أنف إلكتروني مصنوع من أسلاك نانوية ميكروبية من مصادر مستدامة يمكن أن يحدث ثورة في مراقبة الصحة

لتحقيق هذه الاختراقات التي تم تفصيلها في المجلة أجهزة الاستشعار الحيوية والكهربائية الحيوية، كبار المؤلفين ديريك لوفلي، أستاذ علم الأحياء الدقيقة المتميز في جامعة ماساتشوستس أمهيرست، وجون ياو، أستاذ الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في كلية الهندسة في جامعة ماساتشوستس أمهرست، لم يحتاجوا إلى النظر أبعد من أنوفهم. يقول ياو: 'يحتوي أنف الإنسان على مئات المستقبلات، كل منها حساس لجزيء واحد محدد'. 'إنها أكثر حساسية وكفاءة إلى حد كبير من أي جهاز ميكانيكي أو كيميائي يمكن هندسته. لقد تساءلنا كيف يمكننا الاستفادة من التصميم البيولوجي نفسه بدلاً من الاعتماد على مادة اصطناعية'.

بمعنى آخر، تساءل الفريق عما إذا كان بإمكانهم العمل مع الطبيعة لاكتشاف المرض، واتضح أنهم فعلوا ذلك بالضبط.

الجواب يبدأ ببكتيريا تعرف باسم يقلل الكبريتات الجيولوجية، والتي استخدمها لوفلي وياو سابقًا لإنشاء غشاء حيوي قادر على إنتاج كهرباء مستمرة طويلة المدى من عرقك. G. يقلل الكبريتيتمتع بقدرة طبيعية مدهشة على إنتاج أسلاك نانوية صغيرة موصلة للكهرباء.

لكن G. يقلل الكبريت هي بكتيريا دقيقة تحتاج إلى ظروف محددة لتنمو فيها، مما يجعل من الصعب استخدامها على نطاق واسع. يقول لوفلي: 'ما فعلناه هو أخذ جينة الأسلاك النانوية - التي تسمى بيلين - من G. يقلل الكبريت ولصقها في الحمض النووي الإشريكية القولونية، وهي من أكثر البكتيريا انتشارًا في العالم.'

بمجرد إزالة جين بيلين من G. يقلل الكبريتقام لوفلي وياو وفريقهم بتعديله بحيث يتضمن ببتيدًا محددًا، يُعرف باسم DLESFL، وهو حساس للغاية للأمونيا - وهي مادة كيميائية غالبًا ما توجد في أنفاس المصابين بأمراض الكلى. عندما قاموا بعد ذلك بتقسيم جين البيلين المعدل إلى الإشريكية القولونيةفي الحمض النووي، أنتجت البكتيريا المعدلة وراثيا أسلاكا نانوية صغيرة مليئة بالببتيد المستشعر للأمونيا. ثم قام الفريق بجمع هذه الأسلاك النانوية الحساسة للأمونيا ودمجها في جهاز استشعار.

يقول ياسر ليكباخ، المؤلف الرئيسي المشارك للورقة البحثية وباحث ما بعد الدكتوراه في علم الأحياء الدقيقة في جامعة ماساتشوستس أمهرست: 'إن التعديل الوراثي للأسلاك النانوية جعلها أكثر استجابة للأمونيا بمقدار 100 مرة مما كانت عليه في الأصل'. 'تعمل الأسلاك النانوية التي تنتجها الميكروبات كأجهزة استشعار بشكل أفضل بكثير من أجهزة الاستشعار الموصوفة سابقاً والمصنعة من السيليكون التقليدي أو الأسلاك النانوية المعدنية.'

وليست هناك حاجة لقصر أجهزة الاستشعار الجديدة هذه على الأمونيا وأمراض الكلى فقط. يقول توشيوكي يوكي، المؤلف المشارك الآخر في الدراسة وأستاذ الأبحاث في علم الأحياء الدقيقة في جامعة ماساتشوستس أمهيرست، إنه 'من الممكن تصميم ببتيدات فريدة، يرتبط كل منها على وجه التحديد بالجزيء محل الاهتمام. وبالتالي، كلما زاد عدد الجزيئات التتبعية المنبعثة من بعد تحديد الجسم البشري والتي تكون خاصة بمرض معين، يمكننا صنع أجهزة استشعار تتضمن مئات من الأسلاك النانوية المختلفة التي تستنشق المواد الكيميائية لمراقبة جميع أنواع الحالات الصحية.'

نموذج جديد للهندسة الكهربائية

يمكن أن تكون الأسلاك النانوية التقليدية، المصنوعة من السيليكون أو ألياف الكربون، شديدة السمية - فأنابيب الكربون النانوية هي في حد ذاتها مواد مسرطنة - وينتهي بها الأمر كنفايات إلكترونية غير قابلة للتحلل. يمكن أن تتطلب موادها الخام كميات هائلة من الطاقة والمدخلات الكيميائية للحصاد والمعالجة، فضلاً عن ترك تأثير بيئي عميق. لكن بما أن أسلاك لوفلي وياو النانوية مصنوعة من بكتيريا شائعة، فهي أكثر استدامة بكثير.

يقول ياو: 'أحد الأشياء الأكثر إثارة في هذا النوع من الأبحاث هو أننا نأخذ الهندسة الكهربائية في اتجاه جديد تمامًا. فبدلاً من الأسلاك المصنوعة من موارد خام نادرة لا تتحلل بيولوجيًا، جمال هذه الأسلاك البروتينية النانوية هو أنه يمكنك استخدام التصميم الجيني للحياة لبناء منصة مستقرة ومتعددة الاستخدامات ومنخفضة التأثير وفعالة من حيث التكلفة.'

تم دعم هذا البحث من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم ورعايته معهد علوم الحياة التطبيقية (IALS) في جامعة ماساتشوستس في أمهرست، والذي يجمع بين الخبرة العميقة والمتعددة التخصصات من 29 قسمًا لترجمة الأبحاث الأساسية إلى ابتكارات تعود بالنفع على صحة الإنسان ورفاهيته.