فناوری‌ای که گیاهان را متحول می‌کند/کنترل رایانه توسط افراد کم‌توان 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 هفت حوزۀ فناوری‌های پیشرفته را که به نقل از نیچر در آیندۀ نزدیک اهمیت فراوانی دارند، معرفی کنیم.

 درج قطعات بزرگ در توالی دی‌ان‌ای

در اواخر سال 2023، قانون‌گذاران ایالات متحده و بریتانیا برای نخستین بار درمان با اصلاح ژنتیکی مبتنی بر روش کریسپر (CRISPR) را تایید کردند. هرچند این روش در مراحل آغازین تنها برای «کم‌خونی سلول‌های داسی‌شکل» و «تالاسمی بتای نیازمند به انتقال خون» تأیید شد، اما همچنان یک پیروزی بزرگ برای پذیرش اصلاح ژنوم به عنوان یک ابزار درمان بالینی تلقی می‌شود.

کریسپر و روش‌های برگرفته از آن از یک آر‌ان‌ای (RNA) برنامه‌پذیر کوچک برای هدایت آنزیم برش‌دهندۀ دی‌ان‌ای (مثلاً کاس9 (Cas9)) به سمت مکان ژنومی خاص استفاده می‌کنند. معمولاً در آزمایشگاه از این روش‌ها برای غیرفعال کردن ژن‌های معیوب و ایجاد تغییرات کوچک در توالی ژنتیکی استفاده می‌شود. درج دقیق و قابل برنامه‌ریزی توالی‌های بزرگتر دی‌ان‌ای که هزاران نوکلئوتید را در بر می‌گیرد دشوار است، اما راه حل‌های نوظهور دانشمندان را قادر می‌سازند بخش‌های حیاتی ژن‌های معیوب را جایگزین کنند یا توالی‌های ژنی کاملاً کاربردی را در آن درج کنند.

لو کونگ (Le Cong) متخصص ژنتیک مولکولی در دانشگاه استنفورد در کالیفرنیا و همکارانش در حال بررسی روشی با استفاده از «بازریخت تک‌رشته‌ای پروتئین‌ها» (SSAPs) هستند: مولکول‌های برگرفته از ویروس‌هایی که میانجی بازترکیب دی‌ان‌ای هستند. وقتی این مولکول‌ها با سیستم کریسپر-کاس (CRISPR-Cas) که کارکرد برش دی‌ان‌ای کاس9 در آن غیرفعال شده، ادغام شود، پروتئین‌های بازریختی می‌توانند حداکثر 2 کیلوباز (kb) دی‌ان‌ای در ژنومک انسان درج کنند.

روش دیگری که بر کریسپر مبتنی است «اصلاح اولیه» نام دارد و برای درج توالی‌های کوتاه از «صفحه فرود» استفاده می‌کند. صفحۀ فرود به‌طور انتخابی آنزیم‌هایی را به کار می‌گیرد که می‌توانند قطعات بزرگ دی‌ان‌ای را به ژنوم متصل کنند. مثلاً در سال 2022، دو مهندس ژنتیک، عمر ابودعایه (Omar Abudayyeh) و جاناتان گوتنبرگ (Jonathan Gootenberg) از مؤسسۀ فناوری ماساچوست (ام‌آی‌تی) و همکارانشان برای اولین بار روش درج برنامه‌پذیر به کمک عناصر هدف‌گیری مکان‌محور یا پِییست (PASTE) را معرفی کردند. این روش می‌تواند تا 36 کیلوباز دی‌ان‌ای را با دقت بسیار بالا درج کند.

لو کونگ می‌گوید روش پیست می‌تواند به‌ویژه برای اصلاح سلول‌های کشت‌شده در خارج از بدن بیمار امیدوارکننده باشد، چنانچه با سرعت در مسیر مطالعات بالینی نیز قرار گرفته است. اما به نظر می‌رسد که روش بازریخت تک‌رشته‌ای پروتئین‌ها برای اصلاح سلول‌های انسانی درون بدن راه حل بهتری ارائه دهد: ابزار پیست بزرگ‌تر هستند و برای عملکرد درست نیاز به سه ناقل ویروسی مجزا دارند؛ این امر می‌تواند کارایی این شیوۀ اصلاح ژنتیکی را تا حدود زیادی کم کند. با این حال، حتی استراتژی‌های نسبتاً ناکارآمد برای جایگزینی ژن می‌توانند اثرات بسیاری از بیماری‌های ژنتیکی را تا حد زیادی کاهش دهند.

این روش‌ها تنها به سلامت انسان مربوط نمی‌شوند. تیمی از محققان به سرپرستی چایاژیا گائو (Caixia Gao) در آکادمی علوم چین در پکن، روشی به نام «ریشۀ اولیه» (PrimeRoot) توسعه دادند. روشی که از اصلاح اولیه برای معرفی مکان‌های هدف خاص استفاده می‌کند و آنزیم‌ها می‌توانند از آن برای وارد کردن حداکثر 20 کیلو باز دی‌ان‌ای در برنج و ذرت استفاده کنند.

گائو فکر می‌کند که این تکنیک می‌تواند به طور گسترده برای تقویت محصولات کشاورزی مقاوم در برابر بیماری و پاتوژن مفید باشد و موجی از نوآوری در مهندسی ژنوم گیاهی مبتنی بر کریسپر ایجاد کند. وی می‌گوید: «به باور من این فناوری می‌تواند در همۀ گونه‌های گیاهی به کار رود.»

رابط‌های میان مغز و رایانه

پت بنت (Pat Bennett) بسیار کندتر از حد معمول صحبت می‌کند و ممکن است گاهی اوقات از کلمات اشتباهی استفاده کند. اما با توجه به این که بیماری نورون حرکتی، یا اسکلروز جانبی آمیوتروفیک (amyotrophic lateral sclerosis)، قبلاً توان صحبت‌کردن را از او گرفته بود، همین قدر توان صحبت هم یک دستاورد قابل توجه محسوب می‌شود.

بهبودی بنت به لطف یک دستگاه بسیار پیشرفتۀ رابط مغز و رایانه است که توسط دانشمند علوم اعصاب دانشگاه استنفورد، فرانسیس ویلت (Francis Willett) و همکارانش ساخته شده است. ویلت و همکارانش الکترودهایی را در مغز بنت کاشته‌اند تا فعالیت‌های عصبی را ردیابی کنند و سپس الگوریتم‌های یادگیری عمیق را به گونه‌ای آموزش دادند تا آن سیگنال‌ها را به گفتار ترجمه کند. پس از چند هفته آموزش، بنت توانست 62 کلمه‌دردقیقه از مجموعه‌ای شامل 125,000 واژه بیان کند. این میزان بیش از دو برابر واژگان انگلیسی در زبان معمولی است. جنیفر کولینگر (Jennifer Collinger)، مهندس زیستی که فناوری‌های رابط مغز و رایانه را در دانشگاه پیتسبورگ در پنسیلوانیا توسعه می‌دهد، می‌گوید: «واقعاً بسیار چشمگیر است، سرعت برقراری ارتباط بسیار عالی است.»

آزمایش فرانسیس ویلت و همکارانش تنها یکی از چندین مطالعه در چند سال گذشته است که نشان می‌دهد چگونه فناوری‌های رابط مغز و رایانه می‌تواند به افراد مبتلا به آسیب عصبی شدید کمک کند تا مهارت‌های از دست رفته را بازیابی کنند و به استقلال بیشتری دست یابند. لی هوچبرگ (Leigh Hochberg)، متخصص مغز و اعصاب در دانشگاه براون در پراویدنس می‌گوید: «برخی از این پیشرفت‌ها از تجمیع مداوم دانش در مورد نوروآناتومی عملکردی در مغز افراد مبتلا به بیماری‌های عصبی مختلف ناشی می‌شود.» البته او اضافه می‌کند که «این دانش تا حد زیادی با روش‌های تحلیلی مبتنی بر یادگیری ماشینی تقویت شده است؛ یادگیری ماشینی نحوۀ قرار دادن الکترودها و رمزگشایی سیگنال‌های دریافتی را بهبود داده است.»

محققان همچنین از مدل‌های زبان مبتنی بر هوش مصنوعی برای تسریع ترجمۀ آنچه بیماران می‌خواهند بگویند استفاده می‌کنند؛ این کار عملاً «تکمیل خودکار» جمله برای مغز است. تکمیل خودکار یکی از اجزای اصلی مطالعۀ ویلت بود. همچنین تیم دیگری به سرپرستی جراح مغز و اعصاب ادوارد چانگ (Edward Chang) در دانشگاه کالیفرنیا نیز از همین روش استفاده کرده است. در آن مورد، به زنی که در نتیجه سکته مغزی قادر به صحبت کردن نبود، یک پروتز عصبی رابط مغز و رایانه متصل شد. این فناوری به او اجازه داد با سرعت 78 کلمه‌در‌دقیقه شروع به صحبت کند که تقریباً نصف سرعت متوسط در زبان انگلیسی است، اما بیش از پنج برابر سریعتر از فناوری‌های دیگری است که این زن پیشتر برای صحبت کردن استفاده می‌کرد.

پیشرفت‌ها در این حوزه در زمینه‌های دیگر نیز رخ داده است. در سال 2021، جنیفر کولینگر و مهندس زیست پزشکی رابرت گانت (Robert Gaunt) از دانشگاه پیتسبورگ، الکترودهایی را در قشر حرکتی و حسی فردی کاشتند که دست‌ها و پاهایش فلج شده بود. آنها می‌خواستند با این فناوری کنترل سریع و دقیقی بر روی یک بازوی رباتیک فراهم کنند که قادر به دریافت بازخورد لمسی نیز بود.

به علاوه، مطالعات بالینی مستقلی در هلند و همچنین آزمایش‌هایی در بروکلین نیویورک در حال انجام است که می‌کوشد سیستمی را توسعه دهد که به افراد فلج اجازه می‌دهد کنترل رایانه را به دست بگیرد. این نخستین نمونه از آزمایش‌ها در حوزۀ رابط‌های میان مغز و رایانه است که از سوی بخش صنعت حمایت دریافت می‌کند.

لی هوچبرگ به عنوان متخصص مراقبت‌های ویژه اشتیاقی زیادی دارد که این فناوری را به بیماران خود که شدیدترین ناتوانی‌ها را دارند ارائه دهد. اما با توسعۀ رابط‌های میان مغز و رایانه پتانسیل زیادی برای درمان نارسایی‌های شناختی معمول‌تر و همچنین بهبود وضعیت سلامت روان به چشم می‌خورد. هوچبرگ می‌گوید: «سامانه‌های مداربستۀ پودمان عصبی که با رابط‌های میان مغز و رایانه کار کند، می‌تواند کمک بزرگی برای بسیاری از مردم باشد.»