خانه / تازه‌ها / بیوتکنولوژی / دانشمندان باکتری‌ها را به سازنده دستگاه‌های مفید تبدیل نمودند

دانشمندان باکتری‌ها را به سازنده دستگاه‌های مفید تبدیل نمودند

دانشمدان دانشگاه دوک، با استفاده از مدارهای ژنی ساخته شده، باکتری‌ها را به سازنده دستگاه‌های مفید تبدیل نمودند. هنگامی که کلونی باکتری ها به صورت یک نیمکره رشد می کند، مدار ژنی منجر موجود منجر به تولید پروتئنی درون کلونی می‌شود و جذب مواد غیر آلی می‌گردد. هنگامی که نانوذرات طلا توسط پژوهشگران به محیط اضافه می‌گردد، این سیستم اطراف کلونی باکتریایی صفحات طلایی تشکیل می‌دهد. لازم به ذکر است اندازه و شکل این صفحات را می‌توان توسط عوامل کنترل کننده رشد محیط تعیین نمود.

نقاط سیاه نشان دهنده ذرات نانوطلا می‌باشد که توسط باکتری‌ها مهندسی شده به صفحات حساس به فشار جذب می‌گردند (تصویر از کاو، دانشگاه دوک).

نتیجه این مطالعه دستگاهی است که می‌تواند به عنوان سنسور فشار، مورد استفاده قرار گیرد. مطالعات قبلی در مورد رشد باکتریهای ویژه موفق بوده است،  اما در این روش رشد باکترها توسط عوامل خارجی کنترل می‌گردد و رشد آنها به دو بعد محدود می‌گردد. در این مطالعه، توسط پژوهشگران دانشگاه دوک، ساختار کمپوزیتی توسط باکتری به نحوی برنامه ریزی شدند که بتوانند دسترسی خود را به مواد غذایی کنترل نماییند و رشد خود را تعیین نمایند.

این تکنولوژی منجر به ایجاد دستگاه‌های مفید از سلولها خواهد شد. در حقیقت طبیعت سرشار از مثالهایی است که ترکیبات معدنی و آلی برای ساخت مواد بهتر ترکیب شده‌اند. برای نمونه صدف حلزون شامل کربنات کلیسم می‌باشد که مقداری مواد آلی می‌باشد در نتیجه تشکیل ریزساختارهایی را داده است که سه برابر قویتر از کربنات کلیسم می‌باشد. همچنین استخوان‌های ما انسانها ترکیبی از کلاژن آلی و مواد معدنی می‌باشد که از نمک‌های معدنی مختلفی تشکیل شده است.

تحت کنترل درآوردن چنین شرایطی در باکتری‌ها می‌تواند مزیتی برای پروسه‌های تولیدی جاری باشد. در طبیعت ساختارهای بیولوژیکی از مواد خام استفاده می‌نمایند و مصرف انرژی در آنها بسیار مقید و بهینه می‌باشد. در این سیستم سنتتیک، تغییر در دستورالعمل رشد سلولی می‌تواند منجر به تغییر شکل و الگوی رشد گردد که در نهایت می‌تواند منجر به تولید رنگریزه هایی گردد که نسبت به سیستم سنتی سریعتر و ارزان‌تر می‌باشد.

طبیعت خود استاد تولید مواد ساختاری می‌باشد که از ترکیبات زنده و غیر زنده تشکیل شده است. اما باید توجه داشت که برنامه ریزی سیستم‌های طبیعی به منظور الگوهایی که خودش کنترل کند بسیار پیچیده و مشکل می‌باشد. مدارهای ژنی در حقیقت دستور العمل هایی می‌باشد که پژوهشگران در داخل دنا (DNA) باکتری جاسازی می‌نمایند. این دستورها ابتدا به باکتری می گویند که پروتئینی به نام رناپلیمراز T7 را تولید نماید. این پروتئین می‌تواند با چرخه بازخورد مثبت مقدار بیان خود را کنترل نماید. همچنین این پروتئین، مولکول کوچکی را تولید می‌نماید که AHL نامیده می‌شود و مانند یک پیام داخل محیط انتشار می‌یابد.

در محیط رشد می‌توانند تکثیر نموده و هنگامی مقدار مولکول پیام به مقدار بحرانی خود می‌رسد که منجر به تولید دو پروتئین دیگر به نام «لیزوزوم T7» و «کورلی» می‌گردد. این مواد تولید پروتئین رناپلیمراز T7 را محدود می‌نماید در عین حال خودشان به قادر هستند به ترکیبات غیرآلی متصل گردند.

دینامیک موجود در این «چرخه بازخوردی» موجود منجر می‌شود که باکتری‌ها تشکیل ساختارهای کروی دهند و باکتریها تا هنگامی که مواد غذایی موجود باشد به رشد خود ادامه خواهند داد. همچنین باکتری‌ها در پوشش خارجی ساختارهای کروی خود قادر می‌باشند که نانوذرات طلا که در محیط اضافه گردیده را محصور نمایند.

پژوهشگران می‌توانند شکل و اندازه گنبدهای کروی تشکیل شده را تغییر دهند و ویژگی آنها را توسط صفحات متخلخل کنترل نمایند. برای نمونه با تغییر در اندازه منفذهای صفحات می‌تواند مقدار آب ورودی و مقدار مواد غذایی ورودی به سلولها را کنترل نموده و درنتیجه مقدار و الگوی رشد را تغییر داد.

در حقیقت این پژوهشگران سلولهای باکتریایی را طوری برنامه ریزی نمودند که ساختار سه بعدی مورد نظر آنها را بسازند و در دستگاهی مورد استفاده قرار گیرد که ویژگی‌های فیزیکی مشخصی دارد. این پژوهش از طبیعت الهام گرفته است اما به صورت طبیعی وجود ندارد و این پژوهشگران به نحوی برنامه ریزی نمودند تا به صورت طبیعی برای آنها ساخته شود.

برای نمایش اینکه این سیستم چگونه می‌تواند در ساخت دستگاه‌ها مورد استفاده قرار گیرد، پژوهشگران این ساختار هیبریدی از مواد آلی و غیر آلی را به عنوان سنسور فشار مورد استفاده قرار دادند. آرایه‌هایی از گنبدهای کروی را بر روی دو سطح مواد غذایی رشد دادند. این دو سطح همانند ساندویچ عمل می‌مانند و گنبدهای کروی دقیقاً در میان آنها قرار می‌گیرند. سپس هر کدام ازاین گنبدهای کروی به یک لامپ آل. ای.دی متصل می‌گردند. هنگامی که فشار برروی این ساندویچ ایجاد می‌گردد منجر به تغییر حالت این گنبدها شده و به یکدیگر فشار وارد می‌نمایند در نتیجه قابلیت رسانایی آنها افزایش می‌یابد. هرچه  فشار وارده بیشتر باشد، لامپ آل. ای.دی نور بیشتری را ساطع می‌نماید که می‌توان برای اندازه گیری مقدار فشار وارد شده مورد استفاده قرار گیرد.

اگرچه این پژوهش در ابتدا به عنوان سنسور فشار مورد استفاده قرار گرفته است اما می‌تواند به عنوان «مواد بیولوژیکی رسپانسیو» نیز مورد استفاده قرار گیرد. قابل توجه است که اگر بتوان این باکتریها را زنده نگه داشته و آنها خود را نسبت به صدمات وارده بازیابی نمایند، می‌تواند برای پاسخ به تغییرات محیطی مورد استفاده قرار گیرد. همچنین این پژوهشگران در حال مطالعه می‌باشند که چگونه ساختارهای پیچیده‌تری را توسط باکتری‌ها ایجاد نمایند. از آنجا که برخی از باکتری‌ها می‌توانند الگوهای شاخساره ای داشته باشند، این پژوهشگران به دنبال این هستند تا این باکتری‌ها رو به نحوی برنامه ریزی نمایند که الگوهای مورد نظر آنها را تشکیل دهند.

منابع

Yangxiaolu Cao, Yaying Feng, Marc D Ryser, Kui Zhu, Gregory Herschlag, Changyong Cao, Katherine Marusak, Stefan Zauscher, Lingchong You. Programmable assembly of pressure sensors using pattern-forming bacteria. Nature Biotechnology, 2017; DOI: 10.1038/nbt.3978

Duke University. Scientists have turned bacteria into the builders of useful devices. 2017. The material retrieved thecelluel.com. Available online at: http://taq.ir/1396/07/23/2387

 

 

درباره حمید احمدیان مقدم

من به علوم و فناوری های نوین علاقه مند هستم!

این نوشته هم جالبه!

دریای خزر

بزرگ‌ترین دریاچه آب شیرین جهان به آهستگی در حال تبخیر شدن است

بزرگ‌ترین دریاچه آب شیرین جهان به آهستگی در حال تبخیر شدن است، یافته‌های جدید نشان …

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *