مهندسی مولکولی شاخه‌ی نوظهوری از علم است که با هدف ایجاد و توسعه‌ی مواد، سیستم‌ها و فرآیندهای بهتر و کارآمدتر، به طراحی و آزمایش ساختارهای مولکولی، رفتار و واکنش‌های آن‌ها می‌پردازد. این فرآیند که در آن ویژگی‌های ظاهری سیستم‌های ماکروسکوپی، تحت تأثیر مستقیم تغییرات ساختار میکروسکوپی آن‌هاست، جزو فرآیندهای «پایین به بالا» (Buttom-Up) محسوب می‌شود. وظیفه‌ی اصلی مهندسی مولکولی، تلاش برای توسعه‌ی مواد مورد نیاز در تکنولوژی‌های نوظهور است که برای ایجاد سیستم‌های بسیار پیچیده، نیاز به طراحی‌های مولکولی بسیار دقیق و حساب‌شده دارند.
مقاله مرتبط: کمی کوچکتر: میکروسکوپ نشر میدانی و میکروسکوپ میدان یونی
مهندسی مولکولی به طور ذاتی، علمی بین رشته‌ای است که جنبه‌هایی از مهندسی شیمی، علم مواد، مهندسی زیستی، مهندسی برق، فیزیک، مهندسی مکانیک، و شیمی را در دل خود جای داده است. این رشته همچنین اشتراکات فراوانی با علم نانوتکنولوژی دارد؛ از جمله اینکه هردو علم با رفتار مواد در مقیاس نانومتر و یا کوچکتر سر و کار دارند. با توجه به نقش حیاتی واکنش‌های مولکولی در تمامی رویداد‌ها، مهندسی مولکولی پتانسیلی نامحدود برای فعالیت در بسیاری از زمینه‌هایی دارد که ذهن بشر و قوانین علمی از تصور آن‌ها عاجز است.
مهندسی مولکولی، علمی پویا و در حال رشدی است که با مشکلات پیچیده ای در مسیر هدف خود روبرو است؛ موفقیت در این رشته، نیازمند وجود مهندسان مجرب و خلاقی است که تبحر لازم در زمینه‌ی قوانین و حقایق علمی را دارند. متودولوژی منطقی در زمینه‌ی مهندسی که بر پایه‌ی حقایق علمی استوار باشد، با آزمون و خطاهای گسترده‌ی حاکم بر دنیای مهندسی، در تضاد است. رسیدن به هدف پیش‌بینی‌شده در مهندسی مولکولی با تکیه بر روابط تجربی و بدون فهم دقیق روابط علت و معلولی ممکن نبوده، و نیاز به فهم مستقیم منبعع فیزیکی و شیمیایی خواص مواد دارد. همچنین امروزه با پیشرفت چشمگیر تکنولوژی، انجام روش‌های آزمون و خطا اغلب گران‌قیمت و سخت است؛ همانطور که به حساب آوردن تمام ارتباطات موجود بین متغیرها در یک سیستم پیچیده کاری بس دشوار است. تلاش‌های صورت‌گرفته در زمینه‌ی مهندسی مولکولی شامل استفاده از ابزار محاسبه‌ای، متدهای آزمایشی، و یا تلفیقی از هردوی آن‌ها است.
تاریخچه‌ی مهندسی مولکولی
برای اولین بار و در سال ۱۹۵۶، در مقاله‌ای پژوهشی، آرتور ون هیپل (Arthur R. von Hippel) ایده‌ی مهندسی مولکولی را اینگونه مطرح کرد:
مهندسی مولکولی چیست؟ مهندسی مولکولی مدل جدیدی از تفکر درباره‌ی مشکلات مهندسی است. علمی که در آن به جای استفاده از مواد تغییرداده‌نشده و انجام فرآیندهای مهندسی هماهنگ با ساختار ماکروسکوپیک آن‌ها، از اتم‌ها و مولکول‌ها برای ساخت مواد با اهداف مشخص استفاده می‌شود.
این موضوع برای دومین بار، در سخنرانی تاریخی ریچارد فاینمن (Richard Feynman) در سال ۱۹۵۹ که از آن به عنوان تولد علم نانوتکنولوژی یاد می‌شود، نیز تکرار شده و مورد توجه قرارگرفت. با وجود معرفی زودهنگام چنین موضوعاتی، تنها در سال ۱۹۸۶ و با انتشار کتاب «موتور آفرینش: آغاز دوران فناوری نانو» ( Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology) توسط اریک درکسلر (Eric Drexler) بود که موضوعات مدرن علوم نانو و مقیاس مولکولی شروع به تشکیل و رشد در افکار عمومی کرد.
کشف خواص هدایت الکتریکی در پلی‌استیلن، توسط آلن هیگر (Alan J. Heeger) در سال ۱۹۷۷ دریچه‌ی آغازی در زمینه‌ی الکترونیک ارگانیک و بسیاری از تلاش‌های صورت‌گرفته در زمینه‌ی مهندسی مولکولی پدید آورد. امروزه طراحی و بهبود چنین موادی منجر به ابداعات نوآورانه‌ی بسیاری از جمله دیودهای نشردهنده‌ی نور ارگانیک، و سلول‌های خورشیدی انعطاف‌پذیر شده است.
کاربردهای طراحی مولکولی
طراحی مولکولی، امروزه به جزئی اساسی در بسیاری از زمینه‌های آکادمیک، از جمله مهندسی زیستی، مهندسی شیمی، مهندسی برق، علم مواد، مهندسی مکانیک، و علم شیمی تبدیل شده است. به همین دلیل، یکی از چالش‌های پیش روی آن، گردآوری نیروی انسانی موردنیاز از تمامی رشته‌های فوق، به منظور توسعه‌ی تئوری‌های طراحی و تبدیل آن‌ها به محصولات تولیدی است. لذا با وجود جدیدنبودن بحث مهندسی تکنولوژی‌ها به روش پایین به بالا، هنوز تا دست‌یابی به مرحله‌ی تحقیق و توسعه، راه زیادی باقی است. اما در حالت کلی مهندسی مولکولی در صنایع بسیاری به کار برده می‌شود که در ادامه ذکر خواهند شد:
محصولات مصرفی
- سطوح آنتی بیوتیک (برای مثال، با الحاق نانوذرات نقره یا پپتیدهای آنتی باکتریال به پوشش‌ها به منظور پیشگیری از عفونت‌های باکتریال)
- لوازم آرایشی بهداشتی (برای مثال: اصلاح رئولوژیکی شامپوها توسط مولکول‌های کوچک و سورفکتانت‌ها)
- مواد شوینده (برای مثال، مایع لباسشویی به کمک نانونقره)
- لوازم الکترونیکی (دیودهای نشری ارگانیک (OLED))
- شیشه‌های الکتروکرومیک
- وسایل نقلیه‌‌ی فاقد نشت (توسط سلول‌های سوختی و باتری‌های پیشرفته)
- سطوح خودتمیزشونده (پوشش‌های فوق آب‌گریز سطوح)
مهندسی محیط
- نمک زدایی آب (توسط غشاهای جدید با کارایی بالا و هزینه‌ی کم)
- تصفیه‌ی خاک ( به کمک نانوذرات کاتالیتیک که تجزیه‌ی ترکیبات خاکی با عمر طولانی، نظیر ترکیبات ارگانیک کلرینه را سرعت می‌بخشند.)
- تصفیه‌ی کربن ( به کمک مواد جدید با قابلیت جذب CO2)
ایمونوتراپی
- واکسن‌های پپتیدی (برای مثال، ترکیبات آمفی‌فیل (دارای خواص آبگریزی و آبدوستی به طور همزمان) ماکرومولکولی پپتیدی، واکنش‌های ایمنی قدرتمند را تحریک می‌کنند.)
بیولوژی سنتتیک
- CRISPR: تکنیکی سریع‌تر و کارآمدتر برای ویرایش ژنی
- ژن‌درمانی: طراحی مولکولی برای انتقال ژن‌های جدید یا تغییریافته به درون سلول‌های زنده، به منظور درمان اختلالات ژنتیکی
- مهندسی متابولیک: ایجاد تغییر در متابولیسم ارگانیسم‌ها برای بهینه‌سازی تولید مواد شیمیایی (برای مثال ژنوم‌های سنتتیک)
- مهندسی پروتئین: تغییر ساختار پروتئین‌های موجود برای ایجاد کارایی‌های منحصربه‌فرد جدید، یا تولید پروتئین‌های مصنوعی
منابع
-von Hippel, Arthur R (1956). “Molecular Engineering”. Science. 123 (3191). JSTOR 1750067.
-Chiang, C. K. (1977-01-01). “Electrical Conductivity in Doped Polyacetylene”. Physical Review Letters. 39 (17): 1098–۱۱۰۱. Bibcode:1977PhRvL..39.1098C.
-Gallo, Jiri; Holinka, Martin; Moucha, Calin S. (2014-08-11). “Antibacterial Surface Treatment for Orthopaedic Implants”. International Journal of Molecular Sciences. 15 (8): 13849–۱۳۸۸۰.
-Surwade, Sumedh P.; Smirnov, Sergei N.; Vlassiouk, Ivan V.; Unocic, Raymond R.; Veith, Gabriel M.; Dai, Sheng; Mahurin, Shannon M. “Water desalination using nanoporous single-layer graphene”. Nature Nanotechnology. 10 (5): 459–۴۶۴. Bibcode:2015NatNa..10..459S.
– He, Feng; Zhao, Dongye; Paul, Chris (2010-04-01). “Field assessment of carboxymethyl cellulose stabilized iron nanoparticles for in situ destruction of chlorinated solvents in source zones”. Water Research. 44 (7): 2360–۲۳۷۰.
– Pelley, Janet. “Better Carbon Capture Through Chemistry | Chemical & Engineering News”. cen.acs.org. Retrieved 2016-08-06.
– Black, Matthew; Trent, Amanda; Kostenko, Yulia; Lee, Joseph Saeyong; Olive, Colleen; Tirrell, Matthew (2012-07-24). “Self-Assembled Peptide Amphiphile Micelles Containing a Cytotoxic T-Cell Epitope Promote a Protective Immune Response In Vivo”. Advanced Materials. 24 (28): 3845–۳۸۴۹.
