میکروروبات‌های ترکیبی ریز که میکروب‌ها آنها را هدایت می‌کنند

در عالم یک سریال تلویزیونی به نام  دکتر هو، آنان که بیش از هر دشمن دیگری ترسناک هستند روبات‌های ترکیبی و ارگانیک هستند که به نام دالک شناخته می‌شوند.
 
هر دالک یک موجود زنده است که در یک پوسته روباتیک مجهز به سلاح‌های کشنده قرار دارد، که اغلب برای وحشت لندن، دیگر شهرها یا حتی کل زمین به کار می‌روند. اما اگر فکر می‌کنید که آنها ترسناک هستند، حالا نانو دالک‌هایی را تصور کنید که آن قدر کوچک باشند که دیده نشوند و سراسیمه و به سرعت با آهنگ «نابودی» در درون بدن شما به این سو و آن سو در حرکت باشند!
 
این کاملاً دور از ذهن نیست. دانشمندانِ روی زمین در اینجا و اکنون در حال توسعه چیزی هستند که به نحو قابل توجهی مشابه نانودالک‌هاست. اما ایده،  حمله و تسخیر نیست - بلکه برای درمان یا بهبودی است.
 
این عمل تهورآمیز، به جای دکتر هو، چیزی شبیه به نسخه زنده‌ واقعی فیلم سفر خارق العاده، که در سال 1966 توسط اسحاق آسیموف ساخته شد، را تصویر می‌کند. در آن داستان دانشمندان یک زیردریایی (با افراد داخل آن) را به اندازه یک میکروب کوچک و فشرده کردند و به انسان‌ها این امکان را دادند که به مغز یک دانشمند که دارای یک لخته خون تهدید کننده زندگی بود سفر کنند. در نسخه امروزی این داستان، دانشمندان، میکروب‌های زنده (که آن قدر کوچکند که نمی‌توان کار را با آنها شروع کرد، و نیز نیازی به کوچک شدن وجود ندارد) را با یک اسباب حمل بار اضافی ترکیب می کنند. این "میکروروبات‌های بیولوژیکی ترکیبی" می‌توانند داروهای مقابله با بیماری را تحویل دهند، به تومورها حمله کنند یا کارهای مفید دیگری را انجام دهند.
 
این طور نیست که پزشکان اعزام ارتش میکروروبات‌های هیبریدی به بدن هر بیماری را به زودی انجام دهند. محققان باید قبل از تبدیل شدن میکروروبات‌ها به یک روش عملی استاندارد، موانع فنی زیادی را مرتفع کنند. اما هیچ چشم اندازی صرفاً کاملاً فرضی و غیر واقعی نیست. در حال حاضر محققان چندین نسخه از میکروروبات‌های هیبریدی قادر به حرکت در دنیای سلولی را طراحی کرده و ساخته‌اند.
 
یونوس آلاپان و همکارانش در نشریه بررسی سالانه کنترل، روباتیک و سیستم‌های خودکار می‌نویسند: "در طول دهه گذشته، میکروارگانیسم‌ها و حامل‌های مصنوعی متنوعی یکپارچه شده‌اند برای ایجاد میکروروبات‌های بیوهیبریدی منحصر به فردی که می توانند در داخل بدن شنا کنند یا بخزند. "
 
آزمایشات در لوله‌های آزمایش، ظروف آزمایشگاهی یا حیوانات، به عنوان مثال نشان داده است که میکروروبات‌های بیوهیبریدی می‌توانند توسط میادین مغناطیسی، پالس‌های نوری یا خصوصیات شیمیایی محیط اطرافشان هدایت شوند به این منظور که داروها را به مناطق مورد نظر تحویل دهند. چنین هیبریدهای متحرکی همچنین می‌توانند برهم کنش‌های سلولی را دستکاری کرده و یا گرما ایجاد کنند تا دیگر اثرات مفید پزشکی را تحریک کنند.
 
تمام رویکردهای میکروروبات هیبریدی اشتراک دارد با ایده ترکیب یک میکروب متحرک - که می تواند بخزد یا شنا کند - با ساختاری که می‌تواند محموله‌هایی مانند دارو را حمل کند یا کارهای دیگری را انجام دهد. اما برخلاف دالک‌ها، که همه به نظر خیلی شبیه هم هستند‌، میکروب‌های هیبریدی را می‌توان از یک مجموعه متنوع از میکروارگانیسم‌های متحرک ایجاد کرد. در حال حاضر محققان چندین نسخه از میکروروبات‌های هیبریدی قادر به حرکت در دنیای سلولی را طراحی کرده و ساخته‌اند. محققان همچنین کتابخانه‌ای از حامل‌های مصنوعیِ ساخته شده از مواد مختلف، با اندازه و شکل‌های متنوع، را ایجاد کرده‌اند که می‌توانند با میکروارگانیسم‌ها ارتباط برقرار کنند بدون این که آنها را بکشند.
 
چنین تنوعی لازم است زیرا هیچ نوع میکروروباتی برای همه اهداف مناسب نیست.
 
آلاپان و همکارانش، از مؤسسه ماکس پلانک سیستم‌های هوشمند در اشتوتگارت آلمان، نوشتند: "هیچ دستور العمل واحدی برای ایجاد میکروروبات‌های بیوهیبریدی ایده آل وجود ندارد، زیرا کارایی و عملکرد مورد نیاز تا حد زیادی به کاربرد خاص بستگی دارند."
 
محققان، طرح‌ها و روش‌های ساخت مختلفی را برای اتصال میکروب‌ها به یک حامل بار بررسی کرده‌اند. در یک روش، بارهای الکتریکی طبیعی می‌توانند این دو را به صورت الکترواستاتیکی به یکدیگر متصل کنند. به عنوان مثال، باکتری Serratia marcescens دارای بار مثبت است که آن را قادر می‌سازد که به حامل ساخته شده از ذرات پلاستیکی منفی متصل شود.
 
در بعضی موارد، یک ساختار حمل بار منفرد، توسط چندین میکروب‌ به جلو رانده می‌شود. در مواردی دیگر، یک یا دو میکروب به تنهایی می‌توانند میکروکامیون حمل دارو را به حرکت وادارند. و در طرحی که شباهت بیشتری به دالک دارد، میکروب در درون ساختار حمل بار قرار می‌گیرد.
 
تمام این طرح‌ها از توانایی میکروارگانیسم‌هایی مانند باکتری یا جلبک برای شنا یا خزیدن در محیط های بیولوژیکی استفاده می‌کنند. این میکروب‌ها با استفاده از انرژی شیمیایی از محیط اطراف خود برای هدایت "موتورهای مولکولی"، خود را به حرکت در می‌آورند. برای مثال، باکتری‌ها به وسیله ماشین‌ آلاتی مولکولی که برآمدگی‌هایی پروانه مانند به نام تاژک را می‌چرخانند، به سمت مواد غذایی شنا می‌کنند. شکل متفاوتی از حرکت تاژکی، اسپرم را در تلاش خود برای بارور کردن تخم‌ها هدایت می‌کند. میکروارگانیسم‌های دیگر با استفاده از حرکت آمیبی جابجا می‌شوند، که توسط خم شدن اسکلت‌های سلولی آنها، که از پروتئین اکتین ساخته شده‌اند، هدایت می‌شود. همان طور که اسکلت آن خم می‌شود، بیرون زدگی‌های غشای سلول به سطوح اطراف می چسبد تا خودش را به جلو بکشاند.
 
میکروب‌های متحرک به دلایل مختلفی به عنوان پیشران روبات، ایده آل هستند. آنها می‌توانند به سرعت در بدن حرکت کنند، توانایی تعامل با سلول‌های بدن را داشته و به اندازه کافی کوچک هستند تا بتوانند از کوچکترین معابر بدن مانند مویرگ‌های موجود در سیستم گردش خون عبور کنند. یک مطالعه نشان داده است که یک میکروروباتِ قابل از شکل افتادنِ ساخته شده از E. coli متصل به گلبول‌های قرمز خون، که تخلیه و بارگیری شده است، می‌تواند از میان معابری کوچکتر از خودِ روبات فشرده شود.
 
آلپان و همکارانش می‌نویسند: "چنین مزایایی باعث می‌شود که میکروروبات‌های سلولی بیوهیبریدی کاندیداهای جذابی برای برنامه‌های پزشکی از جمله تحویل هدفمند داروها در نظر گرفته شوند."
 
از منظر زندگی روزمره، پیشرانه میکروروبات ممکن است کند به نظر برسد. سرعت شنای E. coli در آب تقریباً نصف مایل در سال است (و شاید در مایعات بیولوژیکی کمتر از این باشد). برخی از گلبول های سفید خون چیزی در حدود یک مایل در هر قرن خزش دارند. اما در المپیک میکروسکوپی خود، چنین سرعت‌هایی چشمگیر است. E. coli می تواند 15 برابر طول بدن خود در هر ثانیه بپیماید، که تقریباً معادل انسانی است که دوی 100 متر را در مدت زمان سه ثانیه انجام می‌دهد.
 
منبع: تام سیگفرید