کاربرد مهندسی ژنتیک در صنعت نساجی

بشر سالهاست که با کمک باکتری ها و فرآیند تخمیر از طبیعت برای رفع نیازهایش استفاده می کند. امروزه استفاده از میکروارگانیسم های زنده، جهت انجام فرآیندهای مختلف را، بیوتکنولوژی می گویند. در سال ۱۹۸۱ فدراسیون اروپا تعریفی برای بیوتکنولوژی ارائه نمود که عبارت است از: به کار گیری مجموعه ای از رشته های بیوشیمی، میکروبیولوژی و مهندسی شیمی برای دست یافتن به ظرفیت های جدید تکنیکی با استفاده از میکروبها و سلولهای کشت شده میکروبها و بافتها.
بیوتکنولوژی مطلب جدیدی نیست و هزاران سال است که انسانها مواد غذایی همچون خمیر نان، ماست و … را به کمک آن تولید می نمایند. لازم به ذکر است که بیوتکنولوژی تنها با بیولوژی در ارتباط نیست بلکه در حقیقت، با مجموعه ای از رشته های مربوط به طبیعت و علوم مهندسی مرتبط می باشد.
امروزه بیوتکنولوژی برای صنعت نساجی نیز بسیار مفید واقع شده و خدمات زیادی را ارائه کرده است. بیوتکنولوژی علاوه بر ارائه راهکار های جدید در خصوص آنزیم ها و میکروب ها به اصلاح توان DNA مولکولهای مواد پرداخته و دستاوردهای زیادی را نیز در زمینه مهندسی ژنتیک داشته است که در ادامه بیان خواهد شد.

مهندسی ژنتیک ابزاری جدید در تولید
یکی از رشته های جذاب و مدرن در بیوتکنولوژی، مهندسی ژنتیک است که خواص مولکولی را اصلاح نموده و در ساختار مولکولها اثرات مطلوبی را ایجاد می نماید. این رشته در اصل مجموعه روش هایی است که DNA مواد مختلف را تغییر داده و سبب اصلاح ساختار ژن ها و میکروارگانیسم ها می گردد. DNA یا داکسی ریبونوکلئیک اسید مولکول شیمیایی است که اطلاعات و داده های ارثی را حمل می کند و آنها را از پدر و مادر به فرزند منتقل می نماید. به واحد ارثی تشکیل یافته از DNA نیز ژن می گویند[۱].
دانشمندان با فهم کامل این مطلب که ژن های مختلف طی چه فرآیندی به خواص متعدد و مشخصات گوناگون یک ارگانیسم زنده می پردازند، تکنیک هایی را ایجاد می نمایند که برای جداسازی این ترکیبات فعال و کنترل و حفظ آنها در بیرون از محیط سلولی به کار روند.
در اصل DNA یک کد ژنتیکی را با خود حمل می کند که برای استفاده در موارد گوناگون دانشمندان را کمک می نماید. پس از شناسایی، مرحله بعد انتقال اجزاء DNA به دست آمده از یک ارگانیسم به ارگانیسم دیگر می باشد و بدین وسیله برخی از خواص و مشخصات ارگانیسم اول به ارگانیسم دوم منتقل می گردد و تغییر شکل مورد نظر ایجاد می شود. برای مثال برخی محققان بر روی کنترل و هدایت مواد تولید کننده آنزیم کار کرده اند. در این بین شرکت دانمارکی “نوو” کشف نمود که آنزیم تولید شده از نوعی قارچ مخصوص خواص بسیار مناسبی جهت
حل نمودن چربی ها دارد.
به عنوان مثالی دیگر، سعی شده تا برای الیاف گران قیمت و مرغوب به کمک مهندسی ژنتیک جایگزینی مطلوب و مقرون به صرفه تولید گردد.
مثلاً کشمیر که دارای خواص بسیار مطلوب و قیمت بالایی می باشد مورد مطالعه قرار گرفت. سپس با ایجاد تغییرات در ساختمان الیاف ارزان تر، مانند پشم معمولی و یا پشم گاو نر کوهان دار، سعی شد تا به کمک تکنیک های انتقال ژن برخی خواص کشمیر به این الیاف انتقال پیدا کند و یا به وسیله ترکیب ژن های گرفته شده از یک میکروب گیاهی با گیاهان دیگر، گیاهان مقاوم در برابر حمله حشرات ایجاد شده است.

پادتن های مونوکلونال، نشانه گذارهای نسل جدید در نساجی
پادتن های مونوکلونال مولکول های پروتئینی هستند که توان زیادی برای استفاده به عنوان ممیز و شناساگر دارند و حتی زمانی که با غلظت های بسیار پایین استفاده شوند، این عمل را به طور مطلوبی انجام می دهند. این پادتن ها اولین بار در رشته پزشکی به کار گرفته شدند. از این مواد برای کشف سلول های سرطانی استفاده می شد و به همین خاطر روش استفاده از آنها به گلوله جادویی معروف گردید و کم کم در تست های بارداری و حاملگی نیز مورد استفاده قرار گرفتند.
شرکت Biocode پادتن های مونوکلونال را به عنوان یک وسیله تشخیص بسیار حساس برای پیشگیری از تقلب به کار گرفت. این مواد که به عنوان نشانه گذار استفاده می شوند، ارزان بوده و از مواد بی خطر و ایمن برای محیط ریست تولید می شوند و می توانند در مواد غذایی، نوشیدنی ها و منسوجات در غلظت های بسیار کم مورد استفاده قرار گیرند.
کدهای موجود در آنها کاملاً بی خطر است و به سهولت توسط گمرک و بازرسان اداره استاندارد با استفاده از تجهیزات ساده شناسایی می گردند. از این تکنولوژی برای علامت گذاری رزین های نایلون و آکریلیک می توان استفاده نمود. همچنین نشانه گذارها می توانند با رنگزاها توأم شوند و یا به وسیله چاپگرهای جت و جوهر افشان به همراه رنگیه ها و مواد رنگی روی سطح کالا به کار روند.

ردیاب های DNA، سدی در برابر تقلب
یکی دیگر از تکنولوژی های موجود در زمینه مهندسی ژنتیک، ردیابهای DNA است. اجزاء کوچک DNA می توانند برای اتصال به DNA دیگر طراحی شوند و به کمک این روش می توان مواد مشابه را از هم تشخیص داد. اولین افرادی که از این روش در صنعت نساجی استفاده نمودند وارد کنندگان و تکمیل گران موهای حیوانی بودند. این روش کاربردهای متعددی دارد، مثلاً در صنعت نساجی برای تشخیص کشمیر از پشم و دیگر الیاف حیوانی می توان از آن استفاده نمود. اکنون ردیاب های مشابهی برای شناسایی پنبه و سایر الیاف گیاهی مانند رامی، کنف و چتایی شناخته شده اند.

بیوسنسورها یا حس گرهای بیولوژیکی
یکی دیگر از موارد استفاده مهندسی ژنتیک در صنعت نساجی استفاده از بیوسنسورها می باشد. بیوسنسورها در اصل ابزارهای کنترل بسیار حساس هستند و تغییرات به وجود آمده در محیط را به سرعت تشخیص می دهند. این کار توسط مقدار کمی از مواد فعال بیولوژیکی بسیار ریز صورت می گیرد و بدین وسیله واکنش های فیزیکی و شیمیایی را کنترل می کنند.
با توجه به خواص مفید بیوسنسورها انتظار می رود که این مواد در صنعت نساجی کاربردهای زیادی یابند. به عنوان مثال می توان به کاربرد آنها در فیلترهای هوشمند و لباسهای محافظ جهت حفاظت در برابر مواد شیمیایی، گازها و مواد فعال بیولوژیکی اشاره نمود[۳].

تولید رنگ، گامی موثر در حفظ محیط زیست
رنگها می توانند توسط فرآیند تخمیر و یا از گیاهان تولید گردند. پیش از تولید رنگینه های مصنوعی در قرن ۱۹، برخی از رنگها با استفاده از گیاهان تهیه می شد، مانند نیل، ایندیگو و روناس.
تعدادی از میکروارگانیسم ها، رنگدانه ها را در طی مراحل رشدشان تولید می کنند. مانند رشد کپک روی پلاستیک و پارچه که لکه های با دوامی را روی آنها ایجاد می نماید. برخی میکروارگانیسم ها قادرند ۳۰ % وزن خشکشان رنگدانه تولید نمایند. برخی از رنگدانه های میکروبی، مشتقاتی از بنزوکینون، نفتوکینون، آنتراکینون، پرینفتون و بنزو فلورانتن کینون را نشان می دهند که شبیه به ساختارهای موجود در زمینه های خمی است. بنابراین به نظر می رسد که میکروارگانیسم ها ظرفیت زیادی را جهت تولید رنگینه های نساجی دارند. این مواد بر اساس روش های تخمیر، تولید و کنترل می گردند و قادرند که جایگزین روش های شیمیایی – مصنوعی گردند[۳].
یکی از مزایای تولید رنگینه ها به روش بیولوژیکی، دوستدار محیط زیست بودن این روش می باشد و چون ترکیبات سمی مانند فلزات سنگین در آن تولید نمی گردد، نسبت به روش های شیمیایی – مصنوعی بسیار مطلوب تر هستند.
روش دیگری نیز به کمک بیوتکنولوژی برای تولید رنگدانه ها جهت استفاده در غذا، لوازم آرایشی و صنایع نساجی به وجود آمد. در این روش از طریق کشت سلولی اقدام به تولید رنگدانه می نمایند. یکی از موفقیت های مهمی که در زمینه کشت سلولی رنگدانه ها به وجود آمده است، تولید بیولوژیکی رنگدانه قرمز Shikoninدر ژاپن است. طبق استاد موجود Shikonin از ریشه گیاه پنج ساله Lithosperum erythrorhiz استخراج می شود. این ماده ۱ تا ۲%
وزن خشک ریشه را تشکیل می دهد و از آن در لوازم آرایشی استفاده می کنند. در کشت سلولی، رنگدانه Shikonin حدود ۱۵ % از وزن خشک سلولهای ریشه را به خود اختصاص می دهد[۲].
همچنین تلاش هایی برای تولید ایندیگو به شکل میکروبی صورت گرفته است و بعلاوه در زمینه تولید پیگمنت های قارچی نیز تحقیقات گسترده ای انجام شده است. همان طور که اشاره شد برخی قارچ ها قادرند نسبت به توده بیولوژیکی خود، در تولید پیگمنت تا ۳۰ % بازده داشته باشند[۳].

ژنتیک، دریچه ای به سوی بیوپلیمرها و الیاف جدید
بشر نیاز شدیدی به منابع تجدید شدنی و قابل بازیافت و همچنین روش های تولید دوستدار محیط زیست برای تولید الیاف و مواد اولیه الیاف دارد. یک راه برای نیل به این منظور استفاده از مواد اولیه (معمولاً پلیمری) است که تولید آنها آسان می باشد و روش دوم به کار گیری میکروارگانیسم ها است. یعنی می توان برای تولید مواد اولیه ای که به آسانی از طبیعت به دست نمی آیند از میکروارگانیسم ها استفاده نمود. لازم به ذکر است که برخی از مواد اولیه تولید شده به کمک میکروارگانیسم ها حتی ممکن است که در آزمایشگاه های تخصصی نیز، قابلیت تولید آنها وجود نداشته باشد[۲].
روش های گوناگونی در مهندسی ژنتیک جهت تولید الیاف جدید در حال بررسی می باشد. کلیه این روش ها به دو گروه اصلی تقسیم بندی می شوند:
– مهندسی ژنتیک و تولید مونومر
روش های گوناگون تولید پروتئین ها به عنوان گروه مهمی از بیوپلیمرها توسط بیوتکنولوژیست ها بررسی گردیده است و روش های ژنتیکی بسیاری جهت تولید آنها به کار گرفته شده است. در این فرآیندها ژن های پروتئین های گیاهی و یا حیوانی مانند کولاژن و یا ابریشم های مختلف را به ارگانیسم های مناسب انتقال داده و پروتئین های مورد نظر را در طی پروسه تخمیر تولید می کنند. به عنوان مثال، ارتش آمریکا به کمک فعالیت های ژنتیکی که روی نوعی عنکبوت انجام داد توانست تار عنکبوت های بسیار مقاوم و محکم با قابلیت های ویژه تولید نماید و از آن در جلیقه های ضد گلوله و کاربردهای دیگر نظامی استفاده نماید[۳].
در روشی دیگر فرآیند تولید مونومر بوسیله کشت سلولی، در محلول مناسبی از ژنهای مهندسی شده، صورت می گیرد برای کشت سلولها از شیر حیوانات استفاده می گردد. حیواناتی که از شیر آنها به عنوان محیط کشت سلولی استفاده می شود، حیواناتی هستند که در آنها تغییرات ژنتیکی لازم ایجاد شده است. پس از کشت سلولی و رشد مونومرهای پروتئینی، مونومرها جداسازی شده و سپس به روش خاصی ریسیده می شوند و بعد از آن جهت افزایش استحکام و ایجاد خواص مطلوب کشیده می شوند تا به الیاف قابل استفاده در صنعت تبدیل گردند[۳].
– مهندسی ژنتیک و اصلاح الیاف
طبیعت برای ما الیاف نساجی همچون پشم، پنبه و ابریشم را مهیا می نماید. به کمک علم ژنتیک و بیوتکنولوژی امکان تولید و یا اصلاح الیاف وجود دارد. به علاوه بازده تولید الیاف را می توان افزایش داد. پنبه به عنوان مهمترین لیف نساجی که امروزه حدود ۸۰ کشور دنیا به تولید آن می پردازند یکی از اهداف مورد نظر در این زمینه می باشد.
پنبه خواصی دارد که حمله حشرات را به آن آسان می نماید و در نتیجه نگهداری از این گیاه سخت می گردد. این حشرات به کمک مقدار زیادی از آفت کشها کنترل می گردند. علاوه بر حشرات گیاه پنبه توسط علفهای هرز و گیاهان مزاحم نیز تهدید می شود. این علفها در شرایطی که آبیاری زیاد صورت گیرد رشد می کنند و پنبه در مقابل آنها ضعیف است و برای کشاورزان این مساله مطلوب نیست.
شرکت هایی که در زمینه بیوتکنولوژی فعالیت می کنند در مورد این مطلب تحقیقاتی انجام دادند و با کمک مهندسی ژنتیک و به صورت بیولوژیکی سعی در اصلاح گیاه پنبه نمودند، تا در مقابل حشرات و گیاهان دیگر مقاوم شود.
آفت کشهای بیولوژیکی بر اساس یک باکتری موجود در خاک که Bt نامیده می شود پایه گذاری شده است. این باکتری پیش از این برای کنترل سوسک ها، کرم هزار پا، در حجم زیادی برای سبزیجات، میوه ها و محصولات گوناگون استفاده می شد. پایداری مناسب، ماندگاری خوب و عملکرد مطلوب Bt باعث شد از آن برای مقابله با کرم های غوزه و کرم های غنچه در گیاه پنبه استفاده شود. لازم به ذکر است که جهت مقاوم سازی بهتر گیاه پنبه نسبت به حشره های بزرگتر و علف های مقاوم در برابر علف کشها دانشمندان دست به اصلاح ژنتیکی پنبه زده و با اصلاح پنبه خواص بسیار مناسبی را در آن ایجاد نمودند. نتیجه اصلی به دست آمده در این مطالعات، تولید لیف پنبه با ۵۰٪ استحکام بیشتر نسبت به پنبه اولیه بود.
هدف دیگر این تحقیقات اصلاح کیفیت الیاف، خواص آن (مانند طول و استحکام) و بهبود و توسعه این الیاف برای کاربردهای ویژه بوده است. به علاوه فعالیت هایی در زمینه تولید الیاف پنبه رنگی در مقیاسهای کوچک انجام شد ولیکن پیشرفت در زمینه رنگرزی کلاسیک الیاف پنبه ، این تحقیقات را محدود ساخت.
اما پیشرفت ها در راستای تولید پنبه رنگی ژنتیکی (رنگهایی مانند آبی و شیدهای روشن) قابلیت این را دارد که انتظارات ما را در سیستم سفید گری و رنگرزی برطرف نماید. فرآیند تولید پنبه رنگی بوسیله اصلاح ژنتیکی پنبه و مهندسی DNA پنبه صورت می گیرد. برای پنبه های رنگی مصارف گوناگونی ذکر شده است. مثلاً از پنبه ایی با عمق زیاد می توان در پارچه های جین استفاده نمود.
با توجه به رشد روز افزون بیوتکنولوژی انتظار می رود که در زمینه پرورش، نگهداری و مراقبت از حیوانات نیز تحول اساسی ایجاد شده و در نتیجه این تحول میزان تولید و کیفیت الیاف حیوانی رشد فزاینده ای نماید. از روش هایی که به کمک آن تغییراتی را در ساختار الیاف حیوانی ایجاد کرده اند می توان به باروری و انتقال جنین، امکانات عیب شناسی، واکسنهای ژنتیکی طراحی شده و داروهای معالج اشاره نمود.
سازمان تحقیقات ملی استرالیا در راستای مقاوم سازی پشم نسبت به کرم و مگس فعالیت هایی را انجام داده است. این مقاوم سازی به طور بیولوژیکی و با اصلاح ساختار ژنتیکی حیوان صورت گرفته است که باعث ترشح یک ماده دافع شده و از حمله موجودات موذی به پشم گوسفند جلوگیری می کند. همچنین قادرند که پشم را به صورت بیولوژیکی بچینند و به آن روش Biological wool shearing می گویند. این تکنیک بر اساس رشد یک عامل مصنوعی در سطح پوست و بشره حیوان بنا نهاده شده است. زمانی که این ماده به حیوان تزریق می شود رشد پشم های گوسفند متوقف می شود. یک ماه بعد ترک هایی در الیاف ظاهر می شود و این امکان ایجاد می شود که الیاف پشم در نصف مدت زمان لازم چیده شوند. این تکنیک در چند کشور مورد بررسی و مطالعه قرار گرفته است و الیاف به دست آمده در این مطالعات ظریف تر و با کیفیت بهتری بودند. علاوه بر مطالب یاد شده می توان به اصلاح الیاف کراتینی مانند پشم اشاره نمود که به وسیله اصلاح ژنتیکی و ظهور سایر پروتئین ها در ساختار پشم خواص مطلوبی را در آن ایجاد نمایند. کار در زمینه تولید و اصلاح خواص الیاف روز به روز سرعت بیشتری می گیرد و با توجه به نیاز بشر در این زمینه مهندسی ژنتیک می تواند با تولید محصولات ویژه خود کمک شایانی را ارائه نماید[۳].
نتیجه گیری
بیوتکنولوژی حرکت خود را جهت ارائه فرآیندهای دوستدار محیط زیست آغاز نموده و از مهندسی ژنتیک نیز همانند دستی توانمند کمک گرفته و با اصلاح DNA مواد گوناگون ، فرآیندها و محصولات نوینی را معرفی کرده است. ولیکن برخی از این محصولات جدید به طور کامل صنعتی نشده و توسعه نیافته اند و جا دارد با توجه به خصوصیات بسیار مطلوب این محصولات نسبت به تولید انبوه آنها اقدام گردد. گسترش تحقیقات در زمینه مهندسی ژنتیک می تواند نسل جدیدی از انواع مواد اولیه و محصولات مرتبط با نساجی را تولید نماید که علاوه بر برخورداری از کیفیت بالا و قیمت تمام شده پایین، در حفظ محیط زیست و کاهش آلودگی های صنعتی نیز عرصه جدیدی را پیش روی صنعتگران قرار دهد.

منابع
[۱] Paul F Hainly.1995. The Impact of Biotechnology on the Textile Industry. Textiles Magazine, N.3.p.6-1.
[۲] Roy Broughton. Jie Xu( Bioelastics. Ltd). 1996. Production of Fibers from New Polymers Derived from Biotechnology, National Textile Center Annual Report
[۳] T Ramachandran and T Karthik 2003. Application of Genetic Engineering and Enzymes in Textiles IE (1) Journal-TX