با ریزرباتی از جنس DNA آشنا شوید

پژوهشگران مؤسسه اینسرم، CNRS و دانشگاه مونتپلیر موفق به ساخت ریزرباتی از جنس DNA شده‌اند که برای مطالعه فرایند‌های سلولی به کار می‌رود. این فرایند‌های سلولی با چشم غیرمسلح قابل‌مشاهده نیستند. این ریزربات‌های نوآورانه مطالعه نیروهای مکانیکی را امکان‌پذیر ساخته‌اند که در سطح میکروسکوپی روی می‌دهند و زیر‌بنای بسیاری از فرایندهای زیستی و آسیب‌شناختی هستند. این پژوهش در ژورنالNature Communication  منتشر شده است.

سلول‌های ما در معرض نیروهای مکانیکی میکروسکوپی هستند که سیگنال‌های زیستی لازم برای بسیاری از فرایندهای سلولی را فعال می‌سازند که در کارکرد نرمال بدن و یا در شکل‌گیری بیماری‌ها نقش دارند.

برای مثال، حس لامسه تا حدی مشروط به اعمال نیروهای مکانیکی بر گیرنده‌های سلولی خاص است؛ این گیرنده‌ها حاصل کشفیاتی هستند که در سال گذشته، جایزه‌ نوبل را در حوزه‌ فیزیولوژی یا پزشکی به خود اختصاص دادند. این گیرنده‌ها که علاوه بر لمس، به نیروهای مکانیکی نیز حساس هستند، تحت عنوان مکانورسپتور یا گیرنده مکانیکی نیز شناخته می‌شوند. این گیرنده‌ها امکان تنظیم فرایندهای زیستی کلیدی همچون انقباض رگ‌های خونی، ادراک درد، تنفس و حتی تشخیص امواج صوتی را فراهم می‌آورند.

از طرفی، اختلال عملکرد در حساسیت مکانیکی سلولی عامل بسیاری از بیماری‌ها همچون سرطان است. سلول‌های سرطانی پیوسته با خواص مکانیکی محیط اطراف خود سازگار می‌شوند. این سازگاری تنها در صورتی امکان‌پذیر می‌شود که گیرنده‌های مکانیکی که اطلاعات را به اسکلت سلولی منتقل می‌کنند، نیروهای خاصی را تشخیص دهند.

در حال حاضر، دانش ما در خصوص مکانیزم‌های مولکولی که در حساسیت مکانیکی سلولی نقش دارند، محدود است. فناوری‌هایی هستند که نیروهای کنترل‌شده به کار می‌برند و مکانیزم‌های مذکور را مطالعه می‌کنند، اما محدودیت‌هایی دارند. از جمله‌ این محدودیت‌ها می‌توان به هزینه‌ بالای آن‌ها اشاره کرد. به علاوه، این فناوری‌ها به ما اجازه نمی‌دهند چندین گیرنده‌ سلولی را به طور همزمان مطالعه کنیم؛ در نتیجه، در صورت جمع‌آوری داده‌های فراوان، زمان زیادی هدر می‌رود.

ساختارهای اوریگامی DNA

ماجرای ریزرباتی از جنس DNA از آنجا آغاز می‌شود که تیم پژوهشی به سرپرستی گیتان بیلت از مرکز Inserm، به منظور حل این محدودیت‌ها، تصمیم به استفاده از روش ساختارهای اوریگامی DNA گرفتند. روش مذکور با استفاده از مولکول‌های DNA به عنوان ماده‌ سازنده، امکان خودآرایی نانوساختارهای سه‌بُعدی به شکل‌های از پیش‌ تعیین‌شده را فراهم می‌آورد. در طول 10 سال گذشته، این تکنیک به پیشرفت‌های بزرگی در زمینه فناوری نانو انجامیده است.

این تکنیک به پژوهشگران اجازه می‌دهد، تا ‌ریزرباتی متشکل از ساختارهای اوریگامی DNA با اندازه نانومتری طراحی کنند که مطابق  با اندازه سلول‌های انسانی است. با تکیه بر این ساختار، برای اولین بار در تاریخ می‌توان نیرویی با رزولوشن 1 پیکونیوتون (یک تریلینیوم نیوتون) را اعمال و کنترل کرد؛ برای درک بهتر این مقیاس، در نظر داشته باشید که نیروی ناشی از فشردن سر خودکار با انگشت، برابر با یک نیوتن است. این اولین باری است که یک شیء DNAمحور با قابلیت خودآرایی و در قالب ریزرباتی از جنس DNA به دست انسان‌ها ساخته شده است که می‌تواند چنین نیرویی را با این دقت وارد کند.

پژوهشگران در ابتدا، ربات را با مولکولی جفت کردند که گیرنده‌ مکانیکی را می‌شناسد. بدین ترتیب، ربات توانست به سمت برخی از سلول‌ها حرکت کند و نیروهای لازم را به گیرنده‌های مکانیکی مدنظر وارد کند. این گیرنده‌ها در سطح سلول‌ها قرار گرفته بودند، تا آن‌ها را فعال سازند.

این دستاوردها ابزار ارزشمندی برای تحقیقات پایه به شمار می‌روند، چون درک بهتر آن دسته از مکانیزم‌های سلولی را امکان‌پذیر می‌سازند که در حساسیت مکانیکی سلولی و کشف گیرنده‌های مکانیکی سلولی جدید، نقش دارند. در واقع، به لطف ریزرباتی از جنس DNA، پژوهشگران اکنون می‌توانند به طور دقیق بررسی کنند که در انواع فرایندهای زیستی و آسیب‌شناختی، هنگام اعمال نیرو، دقیقاً در چه لحظه‌ای، مسیرهای سیگنالی کلیدی در سطح سلولی فعال می‌شوند.

بیلت تأکید می‌کند: «طراحی رباتی که مطالعه‌ نیروهای پیکونیوتونی را در محیط‌های آزمایشگاهی و محیط‌های واقعی امکان‌پذیر سازد، در جامعه‌ علمی با استقبال فراوانی روبه‌رو خواهد شد. با این حال، قابلیت سازگاری زیستی ربات در محیط‌های واقعی که یکی از مزایای بزرگ آن است، نقطه‌ضعف بزرگی هم به شمار می‌رود؛ چون حساسیت به آنزیم‌ها می‌تواند DNA را فرسایش دهد. به همین خاطر، در گام بعد، سعی می‌کنیم سطح ربات را تغییر دهیم، تا حساسیت کمتری به آنزیم‌ها داشته باشد. به علاوه، سعی می‌کنیم حالات دیگر فعالسازی، همچون میدان مغناطیسی، نیز برای این ریزرباتی از جنس DNA در نظر بگیریم.»

سایر مؤسسه‌هایی که به این پروژه کمک کرده‌اند، عبارت‌اند از: مؤسسه ژنومیک کارکردی، مؤسسه بیومولکولی مکس موسرون، مرکز پژوهشی پاول پاسکال و آزمایشگاه ماهیچه‌های قلبی از مرکز آزمایشات پزشکی و فیزیولوژی.

جدیدترین اخبار هوش مصنوعی ایران و جهان را با هوشیو دنبال کنید