شیمی و شادی

مقدمه

اغلب واكنشگرهاي كمپلكس­دهنده گزينش‌پذير در طبيعت، توسط سيستم ايمني سنتز مي‌شوند. نحوه عملكرد سيستم ايمني بدن ، ابتدا توسط Stuart Mudd در دهه1930 [1] و سپس  Linus Paulingدر دهه 1940 معرفي و بررسي شده است [2]. وی دليل مي­آورد كه ويژه شدن مکان­هادر يك آنتي­بادي، بر مبناي شكل آنتي­ژن صورت مي­گيرد زيرا آنتي­بادي كه قبلاً ناويژه عمل مي­كرده است، به دليل برهمكنش­هاي بين مولكولي در اطراف آنتي­ژن آرايش يافته، تثبيت شده و پس از خروج آنتي­ژن نيز، اين شكل­هاي ويژه از آنتي­بادي در سيستم ايمني باقي مي‌مانند. اين فرآيند به نام حكاكي مولكولي شناخته مي‌شود.

پليمرهاي حك شده مولكولي

پليمرهاي حك شده مولكولي[1](MIPs ) نيز ترکيباتی هستند كه جهت تهيه آنها از همان اصولي كه در سيستم­هاي ايمني حاكم مي‌باشد، پيروي مي‌شود. تكنولوژي حكاكي مولكولي در خلال چند سال گذشته به عنوان جايگزيني مناسب براي انواع روش­هاي آناليتيكي مبتني بر عناصر تشخيص دهنده طبيعي معرفي و توسعه يافته است[5-3 ]. اين تكنيك ابتدا به عنوان روشي براي ايجاد مکان­هاي تشخيص دهنده گزينش پذير در پليمرهاي سنتزي، بكار رفته و امروزه كاربردهاي مختلفي پيدا نموده است. حكاكي مولكولي، ابزاري مناسب و كارا براي توليد موادي با قابليت­هاي پذيرنده­هاي طبيعي (آنتي­باديها و آنزيمها) ارائه مي­نمايد.

حكاكي مولكولي در پليمرها، تكنيکی است كه طي فرآيند پليمريزاسيون، ساختارهايي ماكروسكوپي تهيه مي­شوند كه داراي مکان­هايي ويژه براي برهمكنش با يك مولكول معين (مولكول­هدف[2]) مي­باشند. ابتدا مولكول­هدف با مونومرهاي قابل پليمريزاسيون(داراي پيوند دوگانه كربن-كربن) كه در يك سر خود داراي گروه­هاي عاملي توانا براي برهمكنش با مولكول­هدف مي­باشند تشكيل كمپلكس داده و سپس اين كمپلكس در حضور مقادير زيادي از يك مونومر اتصال­عرضي­دهنده، كوپليمر شده و بنابراين شكل كمپلكس در پليمر تثبيت مي‌شود. با خروج مولكول­هدف از پليمر مکان­هايي ايجاد خواهد شد كه از نظر شكل، اندازه و جهت­گيري گروه­هاي عاملي دقيقاً مكمل مولكول­هدف می­باشند[6]. اين تكنيك به طور شماتيك در شكل(1) نشان داده شده است.

شكل(1): نماي شماتيك مراحل تهيه يك پليمر حك شده مولكولي

(1 )مونومرهاي عاملي، (2 )عامل اتصال­عرضي­دهنده و (3 )مولكول­هدف

تاريخچه

ايده القاء ويژگي مولكولي^[3]در يك بستركه بتواند به طور گزينش پذير گونه‌اي خاص را جذب نمايد، مدت­ها قبل ارائه شده است. در سال1931 ،Polyakov توضيح داد كه به­وسيله قرار دادن يك مولكول آلي در معرض اسيد سيليسيك قبل از تراكم و پليمر شدن آن امكان حكاكي يك مولكول در توده سيليكاژل وجود دارد [7]. در سال 1949 و 1955 Frank Dickey شاگرد Polyakov، حكاكي چندين رنگ الكيل ارنج را گزارش نمود. وي سيليسيك اسيد را در حضور چندين رنگ ذكر شده رسوب داده و مشاهده نمود كه پس از خشك نمودن هيدروژل­ها، ژل­هاي توليد شده براي رنگ حاضر در حين تشكيل سيليكاژل، ظرفيت جذب بالاتري را نشان مي‌دهد[8]. اما MIP به گونه اي كه امروزه مي‌شناسيم اولين بار توسط Wulff و همكاران در سال 1972 معرفي گرديد[9].كارهاي بعدي آنها و نيزگروه­هاي Shea [11و10] ، Mosbach [12] ، Sellergreen [13] وRamstrom [6] نشان داد كه حافظه­هاي مولكولي در اين نوع از پليمرها القاء مي‌شود. تاكنون دو روش عمومي براي تشكيل كمپلكس بين مونومرهاي عاملي و مولكول­هدف ارائه شده است. اين دو عبارتند از پيوند كووالانسي بين مونومر-­مولكول­هدف و برهمكنش­هاي ناكووالانسي بين مونومر - مولكول­هدف.

 سنتز MIPها

تعداد زيادي از مونومرهاي وينيلي مثل اتيلن، استيرن و متيل­متااكريلات مي­توانند با بهره بالا و كارايي بسيارخوب توسط پليمريزاسيون راديكال آزاد[4]به پليمرهايي تبديل شوند كه از نظر صنعتي بسيار مهم مي­باشند. اين روش از پليمريزاسيون در شرايط ملايم از نظر واكنش (دماي محيط و فشار اتمسفر) و با انعطاف پذيري عالي در انتخاب مونومرهاي داراي گروه­هاي عاملي و در حضور بعضي از ناخالصيها (مثل آب) به صورت توده اي يا در محلول قابل انجام است. به دلايل فوق و اين واقعيت كه مونومرهاي وينيلي به صورت تجارتي و ارزان در دسترس مي­باشند، اين روش  يكي از اولين روشهای پليمريزاسيون براي سنتز MIPها بوده و تا امروز بيشترين كاربرد را نيز داشته است[14].

مولكول­هدف[5]

در خلال چند سال گذشته، بيشتر كارهاي انجام شده با MIPها روي سنتز پليمرهاي حكاكي شده براي داروها متمركز شده‌اند. از بين انواع داروها، آنتي­بيوتيك­هايی مثل اريتروماسين[6]A [15]و آمپي­سيلين[7][16]. پني­سيلين V ، پني­سيلين G و آفت­كش­هايی مثل  كلن بوترول[8][17] به دليل كاربرد گسترده آنها بيشتر مورد توجه بوده‌اند.

چندين شيرين كننده طبيعي شامل گلوكزوگالاكتوز [18]، فروكتوز [19] و مانوز[20] به روش­هاي كووالانسي يا ناكوالانسي حكاكي شده‌اند. آناليز آمينواسيدها بويژه كاربردهاي زيادي در حكاكي مولكولي يافته‌اند. در اين زمينه مقالات مروري جالبي منتشر شده است [21] تعداد قابل توجهي از مطالعات انجام شده نيز روي يون­هاي معدني به عنوان گونه هدف متمركز شده­اند. برخي يون­هاي به كار رفته عبارتند از Co²⁺ [22]، Ni²⁺ وCu²⁺ [22]، Eu²⁺  و Hg²⁺ [23]، Pb²⁺ [24] و Zn²⁺[25].

كاربردهاي MIP ها

 فازهاي ساكن حكاكي شده در HPLC

     لزوم تهيه داروها به شكل انانتيومرهاي خالص، تهيه و جداسازي انانتيومرها را از اهميت ويژه­اي برخوردار نموده است. مشتقات انانتيومري آمينواسيدها به عنوان مولكول­هدف در تهيه فازهاي ساكن حكاكي شده براي جداسازي­هاي كايرالي بكار رفته اند[26].

سنسورها

     حسگرهاي شيميايي با حد تشخيص­هاي خوب، هزينه كم و امكان مينياتوري و اتومات شدن مورد توجه مي­باشند. از طرف ديگرگزينش پذيري بالا، هزينه كم با خواص مكانيكي ، حرارتي و شيميايي مناسب، MIPهارا به عنوان پذيرنده­هاي شيميايي مطلوب مطرح مي­سازد. انواع مبدل­هايی[9]كه تاكنون براي تهيه حسگرها بر پايه MIPها استفاده شده، عبارتند از: هدايت سنجي[10][27]، امپدانس[11] [28]، پتانسيومتري[29]، آمپرومتري[30] ، ولتامتري چرخه­اي(CV) [31]و ديفرانسيل پالس ولتامتري DPV [30]

MIPها به عنوان سيستم­هاي تحويل دارو

 Suedee و همكاران  توانايي بالقوه MIPها را به عنوان سيستم­هاي تحويل داروي انانتيوگزين و در محيط­هاي آبي مورد تجزيه و تحليل قرار داده اند[32].

كاربرد MIPها در سنتز و كاتاليز

سنتز

 MIPها به عنوان مواد شبيه به آنزيم­ها مورد توجه مي­باشند زيرا داراي مکان­هاي ويژه بوده كه در آن گروه­هايي عاملي با جهت گيري فضايي در اطراف مکان تنها به مولكول­هايي اجازه ورود و نگه داري در مکان مي­دهد كه از نظر شكل و موقعيت گروه­هاي عاملي خيلي شبيه حفره مکان باشد. بعلاوه MIPها از همان مكانيزم­هاي بين مولكولي مورد استفاده در آنزيم­هاي طبيعي يعني برهمكنش­هاي يوني، هيدروفوبيك، پيوندهاي هيدروژني جهت دار و كئورديناسيون فلزات استفاده مي­كنند. يكي از زمينه­هاي مهم و عمده MIPها در شيمي آلي كاربرد آنها در سنتز مواد مي­باشد كه MIPها مي­توانند به عنوان جمع كننده پسماندها ، تميزسازي[12] ، بسترهاي بي اثر يا فعال، به عنوان گروه­هاي محافظت كننده و البته يك كاربرد مهم تر يعني كاتاليزگر ايفاي نقش نمايند. اولين مثال در اين زمينه، كاربرد ‌MIPها به عنوان جابجاكننده تعادل[13][33] و جداكننده محصول [34] حين واكنش­هاي بيوكاتاليتيك يا شيميايي مي­باشد.

كاتاليز[14]

بسياري از كوشش­هاي اخير در زمينه كاربرد MIPها به عناون كاتاليزگر در زمينه هيدروليزهاي كاتاليز شده بوده اند[35]. البته در سال­هاي اخير دامنه گسترده تري از واكنش­ها گزارش شده اند كه بعضي از آنها واكنش­هايي بسيار مشكل در شيمي آلي مثل تشكيل پيوند كربن-كربن و واكنش­هاي حلقه افزايي مي­باشند[36].

نتيجه­گيري

امروزه رشد مقالات منتشر شده در اين زمينه به صورت تصاعدي در حال افزايش است. اين فناوري اميدهاي زيادي را براي تهيه آنزيمها، هورمونها، سنسورهاي ويژه­گزين، توسعه روشهاي جداسازي و تشخيصي، دارورساني و بسياري از زمينه­هاي ديگر شيمي به وجود آورده است. اگرچه موانعي مثل استفاده از حلالهاي آلي هنگام سنتز، عدم رسيدن به ويژه­گزيني گيرنده­هاي طبيعي، نامحلول بودن پليمرها در آب، عدم كنترل كافي برشكل­گيري مكانها هنگام سنتز و مسايلي از اين قبيل كاربردگسترده اين پليمرها را محدود نموده است امامحققان با پژوهشهاي در حال انجام سعي در رفع اين موانع دارند. قابل ذكر است كه در سالهاي اخيردركشور ما نيز  اين فناوري مورد توجه محققين قرار گرفته و اميد است با انجام پروژه­هايي هماهنگ بتوانيم سهمي كوچك در ارتقاي جايگاه علمي ميهن­مان داشته باشيم.انشاءالله

مراجع

[1] S. Mudd,  J. Immunol., 23 (1932) 423.

[2] L. Pauling, J. Am. Chem. Soc., 62 (1940) 2643.

[3] G. Wulff,  Angew. Chem., Int. Ed. vidy., 34 (1995) 1812.

[4] K. J. Shea, Trends Polym. Sci. (Cambridge,U.K.), 2 (1994) 166.

[5] S. Vidyasankar, F. H. Arnold, Curr. Opin. Biotechnol., 6 (1995) 218.

[6] O. Ramstrom, K. Skudar, J. Haines, P. Patel, O. Bruggemann, J. Agric. Food   Chem., 49 (2001) 2105.

[7] M.W. Polyakov, Zh. Fiz. Khimii., 2 (1931) 799.

[8] F. H. Dickey, Proc. Nat. Acad. Sci., 35 (1949) 227.

[9] G. Wulff, S. Sarhan, Angew. Chem. Int. Ed., 11 (1972) 341.

[10] K. J. Shea,  E. A. Thompson,  J. Org. Chem., 43 (1978) 4253.

[11] K. J. Shea, E. A. Thompson, S. D. Pandey and  P. S. Beauchamp, J. Am. Chem. Soc., 102 (1980) 3149

[12] K. Mosbach, O. Ramstrom, Bio/Technology., 14 (1996) 163.

[13] B. Sellergren, K. Mosbach, J. Am. Chem. Soc., 110 (1988) 5853.

[14] P. A. G. Cormack, Z. E. Amaia, Journal of Chromatography B, 804 (2004) 173.

[15] M. Siemann, L. I. Andersson, K. Mosbach, J. Antibiot., 50 (1997) 88.

[16] C. Lubke, M. Lubke, M. J. Whitcombe, E. N. Vulfson, Macromolecules, 33 (2000)            5098.

[17] C. Berggren, S. Bayoudh, D. Sherrington, K. Ensing, J.Chromatogr., 889)2000( 105.

[18] A. G. Mayes, L. I. Andersson, K. Mosbach, Anal. Biochem., 222 (1994) 483.

[19] G. Wulff, J. Haarer, Makromol. Chem., 192 (1991) 1329.

[20] G. Wulff, D. Oberkobusch, M. Minarik, React. Polym., 3 (1985) 261.

 [22] A. Efendiev, Macromol. Symp., 80 (1994) 289.

 [23] G. Murray, R. H. Fish, New Sci., 155 (1997) 34.

[24] X. F. Zeng, G. M. Murray, Sep. Sci. Technol., 31(1996) 2403.

 [25] H. Chen, M. M. Olmstead, R. L. Albright, J. Devenyi, R. H. Fish, Angew. Chem., Int.        Ed. Engl., 36 (1997) 642.

[26] B. Sellergren, K. J. Shea, J. Chromatogr., 635 (1993) 31.

[27] T. A. Sergeyeva, S. A. Piletsky, A. A. Brovko, E. A. Slichenko, L. M. Sergeeva, T. L. Panasyuk, A. V. El’skaya, Analyst, 124 (1999) 331.

[29] R. S. Hutchins, L. G. Bachas, Anal. Chem., 67 (1995) 1654.

[30] S. Kroger, A. P. F. Turner, K. Mosbach, K. Haupt, Anal. Chem., 71 (1999).

[31] S. A. Piletsky, E. V. Piletskaya, T. A. Sergeyeva,T. L. Panasyuk, A. V. Elskaya,                 SensorsActuators, 60 (1999) 216.

[32] R. Suedee, T. Srichana, T. Rattananont, Drug Delivery, 9 (2002) 19.

[33] O. Ramstrom, L. Ye, M. Krook, K. Mosbach, Chromatographia, 47 (1998) 465.

[34] L. Ye, O. Ramstrom, K. Mosbach, Anal. Chem., 70 (1998) 2789.

[35] J. Heilmann, W. F. Maier, Angew. Chem., Int. Ed. vidy., 33 (1994) 471.

[36] X. C. Liu, K. Mosbach, Macromol. Rapid Commun., 18 (1997) 609.

[1] Molecularly imprinted polymers

[2]Template

Molecular specificity [3]

    polymerization [4]         Free radical 

Template ⁴

Erythromycine A [6]

Ampicillin [7]

Clenbuterol [8]

Transduction [9]

Conductometry [10]

Impedance  [11]

Clean-up [12]

Equilibrium shifting [13]

Catalysis [14]