دستگاه بیوالکترونیک Pucklike در دانشگاه رایس طراحی شده است و شامل باکتریهای قابل برنامهریزی میشود که به الکترود وصل هستند و زمانی که آلودگی هدف را شناسایی کنند، یک سیگنال ارسال میکنند و این باعث سنجش در زمان واقعی میشود.
گردآورنده: براندون مارتین/ دانشگاه رایس
سنسورهای جدید وابسته به باکتری، حضور انواع آلودگی در آب را شناسایی میکنند. اما چه اتفاقی میافتد اگر درد تا 20 دقیقه بعد از ضربه حس نشود؟ در این صورت، درمان صدمه سختتر میشود.
«من فکر می کنم این پیچیدهترین مسیر پروتئین برای سیگنالدهی در زمان واقعی است که تا به امروز ساخته شده است.» – جاناتان (جاف) سیلبرگ
دانشمندان و مهندسین در دانشگاه رایس میگویند: این موضوع در زمینه محیط زیست نیز صدق میکند. اگر نشتی شیمیایی در رودخانه تا 20 دقیقه شناسایی نشود، دیگر تمیز کردن موثر آن خیلی سختتر خواهد شد.
سنسورهای بیوالکترونیک زنده میتوانند این مسئله را حل کنند. یک تیم از محققین یک باکتری را طراحی کردهاند که حضور انواع مختلفی از آلودگی را به خوبی و خیلی سریع شناسایی و گزارش میکند. این پروژه توسط کارولین آجو فرانکنی و جاتانان (جف) سیلبرگ از زیستشناسهای مصنوعی رایس انجام میشود و مدیریت آن را جاش آتکینسون و لین سو برعهده دارند که هر دو از دانشآموختگان دانشگاه رایس هستند.
مطالعه آنها که امروز (2 نوامبر) در مجله طبیعت چاپ شد، نشان میدهد که سلولها برای شناسایی مهاجمین و گزارش حضور آنها در عرض چند دقیقه با انتشار در جریان برق قابلشناسایی، قابل برنامهریزی هستند.
براساس مطالعات این محققین، این «دستگاههای هوشمند» میتوانند امنیت آب را تضمین کنند و در همین حین، با دریافت انرژی، قدرت خود را با نظارت بر شرایط در محیطهایی مانند رودخانهها، زمینهای کشاورزی، صنعت و تصفیه خانهها افزایش دهند.
کارولین آجو فرانکلین میگوید: «فقط کافی است میلههای آزمایش را وارد جریان کنید.»
اطلاعات زیستمحیطی که توسط این باکتریهای خودتکثیر منتقل میشود با جایگزینی یک پروتئین در زنجیره انتقال الکترون مصنوعی با 8 مولفه سفارشی میشود که باعث ایجاد سیگنال سنسور میشود.
سیلبرگ میگوید مدیر سیستمهای رایس، برنامه دکتری زیستشناسی فیزیکی و مصنوعی میگوید: «من فکر میکنم این پیچیدهترین مسیر پروتئین برای سیگنالدهی در زمان واقعی است که تا به حال ساخته شده است. به زبان ساده، یک سیم را تصور کنید که الکترونها را برای جریان از یک ماده شیمیایی سلولی به الکترود هدایت میکند، اما ما سیم را از وسط شکستهایم. زمانی که مولکول هدف ضربه بخورد، اتصال دوباره برقرار میشود و برق وارد کل مسیر میشود.
آجو فرانکلین گفت: «این فقط یک سوییج برقی کوچک است.»
دستگاههای Pucklike از باکتریهای قابلبرنامهریزی مختلف استفاده میکند.
دستگاههای Pucklike توسط دانشمندان و مهندسین دانشگاه رایس طراحی شده است و شامل باکتریهای قابلبرنامهنویسی متعددی میشود که حضور آلودگی را در زمان واقعی شناسایی و گزارش میکند. این باکتری، بعد از فعالسازی، یک سیگنال برقی را آزاد می کند.
گردآورنده: برادندون مارتین/ دانشگاه رایس
او گفت: «فقط کافی است میله اندازهگیری را وارد آب کنید و جریان را اندازهگیری کنید. دستگاههای ما متفاوت هستند چون میکروبها در کپسول حبس هستند. ما آنها را در محیط منتشر نمیکنیم.»
باکترین اثبات مفهوم محققین، Esherichia Coli (E.Coil) نام دارد و اولین هدف آن، تیوسولفات بود که یک عامل کلرزدایی استفاده شده در تصفیه آن است که میتواند باعث بروز شکوفه جلبکی شود. منابع آب برای آزمایش در دسترس هستند: ساحل گالستون و تصفیه خانه هاستون و رودخانه بوفالو.
آنها آب را از هر کدام جمعآوری کردند. در ابتدا، E.Coli را به الکترودها متصل کردند، اما میکروبها ثابت در جای خود نمیماندند. آجو فرانکلین گفت: «ما درحال طبیعی، به یک الکترود وابسته نیستیم. ما از زنجیرهها استفاده میکنیم که لایههای زیستی را تشکیل نمیدهند، بنابراین وقتی آب را اضافه کردیم، سقوط نمیکنند.»
ژو ژانگ، محقق فوق دکترای دانشگاه رایس، یک نمونه آب را برای آزمایش با باکتری قابلبرنامهنویسی آماده میکند که آزمایش را برای یافتن آلودگی انجام میدهد و یک سیگنال الکترونیکی را برای نشاسایی در زمان واقعی آزاد میکند.
گردآورنده: برادنون مارتین/ دانشگاه رایس
ژو ژانگ محقق فوقدکترای در آزمایشگاه آژو فرانکلین، سنسورها را در آگاروز به شکل یک آب نبات قرار داد که آلودگیها را حذف نمیکرد، اما سنسورها را در جای خودشان نگه میداشت و صدا را کاهش میداد.
آژو فرانکلین گفت: «سابقه ژو در زمینه زیستمحیطی است. او نگفت که باید زیستشناسی را ثابت کنیم. او میگوید: «باید ببنیم چه کارهایی میتوانیم با مواد انجام دهیم. این یک تحقیق خلاق و عالی درباره مواد است که باعث درخشش بیولوژی مصنوعی میشود.
ما توجه به محدودیتهای فیزیکی، این آزمایشگاه E.Coli را برای بیان یک مسیر مصنوعی کدگذاری کرد که تنها در مواجه با تیوسولفات، جریان تولید میکند. این سنسور زنده میتواند این ماده شیمیایی را در سطوحی کمتر از 0.25 میلیمول در هر لیتر شناسایی کند که این مقدار حتی برای مسمومیت یک ماهی هم کافی نیست.
در یک آزمایش دیگر، E.Coli، برای شناسایی اختلال درونی ثبت شد. این تلاش هم موفقیتآمیز بود و زمانی که عناصر نانو رسانا با مصنوعیسازی سفارشی در سلولهایی به شکل آبنبات آگاروز قرار گرفتند، سیگنالها تا حد زیادی ارتقا پیدا کرد. براساس نظر محققین، این سنسورها میتوانند آلودگی را تا 10 برابر سریعتر از دستگاههای مدرن قبلی شناسایی کنند.
کارولین آژو فرانکلین و جوف سیلبرگ
زیستشناسهای مصنوعی دانشگاه رایس به نامهای کارولین آژو فرانکلین و جاف سیلبرگ و آزمایشگاههای آنها، باکتری های قابلبرنامهریزی را طراحی کردهاند که آلودگی را شناسایی میکند و یک سیگنال الکترونیکی را در زمان واقعی منتشر میکند. گردآورنده: راندون مارتین/دانشگاه رایس
این مطالعه به طور تصادفی شروع شد، زمانی که آتکینسون و موشا باروش از گروه آژو فرانکلین در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی، در کنفرانس بیولوژی مصنوعی شیکاگو در سال 2015 کنار یکدیگر نشسته بودند و هر کدام پوسترهایی را به دست داشتند که جنبههای مختلف یک ایده را شرح میداد.
آتلینسون گفت: «به خاطر نام خانوادگیمان، ما پوسترها را کنار هم قرار داده بودیم. کل جلسه مربوط به پوسترها، ما با هم درباره پروژههای یکدیگر صحبت کردیم و این که این پوسترها چه قدر علایق ما در حوزه سلولها را تکمیل میکنند و این که الکترودها و الکترونها حاملهای اطلاعات هستند.
آژو فرانکلین این را به خاطر دارد که: «پوستر جاش، چهار ماژول اول را داشت. روش دریافت اطلاعات و تبدیل آن به اطلاعات بیوشیمیایی. ماش سه ماژول داشت. «دریافت اطلاعات بیوشیمیایی و تبدیل آن به سیگنال الکتریکی.»
او گفت: «نکته مهم، ارتباط این موارد با یکدیگر بود. سیگنالهای بیوشیمیایی کمی فرق دارند.»
سیلبرگ خاطر نشان کرد که: «ما میگوییم، باید کنار هم جمع شویم و درباره این موضوع صحبت کنیم.»
در عرض شش ماه، این همکاران جدید، کمک هزینه دفتر تحقیقات دریایی را دریافت کردند و بعد هم برای تقویت این ایده، برنده یک جایزه شدند.
آژو فرانکلین گفت: «گروه جاف مهندسی پروتئین و نیمی از مسیر انتقال الکترون را ایجاد کرد. گروه من هم، نیمه دیگر مسیر انتقال الکترون را تکمیل کرد و تلاشهایی در حوزه مواد انجام داد.» این تلاش در نهایت، باعث شد خود آژو فرانکلین در سال 2019 به عنوان محقق CPRIT به رایس بیاید.
او گفت: ما باید از لین و جاش خیلی تشکر کنیم. آنها هیچ وقت این پروژه را رها نکردند و همکاری خیلی قوی داشتند. آنها ایدهها را مدام بررسی میکردند و از طریق این تعامل، مشکلات زیادی را حل کردند.»
لیبرگ اضافه کرد: «دانشجویان، هر کدام از آنها میتوانستند سالها رو این پروژه کار کنند.»
سو که دانشجوی مهمان آزمایشگاه آژو فرانکلین بعد از فارغالتحصیلی از دانشگاه جنوب شرق چین بود، گفت: «جاش و من چند سال از دوره دکترای خودمان را بر روی این موضوع سپری کردیم. به فارغالتحصیلی و ادامه کار تا مرحله بعد تاکید داشتیم. من باید چند سال ویزای خودم را تمدید میکردم تا بتوانم در این کشور بمانم و تحقیقات را تمام کنم.»
سیلبرگ گفت: پیچیدگی طراحی از مسیر سیگنالدهی فراتر است. «زنجیره هشت مولفه دارد که جریان الکترون را کنترل میکند، اما مولفههای دیگر هم هست که سیمهای ورودی مولکول را میسازند. دهها مولفه با حدود 30 فلز یا عامل مشترک وجود دارد. این در مقایسه با زنجیرههای تنفسی میتوکندری خیلی بزرگتر است.»
همه، کمک محققان جورج بنت، دل باچر استاد دانشگاه بازنشسته و استاد تحقیق در علوم زیستی در این حوزه را تحسین میکنند.
سلیبرگ گفت از نظر او، میکروبهای مهندسیشده در آینده فعالیتهای زیادی را انجام خواهند دارد از نظارت بر میکروبیوم روده گرفته تا شناسایی مواد آلاینده مانند ویروسها، ارتقا استراتژی موفق برای آزمایش تصفیهخانهها برای SARS-COV19 در دوره بیماری کووید 19.
او گفت: «نظارت زمان واقعی با این انگیزهها روزبهروز مهمتر میشود و چون ما باید این سنسورها را پرورش دهیم، ساخت آنها ارزانتر میشود.»
برای این منظور، یک تیم را رافائل وردوزکو، استاد رایس در حوزه شیمی و مهنسدی بیومولکولی و علم مواد و مهندسی نانو همکاری میکند. او مسئول موسسه علم ملی با بودجه 2 میلیون دلاری است و با آژو فرانکلین، سیلبرگ، ماتئوس کریستین دانشمند زیستشناسی و لارن استادلر مهندس شهری و زیستمحیط برای انجام نظارت بر فاضلاب در زمان واقعی همکاری میکند.
آژو فرانکلین گفت: «این نوع از مواد که رافائل با آن کار میکند میتواند همه چیز را تغییر دهد.»
سیلبرگ گفت آزمایشگاههای رایس بر روی قوانین طراحی برای ساخت یک کتابخانه از سنسورهای ماژولار کار میکنند. من امیدوارم که وقتی افراد این مطلب را میخوانند، آنها فرصتها را درک کنند.
منبع: “Real-time bioelectronic sensing of environmental contaminants” by Joshua T. Atkinson, Lin Su, Xu Zhang, George N. Bennett, Jonathan J. Silberg and Caroline M. Ajo-Franklin, 2 November 2022, Nature.
سیلبرگ، استاد زیستشناسی و دانشگاه استوارت مموریال و مهندس زیستشناسی در رایس است. آژو فرانکلین استاد زیستشناسی است. آتکلینستون مهمان فوق دکترای موسسه علوم ملی در دانشگاه آراهاس دانمارک است و با دانشگاه کارلیفرنیای جنوبی کار میکند. سو دستیار تحقیق فوق دکترا و عضو هیئت علمی لورهلوم در دانشگاه کمبریج است.
این تحقیق با حمایت دفتر علم، دفتر علوم پایه انرژی وزارت انرژی آمریکا (DEC-SC0014462)، دفتر تحقیق نیروی دریایی (0001418IP0037، N00014-17-1-2639، N00014-20-1-2274)، موسسه تحقیق و پیشگیری از سرطان تگزاس (RR190063)، موسسه علم ملی (183556)، دپارتمان دفتر انرژی برنامه تحقیقات دانشجویان لیانس (DE SC00141664)، هیئت علمی لودیسکا استاکبریج وان و هیئت علمی شوررای بورسیه چین (CSC-22-1606090098) انجام شد.