گردآوری نقشه سلولی در یک اطلس/ چاپ سه‌بعدی مواد نانو ممکن می‌شود

به گزارش خبرنگار خبرگزاری علم و فناوری آنا، همواره استفاده از فناوری در عرصه های مختلف دچار تغییر تحولاتی می شود. مهندسی پروتئین، چاپ سه بعدی، تشخیص جعل عمیق در رسانه‌ها و ... جزء زمینه هایی هستند که از فناوری بهره‌مند می‌شوند.

در این گزارش سعی داریم آخرین بخش از حوزۀ فناوری‌های پیشرفته را که به نقل از نیچر در آیندۀ نزدیک اهمیت فراوانی دارند، معرفی کنیم.از وضوح تصاویر میکروسکپی گرفته تا اطلس سلولی و چاپ سه‌بعدی در اندازه‌های نانو بخش های جدیدی هستند که بنا داریم در قسمت سوم از این گزارش سه قسمتی را ارائه کنیم.

 ویژگی مشترک همۀ این فناوری‌ها هوش مصنوعی و یادگیری عمیق است، اما بر خلاف ربات‌های گفتگوی هوش مصنوعی، این فناوری‌ها چندان پر سروصدا نبوده‌اند. این هم دلیل دیگری است که در سال جاری توجه بیشتری به این فناوری‌ها داشته باشیم.

وضوح تصویر فوق‌العاده

استفان هل (Stefan Hell)، اریک بتزیگ (Eric Betzig) و ویلیام مورنر (William Moerner) به دلیل شکستن «حد پراش» (diffraction limit) جایزه نوبل شیمی سال 2014 را دریافت کردند. «حد پراش» محدودۀ قدرت تفکیک فضایی در میکروسکوپ‌های نوری است. در نتیجۀ دسترسی به این سطح از جزئیات – نزدیک به ده‌ها نانومتر – طیف وسیعی از آزمایش‌های تصویربرداری در مقیاس مولکولی آغاز شد. با این حال، برخی از محققان علاقمند بودند که کیفیت عکس‌برداری‌های خود را بهبود دهند؛ خواسته‌ای که به سرعت در حال نزدیک‌شدن به حقیقت است.

رالف یونگمن (Ralf Jungmann)، محقق حوزۀ نانوتکنولوژی در موسسه بیوشیمی ماکس پلانک (Max Planck Institute of Biochemistry) در پلانِگ آلمان، با اشاره به یکی از این روش‌ها می‌گوید: «ما واقعاً در تلاش هستیم که فاصله بین تصویر حاصل از میکروسکوپ با فنون زیست‌شناسی ساختاری مانند ریزبینی الکترونی-برودتی (cryo-electron microscopy) را از میان برداریم.» منظور او روش‌هایی است که  برای بازسازی ساختار پروتئین در وضوح با مقیاس اتمی استفاده می‌شود.

تیمی از محققان به رهبری هل و تیمش در موسسه ماکس پلانک برای علوم چندرشته‌ای (Max Planck Institute for Multidisciplinary Sciences) در گوتینگن در اواخر سال 2022 با روشی به نام مینستد (MINSTED) کار خود در این حوزه را آغاز کردند. در روش مینستد می‌توان با کمک میکروسکوپ‌های نوری خاص، پرتوهای فلورسنت را با دقت 2.3 انگستروم (تقریباً یک‌چهارم نانومتر) دریافت کند.

وضوح روش‌های جدیدتر اجازه می‌دهند که با میکروسکوپ‌های معمولی به وضوح تصویر بسیار بالا دست پیدا کنیم. به عنوان مثال، یونگمن و تیمش، در سال 2023 راهبردی را توصیف کردند که در آن مولکول‌های منفرد با رشته‌های دی‌ان‌ای مجزا برچسب‌گذاری می‌شوند. سپس این مولکول‌ها با رشته‌های دی‌ان‌ای تکمیلی، که با رنگ‌های مختلف برچسب‌گذاری شده‌اند، شناسایی می‌شوند و به طور موقت اما مکرر به اهداف مربوطه خود متصل می‌شوند و تشخیص نقاط «چشمک‌زن» فلورسنت را، که در صورت تصویربرداری همزمان به یک لکه تبدیل می‌شوند، ممکن می‌سازد. افزایش وضوح با رویکرد تصویربرداری متوالی (RESI) می‌تواند جفت‌های منفرد اصلی را بر روی یک رشته دی‌ان‌ای دریافت کند و با یک میکروسکوپ فلورسانس استاندارد وضوحی در مقیاس انگستروم به دست آورد.

روش ریزبینی گسترش تک‌مرحله‌ای بی‌مقیاس(One-step Nanoscale Expansion: ONE)  که توسط تیمی به رهبری دو عصب‌شناس، علی شئیب (Ali Shaib) و سیلویو ریزولی (Silvio Rizzoli) در مرکز پزشکی دانشگاه گوتینگن آلمان توسعه یافته است، به این سطح از وضوح دست پیدا نمی‌کند. با این حال، میکروسکوپ تک‌مرحله‌ای آنها فرصتی بی‌سابقه برای تصویربرداری مستقیم از جزئیات ساختاری دقیق پروتئین‌ها و کمپلکس‌های چند پروتئینی، هم در به طور جداگانه و هم درن سلول‌ها، ارائه می‌کند.

روش ریزبینی گسترش تک‌مرحله‌ای بی‌مقیاس یک رویکرد مبتنی بر گسترش ریزبینی است و شامل اتصال شیمیایی پروتئین‌های موجود در نمونه به یک ماتریس هیدروژل، شکستن پروتئین‌ها و سپس اجازه دادن به هیدروژل به گسترش 1000 برابری حجم خود است. هر بخش به طور یکنواخت در همه جهات منبسط می‌شود و بدین ترتیب ساختار پروتئین حفظ می‌شود و کاربر می‌تواند این ویژگی‌ها را که چند نانومتر از هم فاصله دارند با یک میکروسکوپ کانفوکال معمولی تشخیص دهد. ریزولی با اشاره به شکل خاص پروتئین‌ها می‌گوید: «ما پادتن‌ها را گرفتیم، آن‌ها را در ژل گذاشتیم، پس از انبساط برچسب‌گذاری کردیم و فهمیدیم که شکلشان شبیه به Y است.»

ریزولی می‌گوید که ریزبینی گسترش تک‌مرحله‌ای بی‌مقیاس می‌تواند یافته‌های مهمی در مورد مولکول‌های زیستی پویا ارائه دهد یا از نمونۀ خون به تشخیص بصری اختلالات پروتئینی مانند بیماری پارکینسون کمک کند. به همین ترتیب، یونگمن نیز در مورد قابلیت‌های بالقوۀ رویکرد تصویربرداری متوالی برای ثبت سازماندهی مجدد پروتئین‌ها در بیماری یا در پاسخ به درمان‌های دارویی بسیار خوشبین است. حتی ممکن است امکان بزرگنمایی بیشتر باشد. یونگمن می‌گوید: «درست است که این به معنای عبور از همۀ محدودیت‌های وضوح تصویر فضایی نباشد، اما نشانه‌ای است که از اینکه وضوح تصاویر بهتر خواهد شد.»

اطلس سلولی

اگر به دنبال یک کافۀ راحت هستید، می‌توانید از نقشۀ گوگل گزینه‌های نزدیک را پیدا کنید و مسیر رسیدن به آنجا را ببینید. اما برای راه‌یابی در مسیرهای بسیار پیچیده‌تر بدن انسان هیچ ابزار مشابهی وجود ندارد. با این حال، پیشرفت‌های مداوم در حوزۀ بدیع اطلس سلولی می‌تواند در آیندۀ نزدیک نقشه‌های سلولی گسترده‌ای در اختیار ما بگذارد.

بزرگترین و شاید بلندپروازانه‌ترین پروژۀ نقشه‌برداری از بدن، اطلس سلول انسانی (HCA) است. سارا تیچمن (Sarah Teichmann) زیست‌شناس سلولی در مؤسسه ولکام سانگر در هینکستون بریتانیا و آویو رجف (Aviv Regev)، که اکنون رئیس تحقیق و توسعۀ شرکت بیوتکنولوژی ژن‌تک (Genentech) در جنوب سانفرانسیسکوی کالیفرنیا است، این پروژه را در سال 2016 راه‌اندازی کردند. این پروژه حدود 3000 دانشمند را در نزدیک به 100 کشور به خدمت گرفته است که بر روی بافت‌های سلولی 10,000 اهداکننده کار می‌کنند.

البته اطلس سلول انسانی همچنین بخشی از یک اکوسیستم گسترده‌تر برای نقشه‌برداری سلولی و مولکولی است. اینها اکوسیستم شامل برنامه اطلس زیست مولکولی انسان (HuBMAP) و تحقیقات مغز از طریق پیشبرد فناوری‌های عصبی نوآورانه (BRAIN) و پروژۀ شبکۀ سرشماری سلولی (BICCN) است که توسط مؤسسه ملی بهداشت ایالات متحده تأمین مالی می‌شوند. همچنین پروژۀ اطلس سلول مغز آلن (Allen Brain Cell Atlas)، با بودجه موسسه آلن در سیاتل واشنگتن نیز بخشی از این اقدامات محسوب می‌شود.

به گفته مایکل اسنایدر (Michael Snyder)، متخصص ژنومی در دانشگاه استنفورد و رئیس سابق کمیته راهبری برنامه اطلس زیست مولکولی انسان، «این تلاش‌ها تا حدی به دلیل توسعه و تجاری‌سازی سریع ابزارهای تحلیلی است و می‌تواند محتویات مولکولی را در سطح تک سلولی رمزگشایی کند.» مثلاً، تیم اسنایدر به طور معمول از پلت فرم زنیوم (Xenium) در ژنومیکس نسل 10 (10X Genomics) مستقر در پلیزانتون (Pleasanton) کالیفرنیا برای تجزیه و تحلیل خود استفاده می‌کند. این پلت‌فرم در هر هفته امکان بررسی حدود 400 ژن را به طور همزمان در 4 نمونه بافت فراهم می‌کند.

روش‌های مبتنی بر پادتن‌های چندگانه مانند پلتفرم فنوسایکل (PhenoCycler) که توسط موسسۀ آکویا بیوساینس (Akoya Biosciences) در مارلبوروی ماساچوست پیشنهاد شده نیز به این تیم اجازه می‌دهد تا تعداد زیادی پروتئین را با وضوح تک سلولی در قالبی که بازسازی بافت سه‌بعدی را امکان‌پذیر می‌کند، ردیابی کنند. سایر روش‌های «مولتیومیک» (multiomics) به دانشمندان اجازه می‌دهند چندین طبقۀ مولکولی را در یک سلول به طور همزمان شناسایی کنند، مثلاً بیان آر‌ان‌ای، ساختار کروماتین و توزیع پروتئین.

در سال گذشته ده‌ها مطالعه در این زمینه انجام شد که این امر نشان دهندۀ پیشرفت در تولید اطلس‌های خاص اندام با استفاده از این تکنیک‌ها بود. برای مثال، در ماه ژوئن، اطلس سلول انسانی یک تجزیه و تحلیل یکپارچه از 49 مجموعه داده از ریه انسان را منتشر کرد. تیچمن می‌گوید: «داشتن یک نقشۀ بسیار واضح از ریه، تغییراتی را که در بیماری‌هایی مانند فیبروز ریه یا تومورهای مختلف و حتی برای بیماری کرونا رخ می‌دهد را تحت تاثیر قرار می‌دهد.

با این همه کارهای زیادی برای انجام باقی مانده است. تیچمن تخمین می‌زند که حداقل پنج سال برای تکمیل اطلس سلول انسانی زمان نیاز است. اما نقشه‌های به‌دست‌آمده تا کنون نیز بسیار ارزشمند خواهند بود. به عنوان مثال، تیچمن پیش‌بینی می‌کند که از داده‌های اطلس برای هدایت و هدف‌گیری دارو به بافت‌ و سلول‌های خاص استفاده شود.

مواد نانو با چاپ سه‌بعدی

در آیندۀ نزدیک ممکن است در مقیاس نانو اتفاقات عجیب و جالبی رخ دهد. این امر می‌تواند پیش‌بینی‌ها در علم مواد را دشوار کند. البته معنای دیگر آن این است که مهندسان نانو می‌توانند مواد سبک وزن با ویژگی‌های متمایز مانند افزایش استحکام، تعاملات متناسب با نور یا صدا، و ظرفیت افزایش یافته برای کاتالیز یا ذخیرۀ انرژی تولید کنند.

استراتژی‌های زیادی برای تولید دقیق این مواد نانو وجود دارد، اما در بیشتر آنها از لیزر برای القای «فتوپلیمریزاسیون» (photopolymerization) در الگوی مواد حساس به نور استفاده می‌شود. در سال‌های اخیر، دانشمندان پیشرفت قابل توجهی در غلبه بر محدودیت‌های این روش داشته‌اند.

یکی از این محدودیت‌ها سرعت است. سوراب ساها (Sourabh Saha) مهندس موسسه فناوری جورجیا در آتلانتا، می‌گوید که مونتاژ نانوساختارها با استفاده از پلیمریزاسیون نوری تقریباً سه برابر سریع‌تر از سایر روش‌های چاپ سه بعدی در مقیاس نانو است. این ممکن است برای استفاده در آزمایشگاه کافی باشد، اما برای تولید در مقیاس بزرگ یا فرآیندهای صنعتی بسیار کند است.

در سال 2019، ساها و شی‌چی شن (Shih-Chi Chen) مهندس مکانیک از دانشگاه چینی هنگ‌کنگ و همکارانشان نشان دادند که می‌توان با استفاده از ورقۀ نوری 2 بعدی و الگودار به جای لیزر پالسی معمولی پلیمریزاسیون را تسریع کرد. ساها می‌گوید: «این کار سرعت ما را هزار برابر افزایش می‌دهد و همچنان ویژگی‌های 100 نانومتری نیز حفظ می‌شود.» کار بعدی محققان این است که راه‌های دیگری برای ساخت سریع‌تر مواد نانو شناسایی کنند.

چالش دیگر این است که همۀ مواد (مثلاً فلزات) را نمی‌توان مستقیماً از طریق پلیمریزاسیون نوری به شکل سه‌بعدی چاپ کرد. اما جولیا گریر (Julia Greer)، دانشمند مواد در موسسه فناوری کالیفرنیا در پاسادنا، راه‌حلی هوشمندانه یافته است. در سال 2022، او و همکارانش روشی را توصیف کردند که در آن هیدروژل‌های فوتوپلیمریزه شده به عنوان یک الگو در مقیاس کوچک عمل می‌کرد. سپس نمک‌های فلزی به آنها تزریق می‌شود تا فلز ساختار قالب را به خود بگیرد و در عین حال منقبض شود. اگرچه این فن در ابتدا برای ساختارهای ریزمقیاس توسعه داده شد، تیم گریر از این استراتژی برای ساخت در مقیاس نانو نیز استفاده کرده است و محققان امیدوارند بتوانند از این راهبرد برای ساخت نانوساختارهای کاربردی از فلزات ناهموار و با نقطه ذوب بالا و آلیاژها استفاده کنند.

آخرین مانع مسئلۀ اقتصاد است که دشوارترین مانع نیز هست. به گفتۀ ساها، سیستم‌های مبتنی بر لیزر پالسی که در بسیاری از روش‌های فوتوپلیمریزاسیون استفاده می‌شوند، بیش از 500,000 دلار آمریکا قیمت دارند. اما جایگزین‌های ارزان‌تری نیز در افق به چشم می‌خورند. به عنوان مثال، فیزیکدان مارتین وگنر (Martin Wegener) و همکارانش در مؤسسه فناوری کارلسروهه در آلمان، لیزرهای پیوسته‌ای را بررسی کرده‌اند که ارزان‌تر و کوچک‌تر از لیزرهای پالسی استاندارد مصرف انرژی کمتری نیز دارند. برای همین گریر یک شرکت نوپا برای تجاری‌سازی این فرایند معماری نانو راه‌اندازی کرده است. هدف او این است که از این روش برای تولید ورقه‌های فلزی مناسب برای نسل بعدی از زره‌های پوشیدنی یا بدنۀ بسیار مقاوم هواپیما یا دیگر وسایل نقلیه استفاده کند.