کشف های جدید فناوری نانو با کمک دانشمند ایرانی

در مقاله‌ای که در 17 ژانویه در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم منتشر شد، محققان روشی را نشان دادند که به آنها اجازه می‌دهد تا رشد شبکه‌های پلیمری زیستی را دقیقاً کنترل کنند، مانند شبکه‌هایی که بخشی از اسکلت سلولی را تشکیل می‌دهند. آنها توانستند این شبکه ها را بر روی یک ریزتراشه بسازند و نوعی مدار را تشکیل دهند که بدون نیروی الکتریکی و  فقط با سیگنال های شیمیایی  کار می کند.

در داخل سلول ها، پروتئین های توبولین میله های بلند و فوق العاده نازکی به نام میکروتوبول تشکیل می دهند. شبکه‌هایی از میکروتوبول‌ها مانند ریشه‌های درخت رشد می‌کنند و به سیستم‌های انشعابی تبدیل می‌شوند که یک عنصر اولیه از اسکلت سلولی را تشکیل می‌دهند که به سلول‌ها شکل می‌دهد و آنها را قادر به تقسیم می‌کند.

داربست میکرولوله ای علاوه بر کمک به حفظ شکل سلول، مانند یک راه آهن مولکولی نیز عمل می کند. پروتئین های موتور ویا همان حرکتی به طور تخصصی بارهای مولکولی را در امتداد رشته های میکروتوبول حمل می کنند. تغییرات جزئی در آرایش مولکولی میکروتوبول ها مانند تابلوهای راهنما برای تنظیم مسیر حامل های شیمیایی عمل می کند و محموله های مولکولی را به مقصد می فرستد.

میثم زعفرانی، یکی از محققین اصلی و پزشک گیلبرت اس. اومن، گفت: سیستم‌های بیولوژیکی که ما از آنها الهام گرفتیم آکسون‌ها بودند. آکسون‌ها برآمدگی‌های بلندی هستند که از یک نورون خارج می‌شوند و امکان انتقال مولکولی هدایت‌شده را فراهم می‌کنند.

هانطور که در سیستم عصبی، شبکه‌های میکروتوبولی هم به عنوان ساختارهایی که سلول‌های عصبی را به هم متصل می‌کنند و هم به عنوان وسیله‌ای برای سیستم عصبی برای انتقال سیگنال‌های شیمیایی که ایجاد حس می‌کنند، کار می‌کنند. پروفسور زعفرانی گفت که دانشمندان هنوز در حال کار برای درک عناصر رشد میکروتوبول و خواص شیمیایی هستند. وی همچنین افزود که تیم تحقیقاتی خواستار آن بودند که آیا می‌توانند از شبکه‌ها برای کاربردهای عملی استفاده کنند یا خیر.

او گفت: مهندسان و فیزیکدانان شروع به مطالعه میکروتوبول ها به عنوان اجزای سازنده مواد و فناوری های جدید کرده اند و اسرار زیادی در مورد خواص بنیادی آنها وجود دارد، اما ما به اندازه کافی دانش شروع مهندسی این نوع سیستم ها را داریم.

زعفرانی به همراه محقق رایانینگ سانگ  روی ایجاد سیستمی برای کنترل رشد میکروتوبول ها در آزمایشگاه های ایزوله در موسسه مواد پرینستون کار کرد. محققان با استفاده از تجهیزات تخصصی در نانوساخت و میکروسیال، رشد شاخه های میکروتوبول را دقیقاً کنترل کردند همچنین آنها قادر به تنظیم زاویه و جهت رشد بودند و قادر به ایجاد ریزساختارهایی بودند که در آن جهت رشد میکروتوبول ها تنظیم می شد. زعفرانی گفت که مؤسسه مواد ترکیبی منحصر به فرد از تجهیزات و تخصص ارائه کرده است که یافتن آن در هر جای دیگری دشوار است.

محققان قصد دارند با هدایت محموله های شیمیایی در امتداد شاخه های میکروتوبول دریابند که هدف ایجاد یک سیستم حمل و نقل شیمیایی قابل کنترل است. آن‌ها همچنین در ادامه تحقیقات در حال بررسی استفاده از شبکه‌های میکروتوبولی به عنوان ابزاری مانند ریز موچین‌ها هستند که بر روی اجسام بسیار ریز نیروی فیزیکی اعمال می‌کنند.

گروه تحقیقاتی پتری برای مدت طولانی با استون، دونالد آر. دیکسون  و الیزابت دبلیو. دیکسون، استاد مهندسی مکانیک و هوافضا، درگرایش زیست شناسی و دینامیک سیالات همکاری داشته است. در سال 2021، آنها از صندوق فناوری تحول آفرین اریک و وندی اشمیت پرینستون کمک مالی دریافت کردند. آنها سانگ، مهندس مکانیک را استخدام کردند که در موضوع پایانامه خود بر میکروسیالات متمرکز شده بود. و زعفرانی، بیوفیزیکدانی که نشانه هایی را که به سلول های اسپرم پستانداران کمک می کند تا به سمت تخمک حرکت کنند، مطالعه کرده بود.

استون، که اغلب با همکارانش در مهندسی و علوم طبیعی همکاری می کند، گفت که اختلاط تخصص از رشته های مختلف اغلب به نتایج قابل توجهی منجر می شود.

او گفت: «پیدا کردن مسائلی که مربوط به مکانیک سیالات در زمینه‌های دیگر است، بسیار جالب است. “اغلب موضوعی را پیدا می‌کنم که برای دانشمندان طرف مقابل درک ضعیفی داشته باشد و توسط خودم نیز درک ضعیفی داشته باشد، و با هم برای کشف آن کار می‌کنیم.”

Meisam Zaferani, Ryungeun Song, Sabine Petry, Howard A. Stone. Building on-chip cytoskeletal circuits via branched microtubule networks. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2024; 121 (4) DOI: 10.1073/pnas.2315992121

Materials provided by Princeton University, Engineering School. Note: Content may be edited for style and length