نظام استشعار بيولوجي مبني من ألياف ضوئية وفي نهايته بكتيريا ثابتة معدلة وراثيا لتنتج الضوء عند تعرضها لمواد كيميائية ضارة بمادتها الوراثية
بعد أسبوعين من أحداث 11 سبتمبر، تلقى الدكتور روبرت ماركس، من كلية الهندسة في جامعة بئر السبع، مكالمة هاتفية من مؤسسة محترمة في الولايات المتحدة الأمريكية، والتي طلبت عدم الكشف عن هويتها. أراد الشخص الذي تحدث معه معرفة ما إذا كان بإمكانه تطوير مجموعة أدوات للكشف عن عوامل الحرب الكيميائية والبكتيريا المستخدمة كأسلحة بيولوجية. يقول ماركس: "أجبته بأنني، في رأيي المتواضع، أستطيع أن أفعل ذلك على الأقل بالنسبة لبعض هذه الأمور".
طور ماركس نظام استشعار بيولوجي مصنوع من ألياف بصرية مع تثبيت البكتيريا في النهاية. يتم تعديل البكتيريا وراثيا لإنتاج الضوء عند تعرضها لمواد كيميائية ضارة بموادها الوراثية. تتم الهندسة الوراثية للبكتيريا في مختبر البروفيسور شمسون بلكين من قسم الأحياء الدقيقة البيئية في الجامعة العبرية. النظام حساس للغاية. السموم الكيميائية والسموم البكتيرية والمعادن الثقيلة والمبيدات الحشرية بكميات صغيرة جدًا (السموم النانوية)، والتي تلحق الضرر بالحمض النووي للبكتيريا، وتتسبب في توهج البكتيريا. يتم إدخال الألياف في عينة ماء، ويتم قياس الضوء بواسطة كاشف حساس ونقله مباشرة إلى الكمبيوتر. تشير شدة الضوء التي تنتجها البكتيريا إلى تركيز السم في الماء.
تمكن ماركس من تقليل حجم نظامه إلى حجم الصندوق، والذي يمكن نقله إلى الميدان والذي يمكن من خلاله إجراء الاختبار على الفور. يتم نقل النتيجة إلى جهاز كمبيوتر محمول. "لقد أخذنا النظام إلى بحيرة طبريا وفحصنا مياه البحيرة بحثًا عن وجود سموم تلحق الضرر بالمادة الوراثية للبكتيريا. مثل هذا الضرر يعني حساسية الحمض النووي لدينا لهذه المواد. ولحسن الحظ، لم نعثر على أي إصابات"، يقول ماركس. إن أنظمة الاختبار الحالية قادرة بالفعل على اكتشاف وجود مادة كيميائية في عينة مياه بمساعدة معدات متطورة، إما عن طريق اختبار السمية على الأسماك التي يتم إدخالها إلى البحيرة أو عن طريق البكتيريا، بطريقة مشابهة لطريقة ماركس؛ ومع ذلك، في كلتا الحالتين تكون العملية طويلة وتتطلب استخدام معدات مختبرية متطورة. يقول ماركس: "طريقتنا عبارة عن نظام مستقل لا يتطلب ملحقات إضافية". تم تطوير النظام بدعم من وزارة العلوم.
ووفقا له، فإن كل مركز لفحص المياه في العالم سيكون قادرا على استخدام تقنيته في خزان مياه، دون الحاجة إلى نقل المياه إلى مختبر مركزي، كما تم حتى الآن. وبهذه الطريقة، سيتمكن الفني من اختبار مياه البحيرة، ونقل النتائج من جهاز الكمبيوتر الخاص به إلى مختبر مركزي، والاستمرار في إجراء الاختبارات في أماكن أخرى في البحيرة. يستمر كل اختبار ما بين 60 إلى 90 دقيقة. عندما يكتشف المختبر المركزي مستوى مرتفع من السمية البيولوجية، سيتمكن الفني من فحص مستوى السمية في نفس المكان مرة أخرى في نفس اليوم وإجراء اختبارات إضافية إذا لزم الأمر.
بالتعاون مع باحثين من قسم هندسة التكنولوجيا الحيوية ومعهد البحوث التطبيقية في علوم الحياة، يعمل ماركس الآن على تطوير نظام بيولوجي يعتمد على البكتيريا المضيئة، والتي ستساعد في حماية خزانات المياه الوطنية من الحرب البيوكيميائية.
منذ عامين، بدأ ماركس، بالتعاون مع الطالبين بوريس بولياك وأليكس نوفودبورز، في تطوير طريقة للكشف عن البكتيريا المسببة للأمراض في الماء. يقول ماركس: "يختلف اكتشاف البكتيريا بشكل أساسي عن اكتشاف السموم، لأنه يتعين عليك العثور على طريقة لصيد البكتيريا التي تريد اختبارها من البيئة المائية حيث توجد جميعها". ولهذا الغرض، يتم ربط ماركس بأجسام مضادة من الألياف الضوئية ضد المكونات الفريدة للجدار البكتيري، والتي من خلالها يمكن تحديد خصائص البكتيريا المعينة. إذا كانت هناك بكتيريا في الماء تريد اكتشافها، فإنها تلتصق بجسمها المضاد، وتستقر على الألياف الضوئية، وتنشط الإنزيم الذي يسبب التنبيه. وبهذه الطريقة تمكن ماركس من اكتشاف وجود بكتيريا الكوليرا في مياه الشرب. وهو يعمل الآن على تطوير مثل هذا النظام للكشف عن بكتيريا البوتولينوم. ويأمل ماركس أن تكون أجهزة الاستشعار البيولوجية التي يقوم بتطويرها قادرة على العمل كأداة مركزية في الكشف عن الهجمات البيولوجية والكيميائية في إسرائيل وفي جميع أنحاء العالم.
