دع الفيروسات تعمل من أجلك

في مختبرات معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، تنمو الفيروسات وتغلف نفسها بمواد مختارة ثم تنظم نفسها لتكوين أجهزة مثل البلورات السائلة والأسلاك النانوية والأقطاب الكهربائية. تترأس فريق البحث أنجيلا إم بيلشر، الحائزة على جائزة أفضل عالمة في مجلة Scientific American لهذا العام

فيليب روس، مجلة ساينتفيك أمريكان

تم نشر المقال في عدد فبراير-مارس 2007
لسنوات عديدة، أراد الباحثون في علم المواد أن يعرفوا كيف يبني الرخويات البحرية المسمى "أذن البحر" صدفته المذهلة والقوية من معادن بسيطة، حتى يتمكنوا من تقليدها وإنشاء مواد مماثلة بأنفسهم. سألت Angela M. Belcher سؤالاً آخر: لماذا لا نجبر قنفذ البحر على إنتاج المواد لنا؟
فأدخلت صفيحة رقيقة من الزجاج بين الرخويات وقشرتها، ثم أزالتها. وتقول: "لقد حصلنا على لؤلؤة مسطحة، يمكننا من خلالها دراسة تكوين الصدفة كل ساعة، دون الحاجة إلى قتل الحيوان". اتضح أن أذن البحر ينتج بروتينات تتسبب في تنظيم الأيونات التي يتكون منها معدن كربونات الكالسيوم في شكلين بلوريين، يتناسبان معًا بشكل مثالي - شكل قوي، وشكل آخر تنمو فيه البلورات بسرعة. عملها أكسبها درجة الدكتوراه من جامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا في عام 1997 ومهدت الطريق لوظائف استشارية في صناعة اللؤلؤ، وأستاذة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) ومنصب مؤسس شركة ناشئة. تسمى كامبريوس في مدينة ماونتن فيو، كاليفورنيا.
كان هدف بيلشر هو تطوير "العاملين" البيولوجيين الذين يمكنهم نقل الجزيئات من مكان إلى آخر، مثل الطوب الذي يمكن استخدامه لبناء الهياكل من الألف إلى الياء، وهو النهج المعروف في عالم تكنولوجيا النانو باسم التنظيم الذاتي. ولكن قبل كل شيء، كان عليها أن تجد مخلوقًا أكثر طاعة من أذن البحر، والذي يتطلب الكثير من الاهتمام، وينمو ببطء وإلى حد ما يكون خبيرًا في شيء واحد فقط. كان بلشر يبحث عن شيء صغير ورشيق ومرن - وهو تقاطع بين الجان من جزيئات ماكسويل الصغيرة الشهيرة وجان سانتا كلوز الذكية.
جربت بيلشر حظها مع الأجسام المضادة وحيدة النسيلة بسبب إمكانية هندستها لتلتصق بأشياء مختلفة، لكنها وجدت صعوبة في العمل معها. ثم، في منتصف التسعينيات، سمعت عن العاثي M90، وهو فيروس طويل ورقيق يصيب البكتيريا ولكنه غير ضار للإنسان. الفيروس، الذي يبلغ عرضه حوالي 13 نانومتر وطوله ميكرون واحد (6 نانومتر)، يحيط بحمضه النووي المفرد بطبقة بروتينية. يشتمل الغلاف على حوالي 1,000 نسخة من بروتين معين لتبطين الجسم الخيطي، وبضع نسخ منفردة من عدة أنواع أخرى من البروتين لتغطية الأطراف. من الممكن هندسة البروتينات المختلفة وإنشاء فيروسات مختلفة في مليار مجموعة ممكنة، ولكل منها خصائص فريدة من نوعها في الجذب الكيميائي. يمكن للفيروس أن يلتصق بمادة معينة من الجوانب، وبمادة أخرى من جهة، وبمادة ثالثة من الجهة المقابلة.
لقد استغل علماء الأحياء هذه الانتقائية الكيميائية لفترة طويلة. ويستخدمون فيروسات M13 المرتبطة بمواد عضوية معينة لتحديد العينات غير المعروفة. كان بيلشر أول من أوضح كيف يمكن للفيروس أيضًا وضع علامة على المواد غير العضوية، مثل المعادن وأشباه الموصلات التي تشكل أساس العديد من المنتجات المفيدة، والتأثير عليها. كان هذا مثالًا نادرًا حيث استعارت العلوم الفيزيائية طريقة من العلوم البيولوجية: نظرًا لأن علماء الأحياء قد قاموا بالفعل بالعمل القذر، كان بإمكان بيلشر ببساطة الخروج وشراء مجموعة واسعة جدًا ومتنوعة من الفيروسات، والتي أطلق عليها علماء الأحياء مكتبة عرض العاثيات ، بسعر حوالي 300 دولار.
للحصول على فيروس يرتبط بالجزيء المناسب، يستخدم بيلشر عملية تسمى التطور الموجه. وتقول: "نرمي جميع نسخنا المليارية في أنبوب اختبار، مع بعض المادة، ونغسلها ونرى ما الذي يلتصق بالمادة". "ثم نقوم بإزالة الفيروسات المصابة عن طريق تغيير قدرتها على التفاعل مع السطح، على سبيل المثال عن طريق رفع مستوى الحموضة، ثم نجمع الفيروسات ونضاعفها في بكتيريا مضيفة."

بطلات الفيروس

يوفر التكاثر في البكتيريا تريليونات النسخ من مجموعة فرعية واعدة من الفيروسات التي تمر بمرحلة أخرى من التطور. هذه المرة تم تغيير شروط المحلول لتجعل من الصعب قليلاً على الفيروسات أن تلتصق بالمادة المستهدفة. ومرة أخرى، اغسل الإصدارات الأقل لزوجة واضرب الباقي. وتتكرر هذه الدورة مرارا وتكرارا، في ظل ظروف متزايدة الصعوبة. وفي نهاية العملية، التي قد تستمر ثلاثة أسابيع، تبقى نسخة واحدة فقط من العاثيات، وهي النسخة التي تصيب بشكل أكثر انتقائية.
ضع فيروسًا ذو جاذبية فريدة للذهب في محلول يحتوي على أيونات الذهب، وسوف يغطي نفسه وينتج سلكًا بطول ميكرون واحد مناسب لتوصيل المكونات المتجاورة في دائرة كهربائية صغيرة. يمكن لفيروس مختلف قليلاً أن يربط نفسه بفيروسات أخرى مثله ويشكل سلكًا ذهبيًا يبلغ طوله عدة سنتيمترات. يمكن نسج الخيوط في خيوط ونسجها في نسيج الثوب. مثل هذا السلك، إذا كان مرتبطًا بمستقبلات حساسة كيميائيًا، قد يكون بمثابة كاشف للمواد السامة أو العوامل البيولوجية المهددة.
قبل عام أو عامين، جعل بليشر خلايا الخميرة تثبت الذهب، في تجربة لا يوجد لها تطبيق عملي بعد (على الرغم من أن الخلايا المغلفة، التي يبلغ عرضها ستة ميكرونات، يمكن استخدامها في تجارب معينة كعلامات فلورسنتية يسهل رؤيتها ). وفي الوقت نفسه، يقوم طلابها في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، الذين يتعلمون كيفية استخدام الكائنات الحية كأساس لإنشاء المواد، بتثبيت الذهب كتمرين مختبري.
على الرغم من أن بيلشر تواصل اختبار مزايا العديد من الكائنات الحية الأخرى لأغراض تجريبية، إلا أنها تركز على M13، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أنه نظرًا لنسبة الطول إلى العرض الهائلة للفيروسات، فإنها تنظم نفسها بشكل طبيعي في أشكال أكثر تعقيدًا. يقول بيلشر: "فكر في أقلام الرصاص الموجودة في صندوق". "إذا قمت بهز عدد قليل منهم، فسوف يهبطون بشكل عشوائي. ولكن إذا قمت بزيادة كثافتها، فإنها تميل إلى التنظيم في حزمة. وتمكنت من جعل العاثيات المختارة تشكل غشاء بمساحة 10 سمXNUMX وسمك أقل من ميكرون واحد. ثم قامت بعد ذلك بتثبيت هذا الهيكل في لوح ثابت باستخدام الروابط الكيميائية.
والآن، تنشغل بيلشر، مع زملائها في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، يت-مينغ تشيانغ، وباولا هاموند، وكيه. تي. نام، وبتمويل من الجيش الأمريكي، في تطوير هذه الأسطح لاستخدامها كأقطاب كهربائية في بطاريات أيونات الليثيوم خفيفة الوزن. "إن وزن البطاريات مهم جدًا بالنسبة لهم. يقول بلشر: "الطائرات الأولى التي طارت إلى بغداد كانت محملة بالبطاريات". "تزن أقطابنا الكهربائية ما بين 50 إلى 40 ملليجرام مقارنة بالجرامات التي تزنها الأقطاب الكهربائية العادية."
يمكن تصنيع القطب السالب من ورقة من الفيروسات التي تم تحسينها لتغليف نفسها بأكسيد الذهب والكوبالت. الذهب لتحسين التوصيل الكهربائي، وأكسيد الكوبالت لتبادل الأيونات مع المنحل بالكهرباء في البطارية. التبادل الأيوني هو ما يدفع الشحنات من القطب إلى القطب. يتم ترتيب القطب مباشرة فوق البوليمر المُشكل مسبقًا والذي يعمل بمثابة إلكتروليت ويخلق طبقة مزدوجة. والآن ينشغل الفريق بإقناع الفيروسات بتنمية القطب الكهربائي المضاد، الذي سيلتصق بالجانب الآخر من الإلكتروليت.
الهدف هو تصميم الصفائح بحيث تنتج مادة صلبة يكون سطحها يحتوي على أقطاب كهربائية موجبة وسالبة بالتناوب. سيكون من الممكن توصيل الأقطاب الكهربائية في عمود للحصول على جهد كهربائي أعلى. تسمح المسافة القصيرة بين الأقطاب الكهربائية بالشحن والتفريغ السريع والاستخدام الأمثل للمكونات. سيكون من الممكن تصميم هذه البطارية وفقًا للمساحة المتاحة للمخطط. وبهذه الطريقة، لن يكون قادرًا على توفير الوزن فحسب، بل أيضًا المساحة، وهي ميزات مرغوبة لكل من الأجهزة الإلكترونية العسكرية ومشغلات MP3 فائقة النحافة.
ويبدو أنه لا توجد عناصر ولا مركبات لا تستطيع الفيروسات التفريق بينها. إحدى العاثيات مخصصة لمادة زرنيخ الغاليوم شبه الموصلة، ولكنها لا تهتم بالمادة المشابهة جدًا نيتروجين الغاليوم. ربما يمكن استخدام هذه القدرة على التمييز كوسيلة للكشف عن العيوب في الرقائق. يقوم صانعو الرقائق أحيانًا بزراعة بلورات إحدى هذه المواد فوق نوع آخر من أشباه الموصلات. يفعلون ذلك بحيث تؤدي الاختلافات الدقيقة في المسافات بين الشبكات البلورية إلى حدوث ضغط ميكانيكي يؤثر على الخواص الكهربائية. عندما لا تتناسب البلورات معًا بشكل صحيح، فإن الذرات غير الضرورية تبرز في مكان لا ينبغي أن تكون فيه. وستكون الفيروسات قادرة على التمسك بهذه العيوب على وجه التحديد. وإذا كان الفيروس يحمل أيضًا علامة فلورسنت، فإنه سيصبح نشطًا في ظل ظروف مناسبة، وسيكون من الممكن تحديد موقع الخلل باستخدام المجهر.

خطط كبيرة
لكن بيلشر يريد المضي قدمًا بهذه التكنولوجيا. وتقول: "نريد أن نرى ما إذا كان بإمكاننا أيضًا اكتشاف عيوب التصنيع في أشياء مثل جناح الطائرة". تريد مجموعتها البحثية أيضًا تسخير العاثية M13 لبناء ترانزستورات كاملة من جزيئات أشباه الموصلات والأيونات، ثم تصنيعها بمليارات النسخ. وهي تعترف بأن الترانزستورات الفيروسية لن تكون أصغر أو أفضل، لكن إنتاجها لن يتطلب استخدام مواد كيميائية قاسية، وبالتالي ينبغي أن ينبعث منها نفايات أقل سمية.
يأمل بيلشر أيضًا في العودة إلى واجبه في الكيمياء الحيوية. إنها تريد جعل M13 يرتبط بكل من الخلايا السرطانية ومكونات النانومتر، والتي تسمى "النقاط الكمومية"، والتي يمكن رؤيتها في عمليات الفحص الطبي. لم يتم حتى الآن تجربة استخدام النقاط الكمومية على البشر، ويرجع ذلك جزئيًا إلى المخاوف بشأن سمية المعادن الثقيلة التي تتكون منها، وخاصة الكادميوم. تحاول بيلشر جعل العاثيات تلتصق بجزيئات أكثر أمانًا مصنوعة من نيتروجين الغاليوم، أو نيتروجين الإنديوم، أو أشباه الموصلات الأخرى. ويقوم المعهد الوطني الأمريكي للسرطان بتمويل هذا البحث.
معظم مشاريع بيلشر في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا تبعد سنوات عديدة عن العثور على تطبيقات تجارية، ولكن يتعين على كامبريوس العمل على التطبيقات التي ستصل إلى السوق في غضون عامين تقريبًا قبل أن "تحرق" الشركة رأسمالها. ويقول المدير التنفيذي ورئيس الشركة، مايكل كناب، إن الشركة خلال سنوات عملها الثلاث، جمعت 14 مليون دولار على جولتين من التمويل، وافتتحت مختبرا ووظفت 20 شخصا، أي أن معدل الإنفاق يبلغ 5 ملايين دولار سنويا . ويقول إن شركة Cambria تسعى جاهدة لإنشاء منتج متخصص من شأنه أن يحقق أرباحًا عالية من أحجام التداول الصغيرة: من خلفية بلاستيكية مرنة حساسة للمس.
ويهتم الجيش بشاشات مرنة يتم لصقها على الزجاج الأمامي للمركبات بحيث يمكن تركيب واجهة حاسوبية بسرعة في مجال رؤية السائق. يهتم مصممو المنتجات أيضًا بدمج الخلفية مع شاشة الكمبيوتر، بحيث يمكن طيها عند عدم استخدامها لتوفير المساحة. من المستحيل اليوم إنتاج مواد مرنة لأن درجات الحرارة المرتفعة التي تعمل فيها تقنيات الإنتاج التقليدية من شأنها أن تؤدي إلى إذابة الغطاء البلاستيكي.
يقول كناب: "إننا نعتزم إطلاق المنتج في منتصف عام 2007". "على أية حال، سنشارك في الإنتاج، لكن صناعة الإلكترونيات تفضل الشراء من شخص تعرفه، لذا فمن المؤكد تقريبًا أنه سيكون لدينا شركاء أيضًا".
تواصل Belcher تقديم المشورة بانتظام إلى Cambria بشأن مشاريع الشركة المختلفة بالإضافة إلى إجراء أبحاثها الخاصة. وتقول إنه على الرغم من أن الشركة تمتلك حقوق طريقة الإنتاج الفيروسي، إلا أنها ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا يحتفظان بالملكية الفكرية للبحث الحالي. على سبيل المثال، كانت مجموعتها في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا تعمل على البطارية الكهربائية بينما قامت شركة كامبريا بتطوير شاشة اللمس الخاصة بها.
وتقول: "لقد استمتعت حقًا بتطوير العلوم الأساسية ونقلها إلى المجتمع"، مضيفة أنها مهتمة بالقيام بذلك مرة أخرى. لم تتخلى بيلشر عن الغرض من شركتها القادمة، باستثناء أنها مثل Cambrius، التي تجمع بين المكونات الفيروسية وكتل البناء غير العضوية، ستكون حول ربط الأشياء التي لا تتوافق معًا عادةً.
فيليب روس مراسل علمي من نيويورك.