پلیمرهای طبیعی

در سال­های بسیار دور، پیش از آنکه پلاستیک­ها و پلیمرهای مصنوعی وجود داشته باشند، و درحقیقت، در ابتدای پیدایش کره­ی زمین، طبیعت از پلیمرهای طبیعی استفاده می‌کرد تا حیات را ممکن سازد. شاید برای ما پلیمرهای طبیعی مانند پلیمرهای مصنوعی نباشند، زیرا نمی‌توانیم از آنها به عنوان یکی از ابداعات خودمان بهره‌برداری کنیم و شرکت‌های مواد شیمیایی هم آنها را نمی‌فروشند. با این حال، این امر، نه تنها از اهمیت پلیمرهای طبیعی کم نمی‌کند، بلکه حقیقت، عکس این است و در بسیاری موارد، این پلیمرها مهمتر هستند.

پلیمرهای طبیعی DNA و RNA را شامل می شوند که در ژن ها و فرآیندهای زیستی بسیار مهمند. در واقع، RNA پِیکی است که پروتئین ها، پپتیدها، و آنزیم های ممکن را می سازد. آنزیم ها به انجام مکانیسم های شیمیایی در بدن موجودات زنده کمک می کنند، و پپتیدها برخی از اجزاء ساختاری جالب توجه دیگر را در پوست، مو و حتی شاخ های کرگدن ها می سازند. پلیمرهای طبیعی دیگر، پلی ساکاریدها (پلیمرهای قندی) و پلی پپتیدها مانند ابریشم، ماده ی موجود در ناخن، و مو را شامل می شوند. لاستیک طبیعی نیز که طبیعتاً یک پلیمر طبیعی است، از کربن و هیدروژن ساخته شده است. بیاید هر یک از خانواده های اصلی پلیمرهای طبیعی را به دقت بررسی کنیم.

پلی ساکاریدها

DNA و RNA

RNA و DNA حاوی استخوانبندی پلیمری بر پایه ی قند هستند. این موضوع، آنها را در خانواده ی پلی ساکاریدها قرار می دهد، اگرچه در مورد DNA و RNA ، گروههای کاملاً منظمی وجود دارند که به واحدهای قندی متصل شده اند و موجب قابلیت های منحصر به فرد این پلیمرها می شوند.

چوب و سیب‌زمینی

خانواده­ دیگری از پلی‌ساکاریدها شامل نشاسته و سلولز می‌باشد. نشاسته یک پلی‌ساکارید با وزن مولکولی بالا می‌باشد. غذاهایی مانند نان، ذرت، و سیب‌زمینی، پر از نشاسته هستند. نشاسته ممکن است به اندازه ۱۰۰۰۰ واحد قندی متصل به یکدیگر داشته باشد. نحوه­ی اتصال این واحدها، که همگی آرایش خطی دارند یا تعدادی هم شاخه‌ای هستند، نوع نشاسته یا پلی‌ساکارید را مشخص می‌کند (بعداً توضیحات بیشتری داده خواهد شد). عضو مهم دیگری از خانواده­ی پلی‌ساکاریدها سلولز است. این ماده، اصلی‌ترین پلیمری است که گیاهان و درختان از آن به وجود آمده‌اند، چرا که ماده­ی اصلی چوب، سلولز است. این پلیمر با نشاسته فرق دارد. (برای دانستن بیشتر، اینجا کلیک کنید.) نشاسته در آب داغ، محلول است و به سادگی می‌تواند به چیزهای مفیدی تبدیل شود. از سوی دیگر، سلولز دارای بلورینگی بالایی است و تقریباً در هیچ چیز، حل نمی‌شود. پنبه، شکلی از سلولز است که ما آن را در اکثر لباس‌های خود به کار می‌بریم. این واقعیت که سلولز در آب داغ حل نمی‌شود بسیار مهم است، چرا که در غیر این صورت، لباس‌های ما هنگام شستن، حل می‌شد. همچنین سلولز دارای این ویژگی است که وقتی شما آن را خیس می‌کنید و اتوی داغ روی آن می‌کشید، صاف و تخت می‌شود. این ویژگی باعث می‌شود لباس‌های نخی ما (حداقل برای یک مدت کوتاه) زیبا به نظر برسند، و با این حال در هنگام شستشو به راحتی تمیز شوند.

کیتین: پلیمری برای دوستدار آن غذاهای دریایی

یکی دیگر از پلی‌ساکاریدها کیتین است که سازنده‌ی صدف‌های خرچنگ خاردار، میگوها، خرچنگ‌های دریایی و دیگر سخت پوست آن است. این پلیمر سخت، حل نشدنی و در عین حال انعطاف پذیر است. هنوز نفمیده‌ایم که چگونه می‌توان پلیمرهایی مصنوعی، با چنین ترکیبی از خواص ساخت. همچنین نتوانسته‌ایم بفهمیم چگونه می‌توانیم از کیتین استفاده‌ی بهتری کنیم، در حالی که از سلولز برای بسیاری از کاربردهای شیمیایی و برای ساخت کاغذ، خانه‌های چوبی، کفش‌های چوبی و مانند اینها استفاده می‌کنیم. تحقیقات بسیاری در مورد استفاده از کیتین در کالاهای متفاوت در جریان است، و شاید هم روزی لباس‌ها یا پلاستکی‌هایی از آن ساختیم. تحقیقات در این زمینه، از آن جهت اهمیت دارد که بدین ترتیب می‌توان از پلیمرهایی طبیعی که از منابع قابل تجدید یا از محصولات زائد حاصل می‌شوند، استفاده‌های مناسبی کرد.

از نظر شیمیایی، کیتین پلی(N-استیل گلوکزامین) است، و ساختار آن چنین است:

از طبیعت می‌آموزیم

وقتی با دقت بیشتری به هر یک از اعضای خانواده های پلیمرهای طبیعی نگاه می کنید، به یاد داشته باشید که طبیعت اولین سازنده ی پلیمرها بوده است و حجم زیادی از آنها را تولید کرده است. یکی از کارهای ما به عنوان دانشمند، این است که ابتدا بفهمیم طبیعت چگونه می تواند اینچنین خوب عمل کند، و سپس از طبیعت تقلید کنیم. به عنوان مثال، هنگامی که ما فهمیدیم چرا ابریشم چنین خواص شگفت انگیزی دارد، توانستیم ابریشم مصنوعی را به شکل انواع نایلون تولید کنیم. اما برای آنکه بتوانیم DNA و RNA  مصنوعی بسازیم تا ما را به ساخت حیات مصنوعی هدایت کند، هنوز راه درازی در پیش داریم. در حالی که ممکن است هرگز به آنجا نرسیم، همین تلاش برای درک این پدیده‌ها سرگرم‌کننده است، و ما را در جهت پیشرفت در علم پلیمرهای مصنوعی و نیز زمینه‌های دیگری مانند پزشکی و بیوشیمی، راهنمایی می‌کند. این تلاش‌ها این نکته را نیز روشن می‌کنند که دانش مانند زندگی است و تنها با یک چیز خاص سروکار ندارد، بلکه با ترکیبی از همه چیز درگیر است. علم پلیمر، تنها علم موجود نیست، و حتی شاید مهم‌ترین علم هم نباشد. این علم، تنها یکی از زمینه‌هایی است که به ما در فهم و استفاده از دانش به دست آمده از طبیعت کمک می‌کند، و از این طریق، فناوری را توسعه می‌دهیم.

پروتئین ها و پلی پیتیدها

پروتئین ها

پروتئین‌ها اولین نمونه‌ی پلی‌آمیدها (یاهمان نایلون) بودند. هر دو آنها، دارای ویژگی‌های مشترک بسیاری هستند، اما در طرز ساخت و در خواص فیزیکی تفاوت‌های زیادی دارند. شباهت آنها در این است که هر دو در زنجیر اصلی خود دارای اتصالات آمیدی هستند. آمیدها از واکنش گروه‌های کربوکسلیک‌اسید و گروه‌های آمین، با خارج شدن آب ساخته می‌شوند. (برای مطالب بیشتر در این باره، اینجا کلیک کنید.) بخش مولکولی آمیدی، در برهم‌کنش بین‌مولکولی و ساختار خود، منحصر به فرد است. به دلیل هیبریداسیون نیتروژن، کربن و اکسیژن گروه آمید، این بخش در واقع مسطح است. مهم‌تر اینکه هیدروژن روی نیتروژن، و اکسیژن کربونیل دارای قابلیت برهم‌کنش نیرومندی به نام پیوند هیدروژنی هستند. به همین دلیل، گروه‌های آمیدی برای ایجاد پیوندهای قوی، بسیار یکدیگر را به یکدیگر تمایل دارند و این مسئله خواصی غیرعادی به پلیمرهای حاوی پلی‌آمید می‌بخشد. این نوع از برهم‌کنش‌ها، در بخش نایلون‌ها نیز مورد بررسی قرار می‌گیرد، و شباهت اصلی بین پلی‌آمیدهای مصنوعی و طبیعی هم در همینجاست.

تفاوتهای بین شیوه ای که طبیعت نایلون ها را می سازد و شیوه ای که ما به کار می بریم، قابل توجه است. ما معمولاً نایلون ها را از مولکول هایی می سازیم که تعداد زیادی گروه های CH2 در آنها وجود دارد. بخش مربوط به نایلون ها، ساختارهایی برای نایلون ۶ و نایلون ۶.۶ نشان می دهد که دو پلی آمید مصنوعی رایج هستند. آنها چهار، پنج، یا شش گروه CH2 بین واحدهای آمیدی دارند. با این حال، طبیعت بسیار اقتصادی تر عمل می کند، و فقط از یک کربن، در بین گروه های آمیدی استفاده می کند. کاری که طبیعت به طور متفاوت انجام می دهد، جابه جا کردن این کربن با تعداد زیادی از گروه ها و بخش های عامل است.

این کار، منجر به دو خاصیت کلیدی می شود. اولاً هر یک از بخش ها به صورت مجزا، ونیز کل مولکول، از نظر نوری، فعال یا کایرال هستند؛ یعنی آنها مانند یک جفت دستکش هم لنگه ی چپ، و هم لنگه ی راست آنها وجود دارد. بنا به دلایلی، طبیعت تصمیم گرفته است که تنها مدل دست چپ از آمینواسیدهای سنتز شده توسط گیاهان و جانوران را مورد استفاده قرار دهد. این واقعیت که فقط یکی از دو ایزومر مورد استفاده قرار می گیرد، ما را نتایج شیمی فضایی جالبی می رساند. به عنوان مثال، پلی پپتیدهای طبیعی می تواند ساختارهای حلزونی تشکیل دهند، در حالی که نایلون ها نمی توانند. این صورتبندی حلزونی، پایداری پلی پیتیدهای طبیعی را افزایش می دهد. آیا می دانستید که بعضی باکتری ها می توانند در آب جوش هم زنده بمانند؟ علت این پدیده، پایدار شدن پلیمرهای طبیعی آنها، با چنین ساختارهای حلزونی شکلی می باشد. این ساختار حلزونی به نام α-helix شناخته می شود. اجزای کوچک مربوط به ساختارهای حلزونی، همان چیزهایی هستند که طبیعت از آنها برای شکل دادن آنزیمها به شکل‌هایی معین استفاده می کند تا آنها بتوانند جادوی کاتالیزگری خود را انجام دهند. به عنوان مثال، یک بخش مارپیچ منعطف، می تواند به دو بخش α-helix متصل گردد تا با هم بر روی یک بستر واکنش دهند.

آنزیم‌ها

آنزیمها یکی از انواع اصلی پلی‌پپتیدها هستند و برای حیات روی زمین بسیار پراهمیت هستند. همه­ی موجودات زنده، از آنزیم‌ها برای ساخت، اصلاح، و شکست پلیمرها استفاده می‌کنند. آنزیم‌ها، کاتالیزورهایی هستند که کارهایی ویژه انجام می‌دهند. در واقع، اغلب اوقات، هر آنزیم تنها یک نوع کار انجام می‌دهد، یا تنها یک نوع مولکول می‌سازد. این بدان معنی است که باید تعداد بسیار زیادی از آنزیمهای متفاوت وجود داشته باشد. همه­ی این آنزیم‌ها از ترکیبات متفاوت آمینواسیدهایی ساخته شده‌اند که از طرق منحصربه‌فردی در پلی‌پپتیدها به هم متصل گشته‌اند تا تمام کارهایی که هر موجود زنده نیاز دارد، انجام دهند. ما می‌دانیم که هر جانداری روی زمین، دارای صدها یا حتی هزاران آنزیم متفاوت برای انجام همه­ی کارهایی است که باید انجام دهد. مسئله­ی واقعاً عجیب این است که هر یک از آنزیم‌ها باید به دست آنزیمهای دیگر ساخته شود. این مطلب، ما را به مکانیسم‌های کنترلی بسیار پیچیده‌ای می‌رساند: ما نمی‌دانیم که طبیعت چگونه تصمیم می‌گیرد که چه آنزیم‌هایی، چه وقت لازم است ساخته شوند، و یا چگونه آنزیمها، فعال و غیرفعال می‌شوند. ما شروع به تحقیقات دامنه‌داری در این زمینه کرده‌ایم، و مطالعه­ی چنین سیستم‌هایی، بخش مهمی از بیوشیمی و زیست شناسی را تشکیل می‌دهد.

پیمودن جاده ابریشم

یکی از پلی‌پپتیدهای منحصر به فرد، ابریشم است که ما ازهمان ابتدا به خاطر خواص بسیار خوبش، آن را مورد استفاده قرار داده‌ایم. ابریشم، سالها پیش از میلاد مسیح، از سوی چینی‌ها کشف شده بود. این ماده، توسط کرم‌های کوچکی ساخته می‌شود که سعی می‌کنند پیله‌هایی برای تبدیل شدن به پروانه، به دور خود بتنند. کرم‌ها از ابریشم جدا می‌شوند و سپس ابریشم به صورت الیاف ریسیده می‌شود؛ یعنی دسته‌هایی از پلیمرهای بسیار باریک که به هم متصل می‌شوند تا مقاوم­تر شوند. این همان راهی است که با آن طناب می‌سازیم، یعنی رشته‌های ضعیف جدا از هم را به طریقی در کنار یکدیگر قرار می‌دهیم که محصول نهایی، هم انعطاف پذیر و هم محکم باشد. ساختار ابریشم به عنوان یک پلی‌پپتید، غیرعادی است، و تعداد زیادی آمینو اسیدهای گلایسین استخلاف نشده دارد. بخش‌های گلایسین می‌توانند زنجیره‌های طولانی مسطحی را تشکیل دهند که به خوبی و با مقاومت بالایی در کنار هم جای می‌گیرند. این امر به ابریشم، استحکامی منحصر به فرد، و انعطافی عالی می‌بخشد. ابریشم دارای چنان خواص منحصر به فردی، به خصوص در آب و هوای گرم و مرطوب، می‌باشد که تا قرنها تجارت اصلی شرق آسیا بود. تجارت ابریشم بین چین و ژاپن، اقتصاد تمدن‌ها را در آن منطقه کنترل می‌کرد. در امریکا هم، پیش از جنگ جهانی دوم، ابریشم برای تولید جوراب زنانه اهمیت داشت. وقتی در زمان جنگ جهانی ابریشم در ریسمان‌های چتر نجات به کار گرفته شد، نیاز بازار به جایگزینی برای ابریشم لازم برای تولید جوراب زنانه منجر به تولید ابریشم مصنوعی، یا نایلون، در کارخانجات شیمیایی شد.

تفاوت کلیدی دیگر بین پلی پپتیدها و نایلون ها، روش ساخت آنهاست. ما انسانها هر روزه چندین تن نایلون در کارخانه های عظیم شیمیایی تولید می کنیم، که در آنها مولکولهای ساده در مقادیر بزرگی به یکدیگر می پیوندند تا محصولاتی را که نیاز داریم ، به ما بدهند. طبیعت در شیوه ی انجام کارهایش، بسیار دقیق تر و مختصر‌تر عمل می کند. در یک موجود زنده برای ساخت یک آنزیم، آنزیمی دیگر و یا اجزاء فعال دیگری باید درگیر شوند. تولید، همواره شامل الگویی از چگونگی اتصال آمینو‌اسیدهای مجزا به یکدیگر برای تولید پلیمر نهایی است. این الگو یا نقشه، یک پیک mRNA ) RNA ) است، و پیغامی که حمل می کند، این است که چگونه آنزیم پپتیدساز موجود، باید پلی پپتید را بسازد. هر آمینواسید توسط یک مولکول حامل به آنزیم برده می شود و بوسیله یک سلسله مراحل واکنشی، برای ایجاد اتصال، فعال می شود. آنزیم، آمینو اسیدها را یکی یکی و پس از مشخص شدن از سوی mRNA، اضافه می کند. این کار، فرآیندی کند و کسل‌کننده است و زمان بسیاری لازم دارد. گاهی آنزیم از منتظر ماندن برای رسیدن آمینو اسید مناسب، ناامید می شود، و به جای آن یک آمینو اسید اشتباه قرارمی دهد. برای جبران این مسئله، آنزیم مجبور می شود که گهگاه کار خود را کنترل کند. اگر اشتباه کرده باشد، آنزیم فرآیندی را برای برداشتن آمینواسید اشتباه و جایگزین کردن آمینو اسید صحیح در پیش می گیرد. ما انسانها هرگز چنین کاری نمی کنیم؛ اگر مرتکب اشتباه شویم، صرفاً آن را خرد می کنیم و دور می اندازیم.

قابلیت‌های ضعیف ما

بشر در ابتدای راه درک این که طبیعت چگونه این مولکولها را با هم ترکیب می‌کند هست، و توانسته‌ایم کشف کنیم که چگونه خودمان این کار را انجام دهیم. با وجود این، در این زمینه چندان هم موفق نیستیم و نمی‌توانیم مولکولهای بزرگ متنوعی تولید کنیم. دلیل این امر آن است که اگر یک اشتباه سر بزند، تمام مولکول خراب می‌شود و نمی‌دانیم چگونه باید آنرا درست کنیم. ماشینی که برای ساخت ترکیبات مشابه پلی‌پپتیدها به کار می‌رود، «ترکیب‌کننده­ی پپتید» نامیده می‌شود. چنین ماشینی، حول دانه‌های کوچک پلیمری ساخته می‌شود که آنها را به اولین آمینو اسیدی متصل می‌کنیم، و می‌خواهیم این آمینو اسید را در زنجیره­ی پلی‌پپتید قرار دهیم.

(این روش Merrifield synthesis approach نامیده می شود. استفاده از دانه های پلیمر، ایده­ای خلاقانه و عالی بود که رابرت مریفیلد به همین خاطر در سال ۱۹۸۴ جایزه نوبل گرفت.) پس ما یک آمینواسید فعال، مشابه آنچه طبیعت استفاده می کند، برمی داریم و با تشکیل یک پیوند آمیدی آن را متصل می کنیم. ما این فرآیند را مرتباً تکرار می کنیم، و سعی داریم که این واکنش در تمام لحظات، روی تمام مولکول ها و روی تمام دانه های پلیمری انجام بگیرد. گاهی اوقات، ما زیاد خوش شانس نیستیم، و ما و آمینواسید خطا می کنیم؛ یعنی بعضی از پلی پپتیدها دچار فقدان واحدهایی شده اند. این امر، همواره منجر به مخلوطی از محصول خوب و محصول بد می شود که ممکن است محصول خوب، سهم کمتری در آن داشته باشد. هرچه پلی پپتیدهای مورد نظر ما بزرگتر باشند، این پدیده بدتر می شود، یکی از بزرگترین مشکلاتی که در ساخت پلی پپتیدها با آن مواجه هستیم، همین مسئله است. اگر فقط می توانستیم بفهمیم که چگونه باید هر یک از ترکیبات خود را کنترل کنیم، و سپس اشتباهات موجود اصلاح کنیم، شاید می توانستیم به خوبی طبیعت عمل کنیم؛ شاید.

شاید بپرسید که چرا ما می‌خواهیم کار ساخت مشابه‌های مصنوعی را، آن هم به این بدی انجام دهیم، در حالی که طبیعت به خوبی آنرا انجام می‌دهد. دلایل بسیاری وجود دارد که یکی از آنها این است که بفهمیم چرا پپتیدها و آنزیم‌ها کارهای خود را این گونه انجام می‌دهند. همیشه برای ما انسان‌ها واضح نیست که چرا ترتیب خاصی از آمینو اسیدهای متوالی، یک پلی‌پپتید را مجبور می‌کندکه ساختار یا شکل معینی به خود بگیرد. این ساختارها، کلیدی هستند برای اینکه بفهمیم چگونه پلی‌پپتیدها کاری را که طبیعت برای آنها مقرر کرده است، انجام می‌دهند.

گاهی، هنگامی که روش طبیعت برای کنار هم قرار دادن این مولکول‌ها را می‌بینیم، می‌توانیم مشابه‌هایی مصنوعی بسیازیم که همان کار را انجام می‌دهند، ولی راحت‌تر ساخته می‌شوند. این کار، ما را به سمت گسترش داروهای جدید و معالجه­ی برخی بیماری‌های ژنتیکی راهنمایی کرده است.

طبیعت همچنین با ساخت پلی‌پپتیدها در درون آب، متفاوت با ما عمل می‌کند. در حقیقت، اکثر تولیدات ما بدون استفاده از آب انجام می‌شود. ما پلی‌آمیدها را در حلال‌های آلی سمی تولید می‌کنیم، و این کار، مشکلی برای ما ایجاد می‌کند: پس از پایان کار با حلال‌های آلی چه باید کرد؟ گاهی اوقات، آنها را می‌سوزانیم، اما بیشتر سعی می‌کنیم که این موارد را بازیافت نماییم. اولاً این حلال‌ها نه تنها از نظر اقتصادی گرانترند (در مقایسه با آب ارزان که تقریباً در همه جا یافت می‌شود) بلکه ما در برابر بازیافت، خالص‌سازی و دفع نهایی آنها مسئولیم. یک مثال دیگر در مورد استفاده­ی طبیعت از آب در تولید پلیمرها ساخت تارهای عنکبوت است، که دانشمندان هنوز هم به مکانیسم آن پی نبردند. عنکبوت‌ها، تارهای خود را از محلول‌هایی از پلی‌پپتیدها در آب می‌تنند. این محلولها به درون رشته ساز بسیار کوچک عنکبوت‌ها فشرده شده و به سرعت کشیده می‌شوند تا تارهای عنکبوتی را بسازند که همه­ی ما دیده‌ایم و گاهی با آن برخورد کرده‌ایم. نکته­ی واقعاً عجیب این است که وقتی این تارهای عنکبوت شکل گرفتند، دیگر در آب حل نمی‌شوند. اگر ما می‌توانستیم کشف کنیم که عنکبوت‌ها چگونه ابتدا تار عنکبوت را در آب می‌سازد و سپس آنرا می‌ریسند، می‌توانستیم نایلون را از همین روش تهیه کنیم. این کار، شاید می‌توانست ما را از هدر رفتن پول و مشکلات دفع مواد زائد، نجات دهد. یکی از زمینه‌های پایه­ی تحقیقاتی، همین است و دانشمندان در آن بسیار به کمک نیاز دارند.