فروردین ۱۷
مرتضی خاکپور
دبیر خبر | ۲۷ بهمن ۱۳۹۸

هک بیولوژیکی با دست‌کاری سلول‌های زنده

گروه‌های مختلفی از پژوهشگران در تلاش هستند موجودات زنده میکروسکوپی را به روبات‌های بیولوژیکی تبدیل کنند.

با پیشرفت در فناوری‌های نانو و بیوتکنولوژی، باکتری‌ها در تحقیقات علمی به صورت روزافزون توجه پژوهشگران را به سوی خود جلب می‌کنند. باکتری‌ها بستری بالقوه برای «اینترنت اشیا نانو بیولوژیکی» (Internet of Bio-Nano Things/IoBNT)، به حساب می‌آیند. این موجودات میکروسکوپی، دارای شبکه، ارتباطات در مقیاس نانو و نهادهای بیولوژیکی هستند.

اینترنت اشیا نانو بیولوژیک ارتباطات و معماری شبکه‌ای را در بر می‌گیرد که از موجودات بیولوژیکی و ابزارهایی در مقیاس نانو به وجود می‌آید. با توجه به پیشرفت‌های اخیر در زمینه «زیست شناسایی مصنوعی» (synthetic biology) و فناوری نانو، بستر یاد شده، طیف گسترده‌ای از کاربردهای بالقوه را ارائه می‌دهد.

یکی از موارد نانو بیولوژیک که هم‌اکنون روی آن تحقیق می‌شود، باکتری‌ها هستند. در عصر «پایداری زیست‌محیطی» (environmental sustainability)، می‌توان باکتری‌ها را به گونه‌ای برنامه‌ریزی کرد که امکان استقرار آن در محیط‌های مختلف وجود داشته باشد. برای مثال امکان رصد سموم و آلاینده‌ها، جمع‌آوری داده‌ها و پاک‌سازی زیستی در شهرهای هوشمند و دریاها را فراهم می‌آورند.

به طور مشابه در زمینه پزشکی و بهداشت و درمان، می‌توان باکتری‌ها را به گونه‌ای برنامه‌ریزی کرد که توان درمان بیمار را داشته باشند. برای مثال می‌توان به رمزنگاری هورمون‌های مفید در DNA اشاره کرد. در چنین حالتی باکتری‌ها مستقیماً به سمت مقصد از پیش تعیین شده در بدن انسان حرکت کرده، زمانی که عامل بیماری‌زا را تشخیص دهند، دارو و هورمون مفید را تولید و آزاد می‌کنند.

از آنجایی که کاربردهای بالقوه یاد شده با هدف بهره‌مندی از قابلیت‌های سنجش، تحرک، ارتباطات و پردازش‌های بیولوژیکی بررسی می‌شوند، میکروب‌ها شباهت‌های بسیاری با ابزارهای اینترنت اشیا رایج دارند. این یک برهان قوی است که باکتری‌ها را به عنوان شکلی زنده از اینترنت اشیا در نظر می‌گیرد. همچنین در زمینه‌هایی مانند «تعامل انسان و رایانه» (Human-Computer Intercation/HCI) و «تعامل انسان و رایانه بیولوژیکی» (Bio-HCI)، درک باکتری‌ها، حوزه‌ای غنی از اکتشافات را پیش روی انسان قرار می‌دهد.

باکتری به عنوان ابزار اینترنت اشیا:

احتمالاً ساده‌ترین راه برای شناسایی نقش باکتری در اینترنت اشیا و رابطه انسان و رایانه به صورت قابل درک، مقایسه میکروب‌ها با ابزارهای اینترنت اشیا امروزی (موجود در تصویر یک) است. در این حالت می‌توان اجزا باکتری را مقابل مدل‌های دیجیتالی استاندارد قرار داد و درک بهتری از ویژگی‌های آن به دست آورد. در تصویر بالا عناصر مشترک باکتری ای‌کُلی (E.colibacterium) –که در ادامه برای ساده‌سازی تنها با عبارت باکتری به آن اشاره می‌شود- و یک تراشه «رزپری‌پای» (Raspberry Pi) به همراه چندین ماژول آن، به نمایندگی از جهان‌های بیولوژیکی و دیجیتالی، در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند که در ادامه توضیح داده می‌شوند.

این 2 به عمد برای مقایسه انتخاب شده و در کنار هم قرار گرفته‌اند؛ زیرا دارای عناصر مشترک، محاسبات متن‌باز و استانداردهای «خودت انجام بده زیست‌شناسی1» (DIY biology) هستند؛ بنابراین هر دوی آن‌ها برای اهدافی مانند یادگیری، یک نمونه ایده‌آل، مقرون به صرفه و ابزاری در دسترس هستند.

با وجود این که تصویر یک، ساده بودن جهان‌های دیجیتالی و بیولوژیکی را نشان می‌دهد، سؤالات مهمی را نیز در زمینه چگونه به کارگیری باکتری‌ها در تحقیقات رابط انسان و رایانه به وجود می‌آورد. این پرسش‌ها نه تنها ممکن است به علت تفاوت‌های عملی در پایداری، پاسخگویی و ایمنی تعامل به وجود آیند؛ بلکه احتمالاً پیامدهای آینده‌نگرانه و تأثیراتی را که اینترنت اشیا نانو بیولوژیک در جامعه می‌گذارند را هم در بر می‌گیرد.

حسگرها و پیشرانه‌ها

باکتری می‌تواند طیف گسترده‌ای از محرک‌ها را مانند نور، عوامل شیمیایی، تنش‌های مکانیکی، میدان‌های مغناطیسی و هوا حس کنند. این باکتری در واکنش به محرک‌ها، ممکن است به وسیله تاژک2 (flagella) (تصویر 2) خود یا تولید پروتئین‌هایی مانند رنگ‌دانه‌های مختلفی شامل پروتئین فلورسنت سبز (green fluorescent protein) حرکت کند (تصویر 3). با توجه به ماهیت مولکولی که حسگرهای باکتری‌ها و پیشرانه‌های آن‌ها دارند، تفاوت‌های بسیار بزرگی میان حساسیت، پایداری و پاسخگویی آن‌ها در مقایسه با همتایان دیجیتالی وجود دارد.

واحد کنترل، حافظه و پردازشگر

دی‌اِن‌اِی موجود در باکتری، فضای ذخیره‌سازی برای اطلاعات و دستورالعمل‌هایی رمزنگاری شده را ارائه می‌دهد که امکان ترجمه آن‌ها به عملکردهای پایدار وجود دارد. به همین صورت، نقش‌های مشابهی به مانند واحد کنترل رایانه (به عنوان یک نهاد مدیریت داده واحد و بخش شرط‌های نرم‌افزاری)، حافظه (واحد جایگذاری شده ذخیره داده‌های سیستم) و واحد پردازشگر (اجرای دستورالعمل‌های یک نرم‌افزار) توسط آن ارائه می‌شود.

2 نوع DNA در باکتری وجود دارد. نوع اول ژنومیک3 (genomic DNA) است که بیشتر دستورالعمل‌ها را برای عملکرد سلول در خود جای داده است. نوع دوم یک واحد دایره‌ای شکل به نام پلاسمید4 (plasmids) است. در زیست‌شناسی مصنوعی، پلاسمیدها معمولاً برای معرفی طیف گسترده‌ای از ژن‌ها در ارگانیسم مورد استفاده قرار می‌گیرند تا آن‌ها را به عنوان ابزاری چندمنظوره برای عملکردهای سفارشی‌سازی شده و ذخیره‌سازی داده‌های جدید تبدیل کند.

گیرنده

برای بخشی که امکان انتقال و دریافت ارتباطات را امکان‌پذیر می‌کند، می‌توان غشای سلولی باکتری را به عنوان یک گیرنده در نظر گرفت. به عنوان بخشی از مسیرهای سیگنالینگ سلولی، این ماده در آزادسازی و انتشار مولکول نقش دارد.
همچنین به منظور اتصال میان دو سلول که منجر به تبادل میان DNA می‌گردد، از پیلی5 (Pili) بهره گرفته می‌شود. به طور کلی، چنین رابطه‌ای به ارتباطات مولکولی اشاره دارد که اساس برای نانو شبکه‌های باکتری‌ها را تشکیل می‌دهد.

شبکه‌های نانوی باکتریایی

شبکه‌های نانو باکتریایی نمونه‌ای از ارتباطات مولکولی هستند که به صورت روزافزون توجه جامعه اینترنت اشیا را به سمت خود جذب می‌کند. این شبکه شامل ارتباط میان جامعه باکتری‌ها از طریق سیگنالینگ مولکولی و میدان‌های الکتریکی است.

یکی دیگر از روش‌های ارتباطی از طریق حرکت فیزیکی است. این موضوع امکان مهار کردن قابلیت حرکتی باکتری‌هایی مانند ای‌کلی را امکان‌پذیر می‌کند. در این موارد می‌توان اطلاعات دیجیتالی را برای ثبت روی DNA تبدیل کرد و در زمان موردنیاز مجدداً به حالت دیجیتالی بازگرداند. نمونه‌ای از شیوه اجرای ذخیره‌سازی و انتقال داده‌ها در DNA با استفاده از ادغام باکتری‌های متحرک و غیر متحرک در تصاویر 4 و 5 قابل ‌مشاهده هستند.

چالش‌ها و راهکارهای ممکن

با وجود این که باکتری‌ها چارچوبی مستحکم را در تحقیقات رابط انسان-رایانه به وجود می‌آورند، کار مستقیم با میکروارگانیسم‌ها احتمالاً چالش‌های عملی و اخلاقی به وجود می‌آورد. با توجه به ماهیت بیولوژیکی میکروارگانیسم‌ها، برخلاف رایانه و تجهیزات الکتریکی، نحوه‌ی کار و دست‌کاری آن‌ها نیاز به بررسی‌های دقیق دارد. این موضوع شامل نظارت حرفه‌ای بالقوه، مجوز قانونی کار با میکروب‌ها، هزینه‌ها و هرگونه چالش مربوط به باکتری و ایمنی کار با آن‌ها می‌شود.

به علاوه محققان رابط انسان-رایانه ممکن است با باکتری‌ها آشنایی نداشته و از گذشته نیز دانشی در این زمینه کسب نکرده باشند؛ این مسئله تحقیق روی باکتری‌ها را سخت‌تر می‌کند. این موضوع توسط تعدادی از مفاهیم پایه‌ای فیزیولوژی باکتری‌ها که برای عده‌ای انتزاعی به نظر می‌رسد، پیچیده‌تر خواهد شد.

به منظور مقابله با چالش یاد شده محققان پیشنهاد می‌دهند، به منظور بهبود روند تحقیقات روی رابط انسان-رایانه از ابزارهای خودت انجام بده بیولوژیکی و بازی‌وارسازی6 (gamification) بهره گرفته شود. در ادامه جزئیات بیشتری در این رابطه و دلایل آن ذکر شده‌اند.

خود انجام بده زیست‌شناسی

جنبش خودت انجام بده زیست‌شناسی امکان دسترسی به ابزارهای مقرون به صرفه داده‌ها و مواد بیوتکنولوژی را ساده‌تر می‌کند. این سرمایه‌گذاری چشم‌انداز اقتصادی صنعت بیوتکنولوژی مدرن را تغییر می‌دهد؛ زیرا به صورت مداوم هزینه‌های سنتز و توالی سنجی DNA را کاهش می‌دهد.

در حال حاضر ابزارها و روش‌های اجرای آزمایش‌هایی در مقیاس کوچک، روی میکروارگانیسم‌ها، به صورت گسترده‌ای از طریق کانال‌ها و بازارهای مختلف در دسترس عموم مردم قرار دارد. به علاوه هم‌اکنون کیت‌های حمایتی متنوعی در این زمینه وجود دارند. بسته‌هایی آموزشی مانند «آمینو لبز» (Amino Labs) به طور خاص برای افرادی آماده شده است که به دست‌کاری و مهندسی ژنتیکی باکتری ‌ای‌کلی علاقه‌مند هستند. این بسته آموزشی از طریق مدارهای از طریق ایجاد مدارهای ژنتیکی که به طیف وسیعی از محرک‌های محیطی واکنش نشان می‌دهند، امکان ایجاد رنگ‌های سفارشی از باکتری را به کاربر می‌دهد.

از آنجایی که دستیابی، فرهنگ‌سازی و نگهداری از باکتری‌ها، به خصوص ای‌کلی ساده است، ابزاری ایدئال برای انجام پروژه‌های هک بیولوژیکی (BioHacking) به حساب می‌آیند. برای مثال کار کردن با استاندارد صنعتی «ای‌کلی کی-12» (K-12 E.Coli) که در آمینو لبز از آن بهره گرفته شده است، تقریباً بی‌خطر است. آن‌ها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که بیماری‌زا نبوده و گسترش یافتنشان در خارج از محیط آزمایشگاه دشوار است. برخلاف بسیاری از گونه‌های مختلف باکتری‌ها، می‌توان کی-12 را بدون داشتن هیچ مجوزی، در آمریکا و اکثر نقاط اروپا خریداری کرد.

بازی ‌وارسازی باکتری

بازی‌ وارسازی، در حوزه اینترنت اشیا، مزایای بسیاری دارد. این روش به طور خاص مخش کرده است که به کارگیری ابزارهای جدید اینترنت اشیا و تغییرات مثبت در رفتار مسافران، بخشی از نوآوری شهرهای هوشمند است.

به طور مشابه فرضیه پژوهشگران این است که بازی وارسازی از ای‌کلی، طیف گسترده از مزایا را ارائه خواهد داد. میکروارگانیسم‌ها در گذشته نیز توسط این روش، در قالب یک بازی بیوتیک7 (Biotic) مورد بررسی قرار گرفته‌اند. بیوتیک یک بازی ترکیبی زیستی-دیجیتالی است که میکروب‌های واقعی را در بستر بازی‌های رایانه‌ای ادغام می‌کند. به طور کالی بازی وارسازی میکروب‌ها از نظر تعامل، کسب تجربه و یادگیری موفقیت‌آمیز بودند.

چالش‌های اخلاقی

به مانند هرگونه کاربرد بالقوه اینترنت اشیا، ملاحظات اخلاقی و مسائل مربوط به حریم خصوصی در رابطه با داده‌های کاربر را می‌توان در مورد سامانه‌های اینترنت اشیا میکروبی نیز در نظر گرفت. با وجود این، با توجه به ماهیت چنین سیستم‌هایی، لایه جدیدی از چالش‌های اخلاقی به وجود می‌آیند.

اولین چالش مربوط به ماهیت مستقل عملکرد باکتری‌ها است. از آنجایی که باکتری‌ها به صورت خودکار تحول پیدا می‌کنند، امکان تهدید اکوسیستم‌های طبیعی را دارند و حتی ممکن است به یک عامل بیماری‌زا تبدیل شوند. شاید این مسئله در رابطه با نمونه‌های آموزشی کی-12 صادق نباشد؛ اما موضوعی است که باید به صورت گسترده‌تر در نظر گرفته شود.

دوم: نانو شبکه‌های باکتری‌ها به انتقال داده‌ها (رمزنگاری در DNA) از طریق فرآیندهای ادغام و تحرک سلولی وابسته هستند. با وجود این که باکتری‌ها با سطح مهندسی بالا، ممکن است یک سامانه ارتباطی کارآمد را ارائه بدهند، در نهایت موجودیتی زنده هستند که ممکن است نتیجه‌ای غیرمنتظره را رقم بزنند.

در مجموع در حالی که استفاده از باکتری‌ها در اینترنت اشیا فرصت‌های هیجان‌انگیزی را ارائه می‌دهد، به طور هم‌زمان چالش‌های اخلاقی تازه‌ای را نیز به وجود می‌آورند که مباحث بسیاری در آن قابل مطرح‌شده هستند.

در این مقاله محققان ویژگی‌های باکتری ای‌کلی را ذکر کردند که حوزه‌ای جدید از اکتشافات میکروبی را در اینترنت اشیا و رابط انسان-رایانه به وجود می‌آورد. این موضوع با مقایسه ارگانیسم‌های زنده با ابزارهای دیجیتالی اینترنت اشیا آغاز شد. به علاوه به عدم وجود زیرساخت‌های لازم برای محققان اینترنت اشیا و رابط انسان-رایانه به منظور کار با باکتری‌ها اشاره شد. به عنوان یک راه‌حل بالقوه محققان پیشنهاد دادند تا از جنبش خودت انجام بده زیست‌شناسی و بازی وارسازی کمک گرفته شود.

در نهایت به چالش‌های اخلاقی ابزارهای اینترنت اشیا بر پایه باکتری، اشاره شد که این نهادهای زنده مستقل هستند و ممکن است نتایج غیرمنتظره به وجود آورند. این چالش‌ها زمینه‌های گسترده‌ای را برای بحث و تحقیق پیرامون سامانه‌های اینترنت اشیا بیولوژیکی فراهم می‌آورد.

  1. خودت انجام بده زیست‌شناسی، یک جنبش اجتماعی بیوتکنولوژی رو به رشد است که افراد، جوامع و سازمان‌های کوچک در آن با استفاده از روش‌های مشابه مؤسسات تحقیقاتی، روی علوم زیست‌شناسی و زندگی تحقیق می‌کنند.
  2. تاژک یا فلاژل در موجودات ذره‌بینی وسیله حرکت آن‌ها محسوب می‌شود.
  3. ژنومیک، شامل تجزیه‌وتحلیل داده‌ها و اطلاعات ژنتیکی به‌خصوص ژنوم موجودات است.
  4. پلاسمید، مولکول DNA کوچکی است که به‌طور مجزا از کروموزوم در یاخته وجود دارد.
  5. پیلی یا مویک، زائده رشته مانند ظریفی که به تعداد فراوان در سطح باکتری‌ها یافت می‌شود و خصوصیات آنتی‌ژنی و عملکردهای جنسی یاخته از آن منشأ می‌گیرد.
  6. بازی ‌وارسازی یا گیمیفیکیشن استفاده از خصوصیت‌ها و تفکرات بازی گونه است در زمینه‌هایی که ماهیت بازی ندارند.
  7. بازی بیوتیک، به معنی بازی با موجودات زنده است. بسیاری از بازی‌های ویدئویی سعی در تقلید زندگی واقعی دارند؛ اما در بیوتیک از اشکال واقعی زندگی مانند مُخمِر یا پارامسی‌ها استفاده می‌شود.
منبع: سایبربان

نظرات

17 + 1 =