به جایی برو که دیگران نرفته اند

استفاده از روش تخمیر برای تولید دارو، سابقه طولانی دارد. امروزه نیازها و الزامات یک زیست رآکتور برای صنایع دارویی با آنچه نیم قرن قبل مطرح می شد، تفاوت بنیادی یافته است. از این رو این پرسش مطرح می شود که برای آینده این فناوری چه چشم اندازی ر ا پیش رو داریم.
پیش بینی آینده هرگز امری آسان نبوده است. شاهد این امر نیز اشتباه های متعدد تاریخی افراد متخصص در پیشگویی تحولات آینده جهان است. در این مقوله مثال های متعددی در مراجع مذکور است. یکی از مشهورترین این ماجراها مربوط است به «توماس واتسون» که به عنوان مدیر وقت شرکت آی بی ام در سال ۱۹۴۳ این گونه پیش بینی کرد؛ «من تصور می کنم در جهان احتمالاً برای حداکثر تا پنج دستگاه کامپیوتر، بازار وجود داشته باشد.» اکنون در کشورهای توسعه یافته، اغلب خانه ها هر یک دارای چهار یا پنج دستگاه کامپیوتر هستند، یعنی در هر اتاق یک دستگاه.
«چارلز دوئل» کمیسیونر وقت دفتر ثبت پتنت ها در ایالات متحده در سال ۱۸۹۹ و در آستانه پایان قرن نوزدهم پیش بینی کرد آن دفتر به زودی تعطیل خواهد شد زیرا «هر آنچه که قابل اختراع شدن بود، اختراع شده بود.» در سال ۱۸۹۹، دفتر ثبت پتنت های ایالات متحده تعداد ۶۳۱۲۳۴ پتنت را به ثبت رسانده بود. امروز تعداد پتنت های ثبت شده حدود هشت میلیون نسخه است، چرا چنین به خطا رفتند؟ بخشی از پاسخ آنجاست که آنها در تلاش بودند تا آینده را با نگرشی غلط پیش بینی کنند. آینده را نمی توان بر اساس کاربردهای یک وسیله یا نحوه پیشرفت تجهیزات پیش بینی کرد. این کار امری نیمه محال است.
در عوض پرسش از «نیازهای آینده» جایگزین مناسبی برای سوال فوق است. در زمانی که «توماس واتسون» پیش بینی خود را اعلام کرد، کامپیوتر وسیله یی بود برای محاسبه جداول بالستیک در صنایع نظامی. به وضوح بازار چنین ابزاری با کاربرد دسته بندی اطلاعات توپخانه بسیار محدود بود. عامل دیگر بروز خطا در پیش بینی آینده، اشتباه در ارزیابی سرعت تغییرات است. خود شما چگونه قادرید زمان تغییر فناوری ها را پیشگویی کنید؟ چگونه حدس خواهید زد که چه موقع روش قدیمی انجام یک کار تغییر کرده و منسوخ می شود؟
یکصد سال به طول انجامید تا «پدیده تلفن» در زندگی انسان ها تثبیت شود. دستگاه فکس طی ۱۰ سال به عنوان یک روش عادی مبادله اطلاعات شناخته شد و تنها اندکی زمان برد تا پست الکترونیک یا همان ای میل در زندگی ما جا باز کند.
«آرتور سی کلارک» نویسنده داستان علمی- تخیلی «۲۰۰۱؛ یک ادیسه فضایی» به عنوان انسانی شناخته شده بود که آینده را پیشگویی می کرد. اغلب ناظران بر این باورند که این احترام کاملاً بجا است و تنها در نتیجه توانایی بی بدیل او در توصیف ابزارها و وسایل آینده بوده است که هم اکنون بسیاری از آنها از عالم خیال به حقیقت پیوسته اند. اگرچه باید تا حدی بر این باور صحه گذاشت، اما بخشی از موفقیت های «کلارک» نیز به توانایی او برای پیشگویی «مسائل و مشکلات جهان فردا» از هر دو منظر فنی و اجتماعی منتسب می شود که او را به پیش بینی راه حل های مناسب برای آن مشکلات رهنمون ساخت. در بررسی هر ابزار خاص، چه یک کامپیوتر خانگی یا یک زیست رآکتور صنعتی، می توان آینده تحولات آن را با نگرش به مسیر تکامل آن از گذشته تا به امروز و استمرار روند «نیاز به تکامل» در حرکت به آینده استنتاج کرد. همچنین تجزیه و تحلیل موضوع «نیازهای آتی» در درک کاستی های کنونی دستگاه ها نیز مفید است و برنامه ریزی برای تکوین های آینده را امکان پذیر می سازد. در صنعت بیوتکنولوژی هم اکنون در آستانه تغییرات اساسی قرار داریم.
زیست رآکتورهای همزن دار فولادی در نیم قرن گذشته دستگاه اساسی صنایع زیستی بوده اند. در حقیقت با بازدید از موسسه علوم شهر لندن درمی یابیم که زیست رآکتورهای اصلی مورد استفاده برای ساخت پنی سیلین در سال ۱۹۵۷، از نظر ظاهر به زیست رآکتورهای امروزی مدل ۲۰۰۷ بسیار شبیه هستند. با این وجود، الزامات یک زیست رآکتور صنعت داروسازی نوین با آنچه که پنجاه سال قبل مد نظر بوده، کاملاً متفاوت است. امروزه ما نیازمند تجهیزاتی برای «درمان های ویژه هر بیمار» هستیم. در ۱۰ سال گذشته، موج فناوری زیست رآکتورهای یک بارمصرف این صنعت را در نوردیده است. مزایای این فناوری در حال پیشی گرفتن از رآکتورهای سنتی همزن دار است. در عین حال بسیاری از مردم در برابر روش های نوین انجام کارها، مانند هر تغییر دیگری، احساس آسایش و راحتی نمی کنند. این افراد با آویختن به جنبه های آشنای فناوری های قدیمی به تلاش برای مقابله با تغییرات روی می آورند.
مثالی مناسب برای این پدیده، سال های اولیه ظهور پدیده اتومبیل است. اگر به طراحی اتومبیل های اولیه بنگریم، درمی یابیم دقیقاً مانند یک کالسکه اسبی طراحی شده اند، البته بدون حضور اسب،
در طراحی زیست رآکتورهای فعلی نیز، با این پدیده «گذشته گرایی» روبه رو هستیم. زیست رآکتورهای یک بارمصرف به وضوح، ناکارایی، هزینه بر بودن و سختی کار با رآکتورهای همزن دار را آشکار ساخته اند. با این وجود کاربران از ترک دستگاه های عزیز و مانوس خود در هراسند. راهکار میانه، رآکتورهای همزن دار یک بار مصرف است که موجب ایجاد احساس قرابت در کاربران قدیمی می شود. این مخزن های بدون فولاد، مانند همان کالسکه های بدون اسب، ابزارهای گذر فناوری از مرحله قدیمی به جدید است. تا زمانی که محققان عادت کنند شباهت به یک مخزن همزن دار، پیش نیاز الزامی یک زیست رآکتور خوب نیست.
● نگرش آینده
با نگرشی ساده جویانه، زیست رآکتور ابزاری است که در آن نوعی فعالیت بیولوژیک کنترل شده صورت می پذیرد. کلمه کلیدی در این تعریف، «کنترل فعالیت» است. یک مخزن تخمیر را تنها در صورتی که به صورت صحیح راهبری شود، می توان زیست رآکتور نامید و اگر همین کنترل روی سیستم اعمال نشود، نتیجه یی بیشتر از مشتی ضایعات تخمیرشده به دست نخواهد آمد.
براساس این تعریف، طراحی یک زیست رآکتور کاملاً وابسته به کاربری مورد نظر برای آن است. لذا طراحی زیست رآکتورهای آینده، مرتبط است به دو عامل؛ «الزامات فرآیند مدنظر» و «گستره صنعتی که در آن به کار گرفته خواهد شد». در این قسمت به بررسی برخی زمینه های پیش بینی حضور زیست رآکتورهای فردا می پردازیم. برای پیش بینی نحوه تحولات زیست رآکتورها در آینده، ضروری است مفهوم رآکتور را با نگرشی وسیع تر مدنظر قرار دهیم.
● رآکتورهایی برای تولید انبوه مواد درمانی
از ابتدای کشف آنتی بیوتیک ها، زیست رآکتورها برای تولید انبوه مواد درمانی مورد استفاده واقع شده اند. اولین وسایل از این ردیف، رآکتورهای شیمیایی بودند که با اعمال تغییراتی، قابلیت انجام عملیات سترون، هوادهی و کنترل دما را یافته بودند. با رشد روز افزون اهمیت کشت سلولی در دهه های گذشته، این رآکتورها به بیورآکتورهای آشنا با مخازن استیل همزن دار تغییر شکل دادند که تا کنون نیز کار کشت سلول را در سیطره خود دارند.
در هر حال فشارهای مالی بر صنعت دارویی، منجر به پذیرش فناوری های جدید و به ویژه استفاده از «یک بارمصرف ها» شده است. این رآکتورها با صرف کسری از هزینه های سرمایه گذاری و مخارج عملیاتی رآکتورهای قدیمی همزن دار، امکان کشت سلول را در کیسه های پلاستیکی فراهم می سازند. نکته مهم و قابل تعمق اینجاست که «انقلاب تولیدات بیولوژیک» در نتیجه پیشرفت طراحی و مهندسی زیست رآکتورها حاصل نشده است، چرا که هنوز هم یک زیست رآکتور کشت سلولی معمولی نیز مانند اجدادش عبارت است از «یک مخزن سترون دارای سامانه هوادهی». از طرف دیگر، فناوری یک بار مصرف، عملیات پرهزینه نظافت، سترون سازی، کارآمدسازی و مهم تر از همه سامانه های پیچیده و غیرضروری اتوماسیون این دستگاه ها را به کناری نهاده است. با این همه، هیچ گشایش فنی واقعی در عملکرد زیست رآکتورها حاصل نشده است. پس نکته انقلابی تولید در کجاست؟
انقلاب حقیقی کشت سلول برای تولید مواد درمانی در «مهندسی رده های پربازده سلولی و سیستم های بیان» صورت پذیرفته است. این پیشرفت هاست که بازدهی سلولی را به آستانه چشمگیر امروزی رسانیده است. ۱۰ سال پیش دستیابی به بازده ۲۰۰ میلی گرم آنتی بادی منوکلونال در هر لیتر، ارزش انتشار و درج در مقالات علمی را داشت. این امر در حالی بود که امروزه بازده دوهزار تا سه هزار میلی گرم در هر لیتر، معمولی و روزمره تلقی می شود. این پیشرفت روی طراحی زیست رآکتورها تاثیر شگرفی نهاد. ۱۰ برابر شدن بهره وری تولید موجب شد تا حجم عملیاتی مخازن صنعتی از مضرب های هزار لیتر به مضرب هایی از صد لیتر کاهش یابد. از طرف دیگر، این تحول گزینه فناوری رآکتورهای یک بار مصرف را برای تولید، قابل رقابت تر می سازد.
عامل بعدی تغییر در چشم انداز آینده زیست رآکتورها، رشد شدید تعداد گوناگونی از داروهای جدید است. سیاست تولید چندین تن از یک ماده دارویی پر فروش در یک کارخانه، اکنون به تولید بچ های کوچک از انواع محصولات در همان سایت تغییر جهت داده است.
لذا احتمالاً روزگار بیورآکتورهای چند ده هزار لیتری دیگر به سر آمده و ایام باقیمانده از عمر این فناوری به شمارگانی معدود رسیده است. واحدهای آینده تولید کننده مواد زیست درمانی دارای رده های سلولی پر محصول مهندسی شده خواهند بود که در زیست رآکتورهای فشرده و پر بازده تولید خواهند شد. این روند بر طراحی تجهیزات کشت سلولی تولید کننده محصولات درمانی نیز تاثیر گذار خواهد بود. برخی تحولات احتمالی عبارت خواهند بود از؛ استاندارد سازی تولید محصولات بیولوژیک؛ بسیار غیرموثر و پرهزینه است اگر مجبور باشیم در کنار ابداع هر محصول درمانی، روش عملیاتی جدیدی نیز مختص تولید آن، توسعه دهیم. همچنان که محصولات بیولوژیک بیشتر و بیشتر به زندگی ما می پیوندند، سایت های تولید کننده آنها نیز به سمت مدل های یکسان شده با اجزا و فرآیندهای استاندارد، تکوین پیدا می کنند. رده های سلولی نیز بیشتر و بیشتر دستکاری می شوند تا در آن سایت استاندارد شده قابل تولید شود. محصول این سایت نیز به نحوی تنظیم می شود که تا سر حد امکان در آن خط تولید استاندارد ، تخلیص و پالایش شود. چالش فراروی طراحان بیورآکتورها در توسعه و عرضه تجهیزاتی خواهد بود که قابلیت استفاده در همه خطوط تولید را داشته و کاربری آنها آسان باشد.
نتایج کشت پر تراکم سلولی و سیستم های بیان پر بازده؛ ابداع و توسعه سلول های موثرتر و بهره وری سلولی، الزامات صنعت زیستی در آینده خواهد بود. تمرکز سیستم های اتوماسیون و کنترل نیز بر توسعه بیورآکتورهای نفوذ پذیر و راهبردهای کنترل تزریق مواد غذایی به درون این سیستم ها خواهد بود.
داروهای منحصر به یک فرد؛ درمان ویژه یک بیمار خاص، افق جدید تحقیقات دارویی است. دانش ژنوم انسان و توانایی کشت سلول در خارج از بدن، نیاز به انواع جدید تجهیزات مرتبط و از جمله بیورآکتورهای تخصصی را مطرح ساخته است. برخلاف تصور دانشمندان، «Gene Delivery» توسط ویروس ها و دیگر وکتورها، به اندازه یی که قبلاً ساده انگاشته می شد، آسان نبوده است. در حال حاضر راندمان تحویل ژن پایین است و حجم زیادی از وکتور ارسالی به مقصد مد نظر دست نمی یابد. در نتیجه باید میزان بالاتری از وکتور را به کار گرفت که خود مستلزم حجم بالاتری از زیست رآکتور تولید کننده آن وکتور است.
● پیشرفت در فناوری
«Gene Delivery» سرانجام به کارگیری داروهای «منحصر به یک فرد» را به امری عملی و عمومی تبدیل خواهد کرد. بسیاری از سلول های مورد استفاده در درمان های سلولی-ژنی، روی سطوح کشت (و نه در حجم) رشد می کنند. دانش سطوح متصل به سلول طی ۲۰ سال گذشته، پیشرفت اندکی داشته است. کنترل پدیده پیوند و جدایش سلول ها به سختی صورت می پذیرد که در نتیجه، افزایش مقیاس فرآیند را تقریباً ناممکن می سازد. فناوری های نو با استفاده از سطوح نانوالیاف، بارقه امیدی را در عرضه سطوح بهتر کشت سلول به دست داده اند. ممکن است این امر به پیشرفت مهمی بدل شود، زیرا تحقیقات اخیر نشان داده ماهیت اتصال سلولی، نقشی مهم در عملکرد آن سلول بازی می کند.
مشکل دیگر در کشت سلول ها و اندام انسانی، نیاز به معجونی پیچیده از انواع عوامل مغذی، عوامل رشد و مواد شیمیایی است. فناوری های فعلی بر این پایه توسعه یافته اند که همه عوامل ضروری را به طور همزمان در یک محیط کشت معلوم عرضه دارند. این پیش شرط موجب می شود فناوری کشت سلول پرهزینه و کم بازده شود، بیولوژی عمل به زحمت درک شده و عوامل پیغام دهنده اصلی در فرآیند کشت مفقود بمانند.
برای بیورآکتورهای نسل آینده، ضروری است از نگرش امروزین انجام «تک کشت» با هدف رشد تنها یک نوع سلول ایزوله شده، دست برداشته و به سطح بالاتری از فناوری دست یابند که طی آن به طور همزمان با «جمعیتی از سلول ها» در تعامل خواهد بود. پایش تفکیک های سلولی و نظارت بر تعادل جمعیتی بین انواع سلول در حال رشد همزمان، چالشی عمده بر سر راه طراحی های نوین زیست رآکتورهای آینده خواهد بود.
توسعه بیورآکتورهای کشت اندام و بافت؛ این تجهیزات نیاز به ساختار های ویژه درونی دارند تا بتوانند در تقلید از طبیعت، غذای عضو را بدان رسانده و محصولات متابولیک را حذف کنند.
تولید پرتراکم سلول؛ بدن انسان به طور مشخص در این فناوری پیشتاز است به طوری که روزانه ۱۰۹۷ سلول یوکاریوت را در غلظت ۱۰۹۲ سلول بر میلی لیتر تولید می کند. این توانایی، صد برابر عملکرد بهترین بیورآکتورهایی است که امروزه در دسترس ما هستند.
بیورآکتورهای با سطوح بهتر اتصال سلول؛ ایجاد تکنیک های جدید برای پیوند و جداسازی سلول ها به سطوح به همراه دانش پایش کامل فرآیند و کمینه سازی صدمات سلولی، اصلی ترین عوامل و ملاک های ابداع فناوری بیورآکتورهای جدید سطحی است.
بیورآکتور برای کشت سلول های حساس؛ امروزه به بیورآکتورهای جدیدی نیاز است که قادر به بیان سلول هایی حساس همچون «آسترایت»ها و «نورون»ها باشند. میکروب ها پیش از ما انسان ها روی کره زمین حضور داشته اند. در حقیقت اکوسیستم این سیاره بر اثر فعالیت میکروب ها طی صدها میلیون سال گذشته برای ما قابل سکونت شده است. انسان ها بدون میکروب ها قادر به ادامه بقا نیستند. در نظر داشته باشید که بدن انسان نیز یک موجود منفرد نیست، بلکه در حقیقت یک جامعه پذیرای میکروب هاست. بدن انسان دربرگیرنده حدود ۱۰۱۲ تا ۱۰۱۴ میکروب است در حالی که خود بدن از حدوداً ۱۰۱۳ سلول انسانی تشکیل شده است. از این منظر، ما بیشتر توده یی نیمه انسانی- نیمه میکروبی هستیم،
بدن انسان یک بیورآکتور است که روی یک بیورآکتور دیگر (یعنی کره زمین) زندگی می کند. لذا آینده بیورآکتور در حقیقت آینده خود ما انسان هاست.
با این گفتار، شاکله بیورآکتور در آینده، همانی خواهد بود که بدان نیاز داشته باشیم؛ وسیله یی برای رشد سلول ها، رشد اندام تعویضی، تولید داروها، تولید غذا، فرآوری پساب ها، تولید انرژی و... مانند هر فناوری دیگر، این وسیله در خدمت هدفی مشخص است و بر حسب تغییر هدف پایه، متحول می شود. به گفته یکی از صاحب نظران فناوری، «هنگامی که تنها ابزار در اختیار شما چکش باشد، هر مشکلی در نظرتان شبیه یک میخ نمود خواهد کرد.» لذا مهم این نیست که بیورآکتورهای آینده شبیه بیورآکتورهای امروز باشد یا نباشد، بلکه مهم آن است که آنها چگونه در خدمت ما خواهد بود و چگونه بر زندگی ما تاثیر می گذارد. از این روست که ما باید آنچه را نیاز داریم به دقت درک کنیم تا بتوانیم به درستی برای برآوردن آن نیاز عمل کنیم و تنها به ابداع های سنتی و آشنا محدود نشویم. کلام «به جایی برو که دیگران نرفته اند»، سرمشق ما در این راه خواهد بود.

محمدرضا جبلی

منبع : روزنامه اعتماد