این ربات های باکتریایی ممکن است یک روز در جریان خون شما شنا کنند

 

باکتری Escherichia coli ، که در اینجا نشان داده شده است ، خود را با ساختارهای مژه مانند بنام flagella حرکت می دهد. این یکی از میکروب های متحرک است که دانشمندان به سازه های حمل بار برای تشکیل میکروربوترهای بیوهیبرید پیوند داده اند.

 

در عالم  Doctor Who Who ، ترسناک ترین دشمنان، همه ی ربات های ترکیبی و ارگانیک هستند که به نام Daleks شناخته می شوند.

 

هر Daleks یک موجود زنده است که در یک پوسته رباتیک مجهز به سلاح های کشنده قرار دارد ، که اغلب برای وحشت لندن ، شهرها یا سیارات دیگر به کار می رود. اما اگر فکر می کنید ترسناک است ، اکنون nano Daleks را تصور کنید که خیلی کوچک باشد و هر یک از آنها شعار نابودی درون بدن شما شناور باشند

 

کاملاً دور از ذهن نیست. دانشمندان در حال توسعه چیزی شبیه به این هستند. اما ایده حمله و تسخیر نیست - بلکه برای درمان یا بهبودی است.

 

به جای  دکتر كی ، این شركت چیزی شبیه به نسخه واقعی زندگی Fantastic Voyage را پیش بینی می كند  ، فیلم 1966 كه توسط اسحاق آسیموف ساخته شده است. در آن داستان دانشمندان یک زیردریایی (با افراد درون آن) را به اندازه یک میکروب کوچک کردند و به انسان این امکان را دادند تا با یک لخته خون خطرناک به مغز یک دانشمند سفر کنند.

 

در نسخه امروز این داستان ، دانشمندان میکروبهای زنده (بسیار کوچک را برای شروع ، بدون نیاز به کوچک شدن) با دستگاه حمل بار اضافی ترکیب می کنند. این "میکروربوت های بیولوژیکی ترکیبی" می توانند داروهای مقابله با بیماری را تحویل دهند ، به تومورها حمله کنند یا عملکردهای مفید دیگری را انجام دهند.

 

محققان باید قبل از تبدیل شدن ریزگردها به روش عملی استاندارد ، موانع فنی زیادی را در این تکنولوژی حل کنند.در حال حاضر محققان چندین نسخه از میکروربوت هیبریدی را قادر به حرکت در دنیای سلولی طراحی و ساخته اند.

 

آزمایشات در لوله های آزمایش ، ظروف آزمایشگاهی یا حیوانات ، به عنوان مثال نشان داده است که ربات های بیوهیبرید توسط میادین مغناطیسی ، پالس های سبک یا خصوصیات شیمیایی محیط اطرافشان هدایت می شوند تا داروها را به نقاط مورد نظر تحویل دهند. 

 

تمام رویکردهای ربات هیبریدی مشترک در ساختن یک میکروب متحرک - که می تواند خزنده یا شنا کند - با ساختاری که می تواند محموله هایی مانند دارو را حمل کند یا کارهای دیگری انجام دهد ، مشترک است.

آلاپان و همكارانش ، از مؤسسه مك پلانك سیستمهای هوشمند در اشتوتگارت ، آلمان نوشتند: "هیچ دستور العمل واحدی برای ایجاد میكروبوت بیو هیبریدی ایده آل وجود ندارد ، زیرا كارایی و عملکرد مورد نیاز به برنامه خاصی وابسته است."

 

محققان طرح های مختلف و روش های ساخت را برای اتصال میکروب به حامل بار بررسی کرده اند. در یک روش ، بارهای الکتریکی طبیعی می توانند این دو را به صورت الکترواستاتیک به یکدیگر متصل کنند. به عنوان مثال ، باکتری  Serratia marcescens دارای بار مثبت می باشد و آن را قادر می سازد تا آن را به حامل ساخته شده از ذرات منفی پلاستیک متصل کند.

 

در بعضی موارد ، یک ساختار باربری دارو منفرد توسط میکروب های متعدد منتقل می شود. در موارد دیگر ، یک یا دو میکروب به تنهایی می توانند ریزنشت دارو را تحریک کنند. و در طراحی بیشتر دالک مانند ، میکروب درون ساختار حمل بار قرار می گیرد.

ریزگردهای بیوهیبرید میکروارگانیسم های متحرک را با ساختار حامل ترکیب می کنند تا داروها را تحویل دهند و یا سایر عملکردهای مفید بدن را انجام دهند. محققان در حال استفاده از چندین میکروب مختلف برای پیشران و انواع سازه های حمل بار هستند. موفقیت نیاز به یافتن روشهای مؤثر برای ادغام میکروب با حامل و روشهای مؤثر هدایت ربات هیبریدی ، مانند میدان مغناطیسی ، پالسهای سبک یا سیگنالهای شیمیایی در محیط ربات دارد.

 

تمام این طرح ها از توانایی میکروارگانیسم ها مانند باکتری یا جلبک برای شنا یا خزیدن در محیط های بیولوژیکی استفاده می کنند. این میکروب ها با استفاده از انرژی شیمیایی از محیط اطراف خود برای هدایت "موتورهای مولکولی" خود را به حرکت در می آورند. برای مثال باکتریها به وسیله تاژک می چرخند به سمت مواد غذایی شنا می کنند. شکل دیگری از حرکت فلاژلار اسپرم را در تلاش خود برای بارور کردن تخم ها سوق می دهد.

 

میکروارگانیسم های دیگر با استفاده از حرکت آمیبوئید ، که توسط خم شدن اسکلت های سلولی آنها ساخته شده است ، ساخته شده از پروتئین اکتین است. همانطور که اسکلت آن خم می شود ، بیرون زدگی از غشای سلول به سطوح اطراف می چسبد تا خودش را به جلو بکشاند.

 

آلپان و همكارانش می نویسند: "این مزایا باعث می شود كه میكروبوتهای سلولی بیوهیبرید كاندیداهای جذاب را برای برنامه های پزشکی از جمله داروهای هدفمند در نظر بگیرند.

 

از منظر زندگی روزمره ، ممکن است سرعت حرکت این میکروارگانیسم ها کند به نظر برسد. سرعت شنای E. coli از طریق آب تقریباً نیمی از مایل در سال است (و شاید در مایعات بیولوژیکی خیلی سریع نباشد). برخی از گلبول های سفید خون بیشتر از 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 ، معادل انسانی را که فاصله کمی 100 متر  را در مدت زمان کمی بیشتر از سه ثانیه طی می کند ، طی کند ، و باعث می شود Usain Bolt مانند یک لاک پشت باشد.سرعت تنها مسئله نیست. فرمان دقیق نیز ضروری است.

 

محققان در سالهای اخیر از پیشرفت سریع در تدوین استراتژی های فرماندهی مؤثر خبر داده اند. یک تحقیق در سال 2017 موفقیت در پوشش اسپیرولینا ، نوعی سیانوباکتری ها ، با نانوذرات مغناطیسی را نشان داد و سپس با استفاده از یک میدان مغناطیسی خارجی ، آن را از طریق معده موش هدایت کرد. تحقیقات دیگر نشان داده است که گلبولهای سفید پر شده از نانوذرات مغناطیسی می توانند جهت تحویل دارو استفاده شوند. یک مطالعه دیگر نشان داد که میکروب های مبتنی بر جلبک ها توسط پالس های نوری LED قابل هدایت هستند.

 

در برخی از طراحی های ربات ، فرمان بر توانایی خود میکروب در حس کردن شیمی محیط خود متکی است. آلپان و همكاران خاطر نشان می كنند: "جنبه جذاب كنترل شیمیایی در دسترس بودن طیف گسترده ای از سیگنالهای شیمیایی است كه بصورت محلی توسط سلولها یا بافتهای هدفمند منتشر می شوند."

 

در حالی که بسیاری از ویژگی های مطلوب را ارائه می دهد ، ریزگردها هیبریدی مشکلات بزرگی را ایجاد می کنند. ملاحظات پزشکی و مهندسی باید به گونه ای ادغام شود که ربات ها هم قابل اعتماد و هم ایمن باشند. سازه های حمل دارو باید از موادی ساخته شود که به عنوان مثال باعث حمله سیستم ایمنی بدن به آن ها نشوند. برای این موضوع ، حامل ها نیز نباید برای میکروب هایی که آنها را سوق می دهند سمی باشند. و به نوعی پس از اتمام کار خود ، باید با خیال راحت از بین بروند. (یک روش بارگذاری میکروربوت با سنسورهایی است که می توانند با استفاده از نور مادون قرمز برای تولید گرمای کافی برای تخریب ربات در دستور کار قرار گیرند.)

 

علاوه بر این ، بعید است که هر گونه مداخله پزشکی با موفقیت با یک میکروربوت هیبریدی انجام شود. بنابراین باید تکنیک هایی برای کنترل و هماهنگی حرکت و عملکرد کل چرخ های ربات ها طراحی شود.

 

آلاپان و همکارانش می نویسند: "استفاده از میكروبوتهای بیوهیبرید در پزشکی هنوز چالش های بسیاری را به همراه دارد. طراحی تحقیق برای برطرف کردن این چالش ها در "همکاری نزدیک با محققان پزشکی ... تولید میکروربوترهای بیوهیبرید را برای مصارف پزشکی به طور قابل توجهی تقویت و تسریع می کند."