلی آمید (واژهای تجملی برای نایلون) بودند. اگرچه هر دو خصوصیات مشترک بسیاری دارند، اما تفاوت هایی اساسی در نحوه ساخت و خصوصیات فیزیکی آن ها وجود دارد. شباهت آن ها در این است که هر دو دارای اتصالی امیدی (amide) در ستون خود هستند. امید ها از گروه های اسید کربوکسیلیک و گروه های امین (amine) به واسطه از دست دادن آب ساخته می شوند. ساختار و کنش متقابل بینامولکولی قسمت مولکولی امید منحصر به فرد هستند. اساساً این بخش، به علت هیبرید شدگی نیتروژن، کربن و اکسیژن گروه امید، یکنواخت است. مهمتر از آن اینکه هیدروژن بر نیتروژن و کربنیل اکسیژن قادر به اجرای کنشی متقابل به نام ارتباط هیدروژن هستند. علت شباهت نسبی گروه های امیدی این است که برای روابطی قوی که به آمید داده می گردد، شامل پروتئین های غیرمعمول بسپار ها هستند. این نوع از کنش متقابل در بخش نایلون هم تشریح شده و شباهت کلیدی میان بسپار های طبیعی و مصنوعی محسوب می گردد.

تفاوت میان نحوه تولید نایلون در طبیعت و نحوه تولید مصنوعی آن به وسیله انسان قابل توجه است. نایلون اغلب از مولکول هایی که گروه های CH2 فراوانی در خود دارند، ساخته می گردد. بخش نایلون ها ساختار نایلون 6 و نایلون 6/6، دو نوع از بسپار های مصنوعی بسیار شایع را نشان می دهد. آن ها دارای چهار، پنج یا شش گروه CH2 در بین واحد های امید هستند. در هر صورت، طبیعت با بکارگیری صرفاً یک کربن خاص در میان گروه های امید، صرفه جویی بسیار بیشتری به خرج می دهد. آنچه که طبیعت به طور متفاوتی انجام می دهد جایگزینی این کربن با تعداد فراوانی از گروه ها و بخش های کاربردی فرق دارد.

متن شکل (این پلی امید طبیعی است. این یک پلی امید مصنوعی، نایلون 6/6 است. هر واحد تکرار در طبیعت یک گروه R ویژه دارد. سرشت گروه های R. و نظمی که در آن قرار گرفتهاند، میتوانند خصوصیات متغیر نامحدودی داشته باشند. این مهم در خصوص میکروساختار مناسب چگونه است! در مقابل مصنوعات آن رشدی بی فایده دارند و هر واحد تکرار دقیقاً یکسان هستند. ما چقدر ناتوان هستیم.)

در نتیجه به دو خصوصیت دست می یابیم. نخست اینکه بخش های اختصاصی و کل مولکول از لحاظ بصری فعال یا چیرال، یعنی مانند دستکش هستند: هر دو نسخه راست و چپ وجود دارند، که به دلایل مختلفی، طبیعت فقط نسخه دست چپ اسید های آمینو را که به وسیله گیاهان و حیوانات ترکیب شده اند، مورد استفاده قرار می دهد. این واقعیت که تنها یکی از ایزومر ها به کار گرفته می گردد پیامد های استریوشیمیایی مرتبی در پی خواهد داشت. برای مثال پلی پپتید های طبیعی می توانند به ساختار های هلیکال شکل دهند، در صورتی که نایلون ها قادر به انجام آن نیستند. صورت بندی هلیکال ثبات پلی پپتید های طبیعی را افزایش می دهد. آیا میدانید که تعدادی از باکتری ها میتوانند از آب جوش آمده هم جان سالم به در ببرند؟ علت آن این است که بسپار های طبیعی آن ها به واسطه چنین ساختار های هلیکالی تثبیت شده اند. بخش های کوچک چنین ساختار های هلیکالی همان چیزی هستند که طبیعت برای فرم دادن به آنزیم ها در اشکالی خاص مورد استفاده قرار می دهد، به نحوی که بتوانند جادوی کاتالیتیک خود را انجام دهند. برای مثال شاید یک بخش حلقوی شانسی انعطاف پذیر به وسیله دو بخش حلزونی طوری به هم متصل شوند که تأثیری متقابل بر تعدادی از زیرلایهها داشته باشند.

آنزیم ها

آنزیم ها یکی از انواع کلیدی پلی پپتید ها هستند و برای زندگی بر روی زمین حیاتی اند. تمام ارگانیسم های زنده از آنزیم ها برای ساخت، بهبود و جدا کردن بسپار هایی که در اینجا تشریح شدند، استفاده می نمایند. آنزیم ها کاتالیزور هایی دارای وظایف خاص هستند. در واقع، هر آنزیم یا یک نوع وظیفه خاص را به دفعات زیاد انجام می دهد و یا فقط یک نوع مولکول را درست می کند. این امر بدین معنی است که باید آنزیم های متفاوت فراوانی، که از ترکیبات مختلف اسید های آمینویی ساخته شده اند، وجود داشته باشند تا به طرق خاصی به پلی پپتید ها متصل شده و تمام وظایفی را که هر ارگانیسم زنده باید انجام دهد، به نتیجه برسانند. می دانیم که هر موجود زنده روی زمین دارای صد ها یا حتی هزاران آنزیم گوناگون است تا بتوانند تمام وظایف خود را انجام دهد. اما موضوع غیرعادی این است که هر یک از آنزیم ها باید به وسیله دیگر آنزیم ها ساخته شوند، که این امر نیز به پیدایش مکانیسم کنترل بسیار پیچیدهای منجر می گردد: (در موارد فراوانی) ما حتی کوچکترین ایده ای نسبت به نحوه تصمیمگیری طبیعت درباره اینکه چه آنزیم هایی باید ساخته شوند و یا چگونه آنزیم ها خاموش و روشن می شوند، نداریم. ما در حال درک این مهم هستیم و مطالعه چنین سیستم هایی بخش عمدهای از بیوشیمی و بیولوژی را تشکیل میدهد.

بسپار های طبیعی دسته سوم)گردشی بر جاده ابریشم

یکی از پلی پپتید های منحصر به فردی که به علت خواص فوق العاده آن از قدیم الایام مورد استفاده قرار گرفته، ابریشم است. این ماده سال ها پیش از میلاد مسیح به وسیله چینی ها کشف شد. ابریشم به واسطه کرم های صدپای کوچکی که برای تبدیل شدن به پروانه به دور پیله های خود می چرخند، تولید می گردد. ما ابریشم را از کرم های صدپایی که آن را ترک می نمایند، به چنگ می آوریم. ابریشم به رشته های نخی تغییر شکل می دهد و دسته کردن بسپار های بسیار خرد موجب استحکام بیشتر آن ها می گردد. این همان روشی است که برای ساخت ریسمان مورد استفاده قرار می گیرد، یعنی به هم گره زدن تار های ضعیف به نحوی که در نهایت محکم و دارای انعطاف پذیر شوند. ساختار مولکولی ابریشم برای پلی پپتید غیرمعمول است، چون میزان فراوانی اسید آمینوی غیرقابل جایگزینی به نام گلیسین دارد. اجزای گلیسین می توانند زنجیر های پهنی را که به خوبی و محکمی به هم فشرده می شوند، تشکیل دهند، و همین امر استحکام فوق العاده و انعطاف پذیری براق را به یکی از خصوصیات ابریشم تبدیل می کند. ابریشم، که قرن ها به ویژه بر جریان تجارت اقلیم های گرم و بارانی شرق آسیا مسلط بود، دارای چنین خواص منحصر به فردی است. تجارت ابریشم در میان ژاپن و چین اقتصاد تمدن های آن منطقه را مهار کرده بود. حتی در آمریکای پیش از جنگ جهانی دوم هم ابریشم در تولید جوراب های ساق بلند ابریشمی نقش قابل توجهی داشت. وقتی ابریشم در ساخت سیم های چتر های نجات مورد استفاده قرار گرفت، زنان آمریکایی بسیار آشفته شدند، چون موجب شد تا شرکت های شیمیایی برای ساخت جوراب های ساق بلند نایلونی به تولید ابریشم مصنوعی روی آورند، و به این ترتیب پا های خانم ها گرم میماند و مردان می توانستند به میدان های جنگ بازگردند.

نگاه علمی به پروتئین سازی

تفاوت دیگر میان پلی پپتید ها و نایلون ها به روش ساخت آن ها برمی گردد. ما انسان ها به طور روزمره چندین تن نایلون را در کارخانه های بزرگ شیمیایی، که مولکول های ساده را در کمیت های فراوان به یکدیگر متصل می نمایند تا محصولات مورد نیاز و خواسته شده را عرضه نمایند، تولید می کنیم. طبیعت در نحوه انجام امور بسیار محتاط تر و دقیق تر از ماست، زیرا برای تولید یک آنزیم به وسیله یک موجود زنده باید آنزیم یا گونه فعال دیگری درگیر گردد. اما در تولید مصنوعی همیشه یک الگو یا نمونه در امر چگونگی اتصال اسید های آمینو به منظور تولید بسپار نهایی درگیر می گردد. این الگو یا نقشه همان پیک mRNA است. البته پیامی که این پیک حمل می کند عبارت است از اینکه آنزیم پپتیدساز درگیر باید چگونه پلی پپتید را تولید کند. هر اسید آمینه به وسیله یک حامل مولکول به آنزیم آورده شده و به وسیله تمام خانواده آبشاری اقدامات واکنشی، فعال می گردد. همانطور که mRNA دلالت می کند، آنزیم در هر مرتبه یک اسید آمینوی خاص را اضافه می کند. این فرآیندی زمانبر، کسل نماینده و نیازمند صبر فراوان است. برخی اوقات آنزیم امید خود را نسبت به رسیدن اسید آمینوی صحیح از دست می دهد و در عوض اسید دیگری را می زند. پس به منظور جبران این اشتباه، معمولاً آنزیم پشتیبان برای رسیدگی به فعالیت های آن ساخته می گردد. اگر اشتباهی از آنزیم سر زده باشد، فرآیند سد کردن اسید آمینوی غیرصحیح و وارد کردن مورد صحیح شروع می گردد. ما انسان ها هرگز چنین عملی را انجام نمی دهیم، بلکه اگر اشتباهی از ما سر بزند به سادگی پوزخندی زده و آن را دور می اندازیم.

ما درس های فراوانی از طبیعت می آموزیم

یکی از وظایف دانشمندان درک این مهم است که طبیعت چگونه عملی چنین دقیق را انجام داده که می توان در پی ایجاد نمونه های مصنوعی آن بود. برای مثال، وقتی دریافتیم که چرا ابریشم خواصی چنین منظم را داراست، توانستیم ابریشم مصنوعی را به شکل نایلون بسازیم. ما هنوز راهی طولانی تا ساخت RNA و DNA مصنوعی، که به زندگی مصنوعی ختم می شوند، در پیش داریم. هرچند که ممکن است هرگز به آن نقطه دست نیابیم، اما تلاش برای چگونگی آن لذت بخش بوده و به پیشرفت هایی مهم در حوزه بسپار های مصنوعی و دیگر حوزه ها از قبیل پزشکی و بیوشیمی منجر خواهد شد. در اینجا این مسئله مهم مطرح می گردد که علم مانند زندگی است، تنها با یک قضیه سر و کار ندارد بلکه تمام قضایا در آن با هم درتنیده اند.