دانشمندان با مهندسی زیستی، یک سرعت‌سنج سلولی را طراحی می‎کنند

 تصویر آئروژینوزا سودوموناس.
اعتبار: © Kateryna_Kon / Adobe Stock
 

یک تیم تحقیقاتی پرینستون باکتری هایی را شناسایی کرده که می توانند سرعت جریان مایعات را تشخیص دهند.
 
بسیاری از انواع سلول ها می توانند جریان را حس کنند، همانطور که سلول های پوستمان می توانند تفاوت بین یک نسیم ملایم و یک باد قوی را احساس کنند. اما ما وابسته به احساس درگیری نیرو هستیم،پس زنی هوا در برابر ما. بدون این هل دهی، ما نمی توانیم سرعت را تشخیص دهیم؛ هنگامی که پنجره ها بسته شده اند، پوست ما نمی تواند هیچ اختلافی را در نیروی هوا احساس کند، چه در یک دفتر کار نشسته باشیم، یا یک ماشین  پر سرعت و یا یک هواپیمای مسافربری. اما اکنون تیمی از محققان پرینستون کشف کرده اند که برخی از باکتری ها می توانند سرعت جریان را بدون در نظر گرفتن نیرو تشخیص دهند. مقاله آنها در مجله اینترنتی Microbiology Nature به چاپ رسیده است.
 
زمر گیتای، استاد زیست شناسی ادوین گرانت کونکلین پرینستون و نویسنده ارشد این مقاله، گفت: "ما باکتری ها را به عنوان سرعت سنج طراحی مهندسی کرده ایم." "یک برنامه کاربردی وجود دارد: ما واقعا می توانیم از این باکتری ها به عنوان سنسورهای جریان استفاده کنیم. اگر بخواهید سرعت چیزی را در به صورت بلادرنگ بدانید، می توانیم به شما بگوییم."
 
باکتری با سرعت سنج داخلی، آئروژینوزا سودوموناس، پاتوژن همه جا حاضری است که در داخل و روی بدن ها، در جریان های آب، در خاک و در سراسر بیمارستان ها یافت می شود. مرکز کنترل و پیشگیری بیماری ها سودوموناس را به عنوان "تهدید جدی" طبقه بندی می کند و مسئولیت بیش از پنجاه هزار عفونت مرتبط با مراقبت های بهداشتی در سال را به عهده دارد، که از میان آنها 6700 تا مقاوم به آنتی بیوتیک و 440 تا مرگ آور هستند.
 
گیتای گفت: "در برخی از بیمارستان ها، جراحان به جای تمیز کاری سابیدنی، از مواد ضدعفونی کننده شیمیایی استفاده می کنند – اساساً از پورل - چون سودوموناس دوست دارد در لوله ها رشد کند". در حقیقت، سودوموناس تقریباً همیشه توسط سیال های جاری احاطه می شود، چه در یک جریان یا در هر سیستم بدن انسانی که درگیر جریان است – جریان خون، دستگاه ادراری، دستگاه گوارش، و حتی ریه ها - و یا در سیستم های لوله کشی یا تجهیزات پزشکی مانند کاتتر، که یکی از بردارهای اولیه برای عفونتهای پس از جراحی است.
 
گیتای گفت: "این اخبار قدیمی است." "چیزی که ما متوجه شدیم این است که سودوموناس نه تنها با جریان روبرو می شود، بلکه آنها در واقع می توانند آن جریان را حس کنند و به آن پاسخ دهند. این خیلی مهم است. اگر آنها در جریان باشند، بر اساس این حس که آنها در جریانند، اگر شما اراده کنید آنها می توانند رفتار خود را تغییر دهند."
 
یوسف سانفیلیپو، یک عضو پیوسته نحقیقاتی پسا دکترا در آزمایشگاه گیتای و الکساندر لرستانی، یکی از فارغ التحصیلان 2017، نویسندگان اصلی این مقاله هستند. با هم، آنها مشخص کردند که باکتری می تواند سرعت جریان مایعات نزدیک را تشخیص دهد و حتی آن را اندازه گیری کند تا مجموعه ای از ژن ها را فعال کند. آنها آن ژنها را "فرو" نامیدند که مخفف عبارت "اُپرون تنظیم شده با جریان" است.
 
سانفیلیپو گفت: "پاسخ فرو فقط در حد یک سوئیچ خاموش و روشن نیست؛ در واقع با سرعت تنظیم شده است." "این بیشتر شبیه یک سوئیچ دیمر است تا سوئیچ روشنایی."
 
آنها سپس ارتباطی بین فرو و یک ژن که سبب درخشندگی سودوموناس می شود را مهندسی زیستی کردند، به گونه ای که پاسخ ژنتیک فرو را می شد زیر یک میکروسکوپ دید، و از آنجا یک سرعت سنج بصریِ بلادرنگ خلق شد. هر چه جریان سریع تر باشد، درخشش روشن تر است.
 
با استفاده از این ابزار، سانفیلیپو قادر به تعیین طیف وسیعی از سرعت هایی است که سودوموناس به آن پاسخ می دهد با یک نتیجه شگفت آور: "آنها به طور کامل با طیف وسیعی از سرعت های مایعات که در جریان خون و دستگاه ادراری شناخته شده اند، هماهنگ می شوند." این را گیتای ابراز کرد.
 
محققان با توجه به مقیاس میکروسکوپی باکتریها و اتاقک های جریان اندازه تار مو که در آنها فرو را تست می کردند (50 میکرون بلند با عرض 500 میکرون)، سرعت را بر حسب واحد مایل بر ساعت (یا متر بر ثانیه) مرسوم اندازه گیری نکردند، بلکه در عوض "نرخ برشی" را اندازه گرفتند، که نرخی است که در آن لایه های مجاور سیال از روی یکدیگر عبور می کنند. این نرخ بر حسب واحد بدون فاصله "در ثانیه" اندازه گیری می شود.
 
آنها متوجه شدند که فرو به نرخ های برشی کمتر از 8 در ثانیه – که آهسته تر از اغلب سیالاتی است که در بدن انسان یافت می شود – پاسخ نمی دهد، اما پاسخ خود را برای نرخ های برشی بین 40 تا 400 در ثانیه تنظیم می کند، سپس در سطحی بالاتر از آن به طور ثابت قرار می گیرد . سرعت هایی که فرو به آنها پاسخ می دهد، سرعت هایی هستند که درست در لحظه کنونی از بدن شما عبور می کنند. برای مقایسه، میزان برش در ورید های متوسط ​​انسان حدود 100 در ثانیه است.
 
سانفیلیپو گفت: "سرعت هایی که فرو به آنها پاسخ می دهد، سرعت هایی هستند که درست در لحظه کنونی از بدن شما عبور می کنند."
جُوآنا انگل، رئیس بخش بیماری های عفونی و استاد میکروب شناسی و ایمونولوژی در دانشگاه کالیفرنیا - سان فرانسیسکو، که در این تحقیق دخیل نبود، گفت: "نویسندگان، تخصص خود را در مهندسی زیستی و فیزیک زیستی (برای ساختن این اتاقک های جریان عالی) با آخرین پیشرفت های زیست شناسی (متوالی کردن RNA) برای درک برخی از سؤالات اساسی در میکروب شناسی ترکیب می کنند."
 
منبع: دانشگاه پرینستون