بررسی جامع از بیوپلیمرها
اثرات زیست محیطی زباله های پلاستیکی مقاوم نگرانی جهانی را در پی دارد و روش های دفع آن نیز محدود است. ازطرفی، این نگرانی زمینۀ تحقیقات در زمینه پلیمرهای طبیعی زیست تخریب پذیر را فراهم کرده است. بیوپلیمرها (پلی ساکاریدها) کاربردهای مختلفی در صنایع پزشکی، غذایی و نفت دارند. میکروارگانیسم ها می توانند در شرایط تولید ساده اما پر هزینه باشند و به خوبی پلی ساکارید را تولید و دفع می کنند. تعدادی از پلی ساکاریدهای تولید شده توسط میکروارگانیسم ها یا بعنوان محصولات تجاری پذیرفته شده اند یا از پتانسیل تجاری سازی برخوردار هستند. ظهور بیوتکنولوژی مدرن اساسآ دیدگاه دانشمندان را نسبت به موجودات زنده و موادی که تولید می کنند تغییر داده است. تنها مشکل موجود در مسیر توسعۀ این پلی ساکاریدها، عدم وجود فرایندهای کارآمد برای استخراج و خالص سازی آنها است. با این حال کاربردهای جدید در زراعت، مواد غذایی، آرایشی، بهداشتی و درمانی می تواند در آینده ای نزدیک تلاش های تحقیقاتی را برای توسعه آنها افزایش دهد. بنابراین، این بررسی بر روی پلی ساکاریدهای مفید مختلف جدا شده از میکروب ها و همچنین کاربردهای آن در زمینه های مختلف متمرکز است.
سالانه حدود 140 میلیون تن پلیمر مصنوعی در سراسر جهان تولید می شود. از آنجایی که پلیمرها بسیار مقاوم هستند، روند تجزیه آنها در محیط زیست بسیار کند است. آلودگی زیست محیطی توسط پلیمرهای مصنوعی مانند پلاستیک های زباله به یک مشکل بزرگ تبدیل شده است. پلاستیک ها و پلیمرها بخش جدایی ناپذیری از زندگی روزمرۀ ما هستند. با این حال به دلیل مقاومت در برابر تجزیه، به میزان حدود 8 درصد وزنی و 20 درصد حجمی در محل های دفن زباله روی هم انباشته می شوند. پلیمرها دسته ای از مولکول های غول پیکر هستند که از بلوک های ساختمانی مجزا تشکیل شده اند تا با اتصال به هم زنجیره های بلندی را تشکیل دهند. بلوک های ساختمانی ساده مونومر نامیده می شوند، در حالی که بلوک های ساختمانی پیچیده تر اغلب "واحدهای تکرار" نامیده می شوند. بیوپلیمرها نیز بعنوان پلیمرهایی تعریف می شوند که در شرایط طبیعی در طول چرخه رشد تمام موجودات تشکیل شده و در مواد، سلولز و نشاسته کاربرد دارند. با این حال، پلیمرهای هیدروکربنی پیچیده تر تولید شده توسط باکتری ها و قارچ ها بویژه پلی ساکاریدهایی مانند زانتان، کوردلان، پولولان، کیتین، کیتوزان و اسید هیالورونیک بسیار مورد توجه قرار گرفته است. اهمیت بیوپلیمرهای زیست تخریب پذیر روز به روز در حال افزایش است و تحقیقات فعلی بر تولید پلیمرهای زیست تخریب پذیر جدیدتر متمرکز شده است. تعداد زیادی از پلیمرهای زیست تخریب پذیر در طبیعت در طول چرخه رشد تمام موجودات ساخته شده و یا تشکیل شده اند. برخی از میکروارگانیسم ها و آنزیم هایی که قادر به تجزیه آنها هستند، شناسایی شده اند. باتوجه به تکامل سنتز، طبقه بندی های مختلفی از پلیمرهای زیست تخریب پذیر پیشنهاد شده است. تمام بیوپلیمرها با فرایندهای آنزیمی در سیتوپلاسم، در بخش ها یا اندامک های مختلف سلول ها، در غشای سیتوپلاسمی، در اجزای دیوارۀ سلولی، در سطح سلول ها یا حتی خارج سلولی سنتز می شوند که ممکن است در یک قسمت سلول آغاز شده و در قسمت دیگر ادامه یابد. روش های مختلفی برای تولید بیوپلیمرها به منظور دسترس پذیری آنها برای کاربردهای مختلف وجود دارد من جمله: 1: بسیاری از بیوپلیمرها به وفور در طبیعت یافت می شوند و از گیاهان و جلبک های طبیعی تهیه می شوند؛ آگار و آلژینات ها از جلبک های قرمز متعلق به Gelidium یا از جلبک های قهوه ای مختلف که به آنها جلبک دریایی گفته می شود، تهیه می شوند. 2: تعداد کمی از بیوپلیمرها از منابع طبیعی تهیه شده اند مانند اسید هیالورونیک که از بند ناف نوزادان تازه متولد شده استخراج می شود. 3: سنتز آزمایشگاهی بیوپلیمرها با آنزیم های جدا شده در سیستم های بدون سلول، امکان دیگری را برای تولید بیوپلیمرها ارائه می دهد؛ برای مثال، استفاده از پلیمرازهای DNA با ثبات حرارتی در واکنش زنجیره ای پلیمراز (PCR) برای تولید مولکول های تک پراکندۀ DNA است. مثال دیگر دکستران است که می تواند در مقیاس تکنیکال با ساکاراز دکستران ایزوله تولید شود. 4: تولید تخمیری بیوپلیمرها در صنعت استفاده می شود مانند پلی ساکاریدها. تولید بیوتکنولوژیکی بیوپلیمرها ممکن است بصورت درون سلولی یا خارج سلولی اتفاق بیفتد. تولید هیدروکسی آلکانوات ها، سیانوفایسین، گلیکوژن، نشاسته و پلی فسفات در داخل سلول نسبت به خارج سلولی در سیتوپلاسم سلول ها انباشته شده اند. بنابراین، وجود فضای کافی در سیتوپلاسم مقدار پلیمری را که می تواند توسط یک سلول تولید می شود محدود کند. این امر بویژه برای برای فرایندهای تولید تخمیری که اساسآ از میکروارگانیسم ها استفاده می کنند، مرتبط است. بنابراین، بازدهی حجم با چگالی سلولی و کسر بیوپلیمر در زیست توده محدود/ تعیین می شود. پلی (گلوتامات بتا-D ) و بسیاری از پلی ساکاریدها مانند آلژینات ها، دکستران، زانتان، کوردلان، پولولان، کیتوزان و سلولز میکروبی نمونه هایی از بیوپلیمرها هستند که در خارج از سلول یا در نتیجۀ سنتز خارج سلولی و یا دفع توسط سلول ها به وجود می آیند.
پلیمرهای زیست تخریب پذیر کاربردهای مختلفی داشته و منجر به توسعۀ بسیاری از محصولات تجاری شده اند. به دلیل تخصص بالا و ارزش واحد بیشتر، کاربردهای پزشکی بویژه با سرعت بیشتری نسبت به سایرین توسعه یافته است. یک گروه مهم از بیوپلیمرها به دلیل سمیّت بسیار کم آن توسط هموپلیمرهای گلوکان بتا نشان داده می شود که دارای پتانسیل فوق العاده ای در انواع بیماری ها هستند. تحقیقات پزشکی مدرن به مرحله ای رسیده است که مکانیسم های اساسی اثرات گلوکان شناسایی کرده و رابطه بین ساختار و فعالیت به وضوح ترسیم شده است. برای سالیان متوالی، تمکز اصلی تحقیقات دارویی بر روی سنتز یا کشف داروهای جدید بوده است. استفاده از مواد بیوپلیمری برای دارورسانی می تواند واکنش بافتی را به حداقل برساند و اجازه دهد تا داروها به روش های غیرمتعارف تجویز شوند. همچنین استفاده از بیوپلیمرها در این فرمول ها تاکنون به مجموعه محدودی از کاربردها محدود شده است. این فرمول های دارویی حاوی سیستم های دارورسانی پلیمری در حال حاضر در حال ثبت هستند و احتمالآ در آیندۀ نزدیک بازار را در دست خواهند گرفت. حوزۀ اصلی فعالیت این سیستم ها رهایش پایدار دارو در درمان سرطان ها و بیماری های سالمندان است. گاهی اوقات این سیستم های دارورسانی بیوپلیمری در درمان اختلالات هورمونی نیز کاربرد دارند.
از آنجایی که مطالعۀ خواص پلی ساکارید میکروبی جدیدتر همچنان رو به افزایش است، ما بایستی تجاری سازی چنین ترکیباتی را در مقایسه با فرآورده های سنتی تسهیل کرده و به نحوی بهبود ساختارهای اصلی را با هزینۀ تولید و توسعه متعادل کنیم. امروزه، روش های موجود قادر به استخراج تمامی پلی ساکاریدهای میکروبی نیستند. یکی از موانع اصلی در تجاری سازی پلی ساکاریدهای جدید در شناسایی خواص جدید یا برتر در مقایسه با خواص فرآورده های سنتی نهفته است. دومین مانع در بهبود سازه های اصلی، هزینه تولید و توسعه است که ممکن است باز هم یک عامل محدود کننده باشد. پلیمرهای موجود در بازار نسبت به تعداد زیادی از پلی ساکاریدهای منتشر شده یا ثبت شده بسیار کم هستند. علاوه براین، اقدام خاصی به نام افزودنی غذایی می تواند با کمک گلوتان بتا مورد تأیید و تحقیق باشد. در نتیجه، صنعت داروسازی ممکن است بازارهای جدیدی را برای گلوکان های اصلاح شدۀ شیمیایی مانند گلوکان های سولفاته فراهم کرده و به توسعه نسل های جدید پلی ساکاریدها با فعالیت های بیولوژیکی مفیدتر کمک کند.
