شرح خبر

پژوهش‌گران در سال‌های اخیر پیشرفت چشم‌گیری در عرصه‌ی طراحی و ایجاد مدارهای زیستی داشته‌اند. این مدارها شبیه مدارهای الکترونیکی می‌توانند تعدادی ورودی مختلف را گرفته و نوع خاصی از خروجی را تحویل دهند. هرچند تک‌تک مولفه‌های چنان مدارهایی پاسخ‌های دقیق و قابل پیش‌بینی ارائه می‌دهند اما نتایج حاصله نشان می‌دهد رفتار کلی این مدارها که از ترکیب عناصر مختلف تشکیل می‌شود٬ چندان قابل پیش‌گویی‌ نیست. اکنون پژوهش‌گران با معرفی قطعه‌ای جدید به این مشکل غالب آمده‌اند. این قطعه نهایتاً خواهد توانست پیش‌بینی‌پذیری این مدارها را به اندازه‌ی مدارهای الکترونیکی بالا ببرد.

تیمی از پژوهش‌گران MIT روشی را ارائه داده‌اند که بر اساس آن پیش‌بینی‌ناپذیری چنان مدارهایی به شکلی چشم‌گیر کاهش می‌یابد. یافته‌های این پژوهش در مجله‌‌ی Nature Biotechnology در مقاله‌ای با همکاری دومیتیلیا دل ویکیو (Domitilla Del Vecchio) استاد مهندسی برق و رون وایس (Ron Weiss) استاد مهندسی بیولوژیک انتشار یافته است.

نویسنده‌ی اصلی این مقاله٬ دیپاک میشرا (Deepak Mishra) فارغ‌التحصیل مهندسی بیولوژیک ازMIT  است. دیگر نویسندگان٬ فیلیپ ریوریا (Phillip Rivera) و آلن لین (Allen Lin) دانشجویان تحصیلات تکمیلی مهندسی مکانیک و مهندسی برق و علوم رایانه هستند.

آن‌گونه که دل ویکیو توضیح می‌دهد٬ پتانسیل‌های کاربردی فراوانی برای چنان مدارهای زیستیِ سنتز شده وجود دارد. به گفته‌ی وی: «چیزی که به طور ویژه بر روی آن کار کردیم حسگری‌ِ زیستی است – سلول‌هایی که قادرند مولکول‌های خاص را در محیط اطرافشان آشکارسازی کرده و پاسخ ویژه‌ای را به شکل خروجی ارائه دهند». به عنوان مثال: سلول‌هایی که قادرند نشانگرهای سلول‌های سرطانی را تشخیص داده و سپس مولکول‌هایی را برای از بین بردن چنان سلول‌هایی شلیک می‌کنند.

به بیان وایس٬ چون این مدارها نبایستی قدرت کشنده‌ی خود را در مکان‌های اشتباه رهاسازی کنند٬ این موضوع اهمیت زیادی دارد که چنان مدارهایی قادر باشند بین سلول‌های سرطانی و غیرسرطانی تمایز دقیقی قائل شوند. برای رسیدن به چنان هدفی مدارهای پردازش اطلاعات قوی متشکل از عناصر زیستی داخل یک سلول ایجاد می‌شوند.

یک نوآوری ازMIT  که به بسیاری از مولفه‌های بیولوژیکی این اجازه را می‌دهد تا برای تولید اثرات قابل پیش‌بینی به هم متصل شوند.

تا به امروز چنان پیش‌بینی‌پذیریِ قوی امکان‌پذیر نبوده است. این پیش‌بینی‌ناپذیری تاحدودی به علت اثرات بازخوردی است که با وارد ساختن مولفه‌های چندگانه‌ی چنان مدار زیستی بوجود می‌آید. مشکلات از آن‌جا ناشی می‌شوند که برخلاف مدارهای الکترونیکی که در آن یک مولفه به شکل فیزیکی بواسطه‌ی سیم‌ها به مولفه‌های دیگر متصل می‌شود تا از جریان همیشگی اطلاعات در یک جهت خاص اطمینان حاصل شود٬ اما مدارهای زیستی از مولفه‌هایی تشکیل شده‌اند که همگی حول و حوش هم و در محیط سیالِ پیچیده‌ای که در بخش داخلی سلول وجود دارد٬ معلق‌اند.

جریان اطلاعات توسط اندرکنش‌های شیماییِ تک‌تک مولفه‌ها به پیش رانده می‌شود که به شکل ایده‌آل تنها مولفه‌های خاص را بایستی تحت تاثیر قرار ‌دهد. اما در عمل تلاش برای ساخت چنان ارتباط و پیوندِ زیستی٬ نتایجی را به دست داده که متفاوت از پیش‌بینی‌هاست.

به گفته‌ی دل ویکیو: «اگر مدار را سرهم کرده و انتظار پاسخ X را داشته باشید و به جای آن پاسخ Y را دریافت کنید٬ بسیار مشکل‌ساز خواهد بود».

قطعه‌ای که این تیم پژوهشی برای غالب آمدن بر این مشکل تولید کرده‌اند یک درایور بار (load driver) نامیده می‌شود و اثر آن شبیه درایورهای باری است که در مدارهای الکترونیکی استفاده می‌شود: قطعه‌ای که نوعی میان‌گیر را مابین سیگنال و خروجی فراهم می‌کند. این میان‌گیر از اثراتِ سیگنال‌دهی ناشی از پشتیبان‌گیری از سیستم و ایجاد تاخیرهای زمانی در خروجی‌ها جلوگیری می‌کند.

هرچند این یک پژوهش آنقدر مقدماتی است که سال‌های زیادی برای رسیدن به کاربرد اقتصادی راه دارد اما به گفته پژوهش‌گران  می‌تواند انواع مختلفی از کاربردها را به خود اختصاص دهد. برای مثال این قطعه می‌تواند به مدارهای زیستی سنتزشده بیانجامد که سطح گلوکز خون را در بیمارانی که از دیابت رنج می‌برند اندازه گرفته و به شکل خودکار مقدار انسولین موردنیاز را در خون رهاسازی کند.

به گفته‌ی دل ویکیو٬ افزودن این درایور بار به مولفه‌های موجود که در طراحی چنان مدارهای زیستی بکار می‌رود٬ «پیچیدگی‌ِ این مدارها را تشدید می‌کند» هرچند کاربردهای جدیدی را پیش‌رو قرار می‌دهد٬ اطمینان از عملکرد آن‌ها «قدرتمند و قابل پیش‌بینی» است.

جیمز کولینز (James Collins) استاد مهندسی بیوپزشکی در دانشگاه بوستون که در این پژوهش سهمی نداشته است می‌گوید: «تلاش‌هایی که در زیست‌شناسیِ سنتز برای ایجاد مدارهای ژنی پیچیده صورت می‌گیرد اغلب به واسطه‌ی اندرکنش‌های غیرمنتظره یا غیرمشخصی که مابین زیربخش‌های چنان مدارهایی اتفاق می‌افتد با مشکل مواجه می‌شوند. این اندرکنش‌ها مشخصه‌های ورودی-خروجی زیربخش‌ها را تحت تاثیر قرار داده و به رفتار نامطلوبی از مدار می‌انجامد.»

اما اکنون به بیان کولین٬ «دل ویکیو و وایس پیشرفت مهمی را در این زمینه با ایجاد قطعه‌ای ژنتیکی به انجام رسانده‌اند که تصحیحی بر چنان اندرکنش‌هایی به حساب آمده و منجر به رفتار قابل پیش‌بینی‌تری می‌شود.»

این پژوهش از سوی بورسیه پژوهشی انرژی Eni-MIT٬ بنیاد ملی علوم٬ اداره‌ی پژوهش ارتش ایالات متحده٬ دفتر پژوهش‌های علمی نیروی هوایی ایالات متحده و موسسه‌ی ملی بهداشت حمایت شده است.        

منبع:

Enabling biocircuits: New device could make large biological circuits practical



نویسنده خبر: بهنام زینال‌وند فرزین
کد خبر :‌ 1619
«استفاده از اخبار انجمن فیزیک ایران و انتشار آنها، به شرط
ارجاع دقیق و مناسب به خبرنامه‌ی انجمن بلا مانع است.»‌



حامیان انجمن فیزیک ایران   (به حامیان انجمن بپیوندید)

کلیه حقوق مربوط به محتویات این سایت محفوظ و متعلق به انجمن فیریک ایران می‌باشد.
Webmaster : Ali Meschian : www.irandg.com

www.irandg.com