خمس أفكار قد تحل المشاكل وتحسن حياة كل واحد منا: دواء فعال ضد الفيروسات؛ الروبوتات في حبوب منع الحمل. التعرف المحوسب على الأنماط البصرية؛ أقمار الاتصالات الكمومية؛ أدوية المضادات الحيوية الجديدة تمامًا
شاهد الحلقات السابقة من السلسلة:
- جزيئات فائقة تتكون من ذرات غير موجودة في الجدول الدوري
- برنامج لتحديد مراكز الفقر
- البطاريات التي يمكنها إزالة الكربون من الغلاف الجوي
- الملابس التي من شأنها تبريد مرتديها
إن الجمع بين الكلمات "التي ستغير العالم" قد أصبح قديمًا بعض الشيء. ومع ذلك، كيف يمكن للمرء أن يصف بشكل كامل التأثير التاريخي لاختراعات مثل الترانزستور، أو الإنترنت، أو الهاتف الخليوي؟ هناك أفكار تشكل التاريخ حقًا. لا يزال من السابق لأوانه معرفة أنه مع البطاريات التي تحبس ثاني أكسيد الكربون، فإن الروبوتات التي يمكن ابتلاعها بواسطة حبة دواء أو أقمار صناعية كمومية وسبع أفكار أخرى نشرناها في الأسابيع الأخيرة وفي هذا المقال، ستحدث تغييرًا مماثلاً. تفشل معظم الخطط، والأفكار الأكبر هي أيضًا تلك التي تنطوي على أكبر المخاطر. لكن المسافة بين الفكرة السخيفة والفكرة الضرورية قصيرة. وبعض هذه الأفكار قد تحدث فرقا.
دواء فعال مضاد للفيروسات
يمكن أن تساعد طفرة جينية نادرة في تطوير أول دواء لعلاج مجموعة واسعة من الالتهابات الفيروسية
بقلم آني سنيد
تشتهر الفيروسات أو الفيروسات بمقاومتها للأدوية التي يصنعها الإنسان. لكن اتضح أنهم عاجزون في مواجهة طفرة جينية نادرة ISG15. ويتعامل حاملو هذه الطفرة بنجاح أكبر مع معظم الفيروسات (وربما جميعها) التي تضر بأفراد الجنس البشري. لكن الطفرة نادرة: إذ يحملها واحد من كل 10 ملايين شخص. دوسان بوجونوفيتش من كلية الطب في إيكان في مستشفى ماونت سيناي، يعتقد أنه قد يكون من الممكن تطوير دواء يحاكي هذه الطفرة. إذا كان على حق، فقد يكون على وشك تطوير حبوب منع الحمل التي تمنح المرضى القدرة المؤقتة على محاربة أي نوع من الفيروسات بنجاح دون الإصابة بالمرض. كما سيعطي الدواء الأشخاص الذين يتناولونه مناعة لبقية حياتهم ضد جميع سلالات الفيروسات التي تعرضوا لها أثناء العلاج بالدواء (ما لم تخضع الفيروسات لطفرات جديدة، مثل تلك التي يتعرض لها فيروس الأنفلونزا).
لفهم كيف تقوم الطفرة بقمع الفيروسات وكيف يمكن للدواء أن يحاكيها، قام بوجونوفيتش وفريقه بتجنيد ستة أشخاص يحملون هذه الطفرة. وقاموا بتحليل تسلسل الحمض النووي الخاص بهم وعزلوا خلايا الدم والجلد من بعضهم. وبعد ذلك، قام الباحثون بتعريض خلايا الجلد لثلاثة أشخاص لفيروسات مختلفة، بما في ذلك فيروسات الأنفلونزا والهربس. وبعد 24 ساعة، كان عدد نسخ الفيروسات في هذه الخلايا أقل بعدة مرات من عددها في الخلايا الطبيعية. وأوضح الفريق سبب ذلكفي المقالة في مايو 2016 في مجلة Nature Communications: الطفرة في الجين ISG155 تمنع العملية التي تساعد على تقليل الالتهاب. يقول بوجونوفيتش إن الالتهاب يساعد الجسم على مقاومة الفيروسات، لذا فإن هؤلاء الأشخاص "أكثر استعدادًا منك أو مني للفيروس الذي يصابون به". ونتيجة لذلك، تقاوم أجسامهم الفيروسات الغازية وتطور مناعة قبل أن تتمكن الفيروسات من التكاثر والتكاثر بما يكفي لإصابتهم بالمرض.
يريد بوجونوفيتش العثور على دواء يحاكي تأثير الطفرة في جين ISG15. ويقول: "إن تغييرًا طفيفًا في النظام يمكن أن يمنحنا السيطرة على أول انتشار للعدوى". وكجزء من البحث عن دواء ناجح مضاد للفيروسات، تقوم مجموعة بوجونوفيتش حاليًا باختبار 16 مليون مركب. بعد العثور على مركبات واعدة، سيتعين على الفريق تحسين تركيبها الكيميائي، وإجراء اختبارات السمية والتجارب على الحيوانات، وأخيرا إجراء تجارب سريرية على البشر. ليس هناك ضمان للنجاح. يعاني بعض حاملي الطفرة في جين ISG15 بشكل دوري من هجمات وتظهر عليهم العلامات الأولى لمرض مناعي ذاتي مشابه لمرض المناعة الذاتية.الذئبة، والأدوية المستقبلية التي قد يتم العثور عليها يجب ألا تسبب مثل هذه الآثار الجانبية. (وفقًا للباحثين، فإن استخدام الدواء لفترة محدودة يمكن أن يساعد في تجنبها). بدأ بوجونوفيتش العمل على تأسيس شركة للتكنولوجيا الحيوية بناءً على أبحاثه. ويقول: "لا يوجد شيء مستحيل". "إنها عملية، ولكن أعتقد أن هذه العملية مثيرة للغاية."
الروبوتات في حبوب منع الحمل
الروبوتات التي يتم طيها باستخدام طريقة الأوريجامي ويتم تشغيلها عن بعد ستتيح إمكانية إجراء الإجراءات الطبية داخل الجسم
بواسطة جون بولس
الانطباع السائد هو أنه كلما كان التدخل الطبي أكثر تقدما، كلما كان أقل تدخلا. جراحات السمنة علاج السمنة، على سبيل المثال، يتضمن فتح البطن من السرة إلى الحجاب الحاجز. اليوم، يتم إجراء مثل هذه العمليات الجراحية باستخدام هذه الطريقة بالمنظاروذلك من خلال قطع لا يتجاوز طولها بضعة سنتيمترات. الآن قام باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) ببناء نموذج أولي لروبوت قادر على القيام بإجراءات بسيطة داخل المعدة دون أي شقوق على الإطلاق ودون الحاجة للاتصال بمعدات خارجية: يبتلع المريض الروبوت ببساطة.
يدخل الروبوت الجهاز الهضمي ملفوفًا بمكعب ثلج ويشق طريقه نحو المعدة. يذوب الجليد ويتكشف الروبوت مثل الأوريجامي. في هذه المرحلة، يبدو الروبوت وكأنه ورقة مجعدة. يتحرك بفضل الطيات والأخاديد والبقع الموجودة في نقاط رئيسية على "الصفحة"، وتتوسع وتنكمش عند تعرضها للحرارة أو المجالات المغناطيسية. تعمل نقاط الحركة هذه معًا مثل المفاصل والعضلات. يستطيع الجراحون توجيه الروبوت من الخارج باستخدام المجالات الكهرومغناطيسية التي تعمل على مغناطيس مدمج في جسم الروبوت. كما يستطيع الروبوت الزحف إلى المكان الذي من المفترض أن يصل إليه عن طريق مد ثنايا جسمه على جدران المعدة في حركة تسمى ""الالتصاق والانزلاق".
يتكون جسم الروبوت من مواد مناسبة للعمل في بيئة بيولوجية. جزء منه مصنوع من أمعاء الخنزير (مثل غلاف النقانق) وهو قادر على حمل الدواء إلى الجروح الداخلية أو تضميدها عن طريق لصقها على الجرح مثل الجص. ويمكنه أيضًا استخدام مغناطيسه لالتقاط وطرد الأجسام الغريبة، مثل بطارية الساعة المبتلعة.
ولم يتم اختبار الروبوت بعد على البشر أو الحيوانات، ولكن دانييلا روسويرى مهندس الروبوتات الذي تقوم مجموعته البحثية ببنائها، أنه دليل ناجح على إمكانية بناء "روبوتات ذات قدرات أكبر" قد تتضمن في المستقبل أجهزة استشعار ستمكن من اكتشاف النزيف الداخلي. إن القدرة على إزالة الأشياء دون جراحة مؤلمة ستكون بمثابة تقدم هائل. يقول روس: "في السبعينيات، كان والدي يعاني من حصوات في الكلى، ثم قاموا بفتح نصف جسده لإخراج هذا الشيء". "سوف يستغرق الأمر بضع سنوات أخرى قبل أن يتم استخدام هذه الروبوتات الصغيرة، ولكن إذا حدث ذلك، فتخيل الآثار المترتبة على هذه الإجراءات."
كيف تطوي الروبوتات:
https://www.youtube.com/watch?v=jS2eW6FBpG4
التعرف المحوسب على الأنماط البصرية
يتيح نهج جديد للذكاء الاصطناعي لأجهزة الكمبيوتر التعرف على الأنماط المرئية بشكل أفضل من البشر
جون بولس
إذا عرض عليك حرف واحد من أبجدية غير مألوفة وطلب منك نسخه على قطعة من الورق، فمن المحتمل أن تنجح في القيام بذلك. ومن ناحية أخرى، لم يكن الكمبيوتر قادرًا على التعامل مع هذه المهمة، ولا حتى جهاز كمبيوتر مجهز بأفضل الخوارزميات للقيام بذلك.تعلم عميق مثل تلك التي يستخدمها Google لفهرسة الصور. ومن أجل النجاح في أبسط وأدق الفروق بين الصور، تحتاج مثل هذه الأنظمة إلى الخضوع للتدريب بناءً على كميات هائلة من البيانات. وقد تكون مناسبة للآلات الموجودة في مكاتب البريد والتي تقوم بفرز الرسائل حسب الرمز البريدي، ولكن عندما تكون هناك حاجة إلى تمييزات أكثر وضوحا، كما هو الحال في الترجمة في الوقت الحقيقي بين اللغات، فإن النهج القائم على التعلم من عدد محدود من الأمثلة يمكن أن يكون أكثر فعالية بكثير.
إن القفزة التي تحتاج أجهزة الكمبيوتر إلى تحقيقها لتحقيق النجاح في مثل هذه المهام أصبحت الآن إمكانية أكثر واقعية بفضل إطار التعلم الآلي المسمى "تعلم البرمجيات البايزية" (BPL). أظهر فريق من الباحثين من جامعة نيويورك ومعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) وجامعة تورنتو أنه في التعرف على الأحرف المكتوبة بخط اليد غير المألوفة وتكرارها، يمكن لجهاز الكمبيوتر الذي يستخدم تقنية BPL أن يتفوق على البشر بعد التعرض لمثال واحد. (التقرببايزي"هي طريقة للاستدلال الاحتمالي يمكن استخدامها لتحديث الفرضيات غير المؤكدة بناءً على معلومات جديدة.)
يختلف نهج BPL في التعلم الآلي بشكل أساسي عنتعلم عميق"وهو ليس أكثر من نموذج تقريبي لقدرة الدماغ البشري على التعرف على الأنماط. ومع ذلك، فإن مصدر الإلهام لتقنية BPL هو قدرة العقل البشري على التخطيط لسلسلة من الإجراءات التي يمكنها إعادة إنتاج نمط معين. على سبيل المثال، بفضل هذه القدرة يستطيع الدماغ أن يفهم أنه من الممكن بناء حرف A من خلال رسم خط مائل وخطين عموديين يخرجان منه. يقول: "يمثل الكمبيوتر الحرف A من خلال بناء برنامج كمبيوتر بسيط يقوم بإنشاء إصدارات مختلفة من الحرف في كل مرة يتم فيها تشغيل الكود". بحيرة بريندانوهو باحث معلوماتي من برنامج مور وسلون بجامعة نيويورك والذي شارك في البحث. تسمح المعالجة الافتراضية للبرنامج بالتعامل مع عدم اليقين الناتج عن إنشاء أحرف غير مألوفة من أجزاء أصغر مألوفة له بالفعل (مثل أحد الخطوط الرأسية في الحرف A، على سبيل المثال).
هذا النوع من التعلم الآلي هو تعلم أكثر مرونة وكفاءة. إن العملية التي يستخدمها برنامج BPL لتحليل شخصية غير معروفة ثم إعادة بنائها يمكن أن تساعد يومًا ما تطبيقات الذكاء الاصطناعي في التوصل إلى استنتاجات حول أنماط السبب والنتيجة في الظواهر المعقدة (مثل تدفق النهر) ثم استخدامها لمعالجة مختلفة تمامًا أنظمة. كثيرا ما يستخدمه البشرالتفكير الأفقي"ملخص من هذا النوع. يمكن أن ينقل BPL قدرة مماثلة لأجهزة الكمبيوتر. يقول ليك: "إننا نحاول إنشاء أجهزة كمبيوتر تكون قادرة على تعلم المفاهيم التي يمكن تطبيقها بعد ذلك على العديد من المهام والمجالات الأخرى". "هذا هو أحد الجوانب الأساسية للعقل البشري."
يشرح الباحث بريندان ليك كيف تم تطوير برنامج التعرف على الأنماط الافتراضية:
https://www.youtube.com/watch?v=shT-dFKU2WA
أقمار الاتصالات الكمومية
نقل مفاتيح التشفير الكمي من الفضاء قد يجعل الإنترنت محصنًا ضد القرصنة
جون بولس
لا يتطلب التشفير الآمن تمامًا أي تقنية أكثر غرابة من الورق والقلم الرصاص: يتم اختيار سلسلة عشوائية من الحروف والأرقام لتكون بمثابة مفتاح لرسالة مشفرة. اكتب المفتاح على قطعة من الورق، واستخدم المفتاح مرة واحدة، ثم احرق الورقة. الشيء المهم هو التأكد من عدم اعتراض أي شخص للمفتاح وعدم تغييره. وعلى الإنترنت، تتم سرقة المفاتيح طوال الوقت وتغييرها بشكل ضار.
تبادل المفاتيح الكمومية (QKD) يحل المشكلة عن طريق إنشاء مفتاح لمرة واحدة منالفوتونات المتشابكةأي من جسيمين ضوئيين ترتبط حالاتهما الكمومية ببعضهما البعض. وأي اضطراب في أحدهما ينعكس فوراً على الآخر مهما كانت المسافة بينهما. تكمن مشكلة التبديل الكمي في أنه لم يتمكن أحد حتى الآن من إيجاد طريقة لنقل الفوتونات المتشابكة عبر مسافات كبيرة. لكن في أغسطس 2016، اتخذت الأكاديمية الصينية للعلوم خطوة كبيرة نحو حل المشكلة عندما وضعت أول قمر صناعي كمي في العالم في مدار حول الأرض.
البرنامج المسمى "التجارب الكمية على النطاق المكاني" (سؤال)، بالتعاون مع الأكاديمية النمساوية للعلوم. وتتمثل الفكرة في استخدام قمر صناعي لنقل المفاتيح الكمومية إلى نقطتي مراقبة في طرفين مختلفين من الصين يفصل بينهما 1,200 كيلومتر، أي أكثر من ثمانية أضعاف المسافة الأعظم التي تمكن الباحثون من تحقيقها حتى الآن. وفق انطون زيلينجر، الذي قاد الفريق الذي حقق الرقم القياسي السابق في عام 2012، ويعمل الآن بالتعاون مع طالبه السابق، Pen Xian-wei، الذي يشغل منصب كبير العلماء في QUESS، فإن منصة في الفضاء هي الخيار الوحيد: "لا يوجد مكان على الأرض يبلغ مدى رؤيته 1,000 كيلومتر." زيلينجر هو عالم فيزياء يعمل كمستشار لنظام ساينتفيك أمريكان.
إذا سجل الباحثون الصينيون رقما قياسيا جديدا للمسافة، فيمكن استخدام الأقمار الصناعية في المستقبل كمنصات تدور حول الأرض وتجعل من الممكن إنشاء إنترنت "مقاوم للكسر" حيث تضمن قوانين الفيزياء أمان حزم المعلومات المشفرة. يقول زيلينجر: "نأمل في بناء تواصل كمي عابر للقارات". "هذه ليست مجرد فكرة خيال علمي. هذه هي الطريقة التي ستتواصل بها أجهزة الكمبيوتر مع بعضها البعض في المستقبل."
ملحوظة: منذ كتابة الخبر حقق القمر الصناعي الصيني رقما قياسيا جديدا للمسافة في نقل الفوتونات المتشابكة
أدوية المضادات الحيوية الجديدة تمامًا
طريقة لبناء مركبات جديدة قد تهزم البكتيريا المقاومة للأدوية
آني سنيد
من الصعب أن نتخيل عالمًا خاليًا من المضادات الحيوية، ولكن بسبب الإفراط في استخدامها على نطاق واسع، فإن هذا هو الاتجاه الذي نسير فيه. ووفقا للمراكز الأمريكية لمكافحة الأمراض والوقاية منها (CDC)، يموت كل عام في الولايات المتحدة وحدها أكثر من 23,000 ألف شخص بسبب العدوى التي لم تعد المضادات الحيوية قادرة على علاجها. وقدرت دراسة بتكليف من الحكومة البريطانية أنه بحلول عام 2050 سيكون هناك 10 ملايين حالة وفاة سنويا في جميع أنحاء العالم نتيجة لمقاومة المضادات الحيوية. ويكافح العلماء لتطوير أدوية جديدة تقتل هذه الجراثيم الخارقة. خذ على سبيل المثال المجموعة الرئيسية من أدوية المضادات الحيوية، وهيالماكروليدات. تُستخدم هذه الأدوية لعلاج الالتهابات البكتيرية الشائعة، بما في ذلك تلك التي تسبب الالتهاب الرئوي والتهابات الحلق والتهابات الأذن والجلد والأمراض المنقولة جنسيًا.
وبينما تُبذل محاولات لتحديث التركيب الكيميائي لهذه المواد الحيوية لتحسين فعاليتها ضد السلالات المقاومة، إلا أن الباحثين لم يحققوا نجاحا كبيرا حتى الآن. من الصعب تغيير التركيب الكيميائي للماكروليدات. ويتم إنتاج المواد الخام اللازمة لتحضيرها في خزانات كبيرة من البكتيريا الصناعية، وهي عملية ليس من السهل إجراء تغييرات دقيقة ودقيقة فيها. يقول: "لقد كان الكيميائيون في حيرة لعدة عقود". أندرو مايرز، أستاذ الكيمياء والبيولوجيا الكيميائية في جامعة هارفارد.
لكن مؤخرًا وجد مايرز وفريقه طريقة عملية لبناء الماكروليدات في المختبر، خطوة بخطوة. وللقيام بذلك، قاموا بتقسيم بنية الماكروليدات إلى ثمانية وحدات بناء بسيطة ثم أعادوا تجميعها في أشكال مختلفة وفي هذه العملية قاموا بتغيير بنيتها الكيميائية قليلاً. في المقال الذي نشروه أعلن ماير ومجموعته في مايو 20166 في مجلة Nature عن نجاحهم في تصنيع أكثر من 300 مركب جديد. وعندما تم اختبارها على 133 نوعًا من البكتيريا المسببة للأمراض، تمكنت معظم المركبات من تثبيط البكتيريا، وكان بعضها قادرًا على التغلب على السلالات المقاومة للأدوية.
ومنذ ذلك الحين، ابتكر الباحثون أكثر من 500 مركب جديد، وأسس مايرز شركة اسمها ماكرولايد للأدويةوالغرض منه هو جلب الأدوية المنتجة في هذه العملية إلى السوق. بدأت المجموعة العمل على مجموعتين أخريين من المضادات الحيوية، لينكوساميدات וأمينوغليكوزيدات. فقط عدد قليل من المركبات التي تنتجها ستكون مفيدة في نهاية المطاف كمضادات حيوية، وسوف يمر وقت طويل حتى قبل أن تصل هذه الأدوية إلى الصيدليات. لكن مايرز يأمل أن تساعد دراسات مثل هذه في التغلب على الجراثيم الخارقة. ويقول: "أنا متفائل تمامًا أنه مع استمرارنا في البحث، فإن النتائج سوف تتحسن باستمرار".
