ما هي البوليمرات الحيوية؟
عندما يتم ربط الجزيئات العضوية الفردية معًا في سلاسل طويلة، يتم تكوين البوليمرات التي لها خصائص مختلفة تمامًا مقارنة بمواد البدء الأصغر. أهم البوليمرات الحيوية هي (DNA) و(RNA) والبروتينات والسكريات. اللبنات الأساسية لهذه الجزيئات هي على التوالي النيوكليوتيدات والأحماض الأمينية والكربوهيدرات (السكريات). تحتوي هذه المركبات على العديد من التطبيقات الصناعية الراسخة، ولكن المجالات الجديدة للتطبيق مثل الأدوية والمستحضرات الصيدلانية تحظى باهتمام وأهمية متزايدة.
أهمية البوليمرات الحيوية
تمّ استخدام البوليمرات الحيوية لأول مرة كمضافات لتثبيت جدران الخندق أثناء التنقيب. من خلال التطورات التي تحققت من خلال استخدامها، تمّ تطوير التطبيق الإضافي إلى تقنية جديدة. يُظهر الإجراء ميزات مماثلة لحفر الخنادق التقليدية، والفرق الرئيسي هو أنّ البوليمر الحيوي (مثل صمغ الغوار) يضاف إلى تعليق التثبيت.
يمكن بعد ذلك وضع المادة التفاعلية في الخندق باستخدام أنابيب (tremie). في بناء حاجز تفاعلي تجريبي بطول 7.6 متر وعمق 10.4 متر، تمّ وضع 90-10٪ من خليط الحديد / الرمل في الخندق باستخدام أنبوب تريمي (Sivavec et al. 2002). تمّ الحرص على تقليل الفصل والتلامس بين خليط الحديد / الرمل والبوليمر الحيوي. بعد التنسيب، تمّت إضافة قاطع إنزيم درجة الحموضة المرتفع إلى السائل لكسر البوليمر الحيوي المتبقي في الخندق، وتمّ وضع الطين على الحاجز لمنع ملامسته للهواء.
بالنسبة للعديد من البوليمرات الحيوية، تكمن أهميتها في الكائن الحي في الطريقة التي تتفاعل بها مع البوليمرات الأخرى. في حالات قليلة توجد رابطة تساهمية بين البوليمرات، على سبيل المثال: في البروتيوغليكان للنسيج الضام الحيواني، أو بين اللجنين والسكريات في جدران الخلايا النباتية. ومع ذلك، في كثير من الحالات، تكون التفاعلات غير تساهمية وتنطوي على روابط أضعف، مثل الروابط الهيدروجينية أو الأيونية أو الروابط الكارهة للماء.
تمّ فحص مجموعة متنوعة من البوليمرات المشتقة بيولوجيًا (يُطلق عليها “البوليمرات الحيوية” أو “البوليمرات الحيوية”) لاستبدال البوليمرات المشتقة من البتروكيماويات في العديد من التطبيقات. بشكل عام، هذه البوليمرات لها دور هيكلي أو تغذوي في الكائنات الحية التي تصنعها. بصفتها بوليمرات حيوية لاستخدامنا، فقد تمّت إزالتها من كائن الحفاز الحيوي الخاص بها وتنقيتها لتقييم خصائصها الجزيئية. تحتوي البوليمرات الحيوية على مجموعة متنوعة من الخصائص الهيكلية التي تجعلها مفيدة لتطبيقات مختلفة.
في كثير من الحالات، مثل التطبيقات الطبية يكون التوافق البيولوجي مطلوبًا للبوليمرات ومع ذلك، قد تكون هناك حاجة أيضًا إلى القوة الميكانيكية والمرونة والصلابة والاستقرار الهيكلي وقابلية التحلل البيولوجي.
علاقة البروتينات مع البوليمرات الحيوية
يجب أن تكون البروتينات، على وجه الخصوص قادرة على التفاعل مع البوليمرات الأخرى، لأنّ الإنزيمات تشارك في تخليق جميع البوليمرات الحيوية وتدهورها. بالإضافة إلى ذلك، هناك العديد من الأمثلة المعروفة للارتباطات بين البروتينات غير الأنزيمية والبروتينات الأخرى، أو السكريات، أو الأحماض النووية.
حركة العضلات على سبيل المثال يتم إحداثها والتحكم فيها من خلال التفاعلات المعقدة بين العديد من البروتينات (الميوسين والأكتين والتروبونين والتروبوميوسين)، بينما ترتبط ألياف الكولاجين بكل من البروتينات السكرية والبروتيوغليكان في الأنسجة الضامة.
يمكن أن ترتبط الأجسام المضادة للبروتين بمستضدات البروتين أو عديد السكاريد، بينما يجب التعرف على هرمونات عديد الببتيد من خلال مستقبلاتها أو البروتينات أو البروتينات السكرية. ترتبط البروتينات التي تتفاعل مع الأحماض النووية (على سبيل المثال: المثبطات) بتسلسلات أساسية محددة أو هياكل ثانوية على الأحماض البوليمرية. في بعض الحالات تكون هذه التسلسلات الأساسية متجانسة تقريبًا، وغالبًا ما تحتوي جزيئات البروتين التي ترتبط بها على وحدتين فرعيتين بحيث يمكن ربط كل منهما بكل حبلا من الحمض النووي.
كيف يتم إنتاج البوليمرات الحيوية؟
يمكن استخدام البوليمرات الحيوية المنتجة من الكتلة الحيوية كبديل للبلاستيك التقليدي المشتق من البترول. يمكن استخلاص البوليمرات الحيوية من الكتلة الحيوية (على سبيل المثال: النشا، السليلوز، البروتينات، الكولاجين) المنتجة عن طريق التخمير (على سبيل المثال: PHA السليلوز البكتيري) أو إنتاجها عن طريق بلمرة المونومرات المنتجة عن طريق التخمير (على سبيل المثال: حمض (polylactic) بولي (بيوتلين سكسينات).
تُشتق البوليمرات الحيوية من مصادر بيولوجية مثل النباتات والميكروبات والحيوانات والنفايات الزراعية والحفريات أو المركبة كيميائيًا من وحدات مونومر بيولوجية مثل السكريات والأحماض الأمينية والدهون والزيوت الطبيعية والنيوكليوتيدات. تشمل هذه البوليمرات الحيوية السليلوز والنشا والكيتين وبروتينات الشيتوزان والببتيدات والحمض النووي والحمض النووي الريبي.
بالمقارنة مع البوليمرات الاصطناعية، فإنّ البوليمرات الحيوية محددة جيدًا من الناحية الهيكلية (تعتبر lignocelluloses استثناءً)، وتعتمد على هيكلها الأساسي المكون من التكرار المتسلسل لوحدات المونومر. إنّها متوفرة بسهولة ويمكن إنتاجها بكميات كبيرة وهي مصدر مستدام للمواد البوليمرية غير السامة والقابلة للتحلل البيولوجي والصديقة للبيئة ومنخفضة التكلفة. تمّ استكشاف توافقها الحيوي في الزراعة.
