روبات‌های میکرو ای که سلول‌های بزرگ را مدیریت می‌کنند
در عصر حاضر، علم و فناوری به نقطه‌ای رسیده‌اند که دیگر مرزهای قابل تصور را جابه‌جا می‌کنند. یکی از پیشرفت‌های شگرف در این زمینه، توسعه روبات‌های میکرو است که به ما این امکان را می‌دهند تا به درک بهتری از سلول‌ها و تعاملات آن‌ها دست پیدا کنیم. این روبات‌های نانومقیاس نه تنها به محققان کمک می‌کنند تا به سؤالات بنیادی علم زندگی پاسخ دهند، بلکه می‌توانند به پیشرفت‌های قابل توجهی در حوزه‌های پزشکی، بیوتکنولوژی و علوم زیستی منجر شوند.
این روبات‌های میکرو یا میکروبات‌ها مجهز به گیره‌های نانومقیاس هستند. از این طریق فرصت‌های جدیدی برای تصویربرداری و دستکاری سلول‌های منفرد ارائه می‌دهند.
در ادامه به بررسی تأثیر روبات‌های نانومقیاس بر علوم پزشکی خواهیم پرداخت.
سفر به دنیای میکرو: روبات‌هایی که سلول‌ها را در دستان خود می‌گیرند
دانشمندان خانواده‌ای از روبات‌های میکرو با کنترل لیزری ایجاد کرده‌اند که می‌توانند یکی از کوچک‌ترین واحدهای زندگی، یعنی سلول را مدیریت کنند.
این روبات‌های نانومقیاس می‌توانند سلول‌های منفرد با اندازه ۳۰ تا ۴۰ میکرومتر را بگیرند، جابجا کنند و بچرخانند. دقتی که این روبات‌های میکرو برای تصویربرداری از سلول‌های منفرد ارائه می‌دهند و توانایی آن‌ها در دستکاری تعاملات بین آن‌ها، توانایی محققان را برای پاسخ به سوالات بنیادی افزایش می‌دهد.
یک بیوفیزیک‌دان در مرکز تحقیقات بیولوژیکی HUN-REN در مجارستان، به همراه همکارانش در مجارستان و اسلواکی، یک سری ابزار روباتیکی میکرو را توسعه داده‌اند که در ترکیب با ابزارهای اپتیکی کار می‌کنند. این ابزارها یک تکنیک قدیمی هستند که دانشمندان برای به دام انداختن اشیاء میکروسکوپی در پرتوهای لیزری متمرکز استفاده می‌کنند.
نحوه کارکرد این روبات‌های میکرو چیست؟
این دانشمند توضیح داد که اگر یک شی کوچک به کانون پرتو بیفتد، پرتو توسط شی انکسار میشود و جهت آن تغییر می‌کند. طبق فیزیک نور، تغییر در جهت به معنای تغییر در مومنتوم نور نیز هست.
اما تغییر مومنتوم به این معنی است که نیرویی به پرتو اعمال شده که باعث این تغییر شده است و از آنجایی که این شی کوچک است که پرتو را انکسار کرده، این شی کوچک نیرویی به پرتو اعمال می‌کند. طبق قانون نیوتن، برای هر عمل یک واکنش برابر و مخالف وجود دارد که به این معنی است که پرتو نور نیرویی بر روی شی کوچک اعمال می‌کند تا آن را در مکان خود نگه دارد.
بهبود ابزارهای اپتیکی با میکروبات و چالش‌های آن
استفاده از ابزارهای اپتیکی به تنهایی برای مطالعه سلول‌های منفرد ایده‌آل نیست. زیرا به دام انداختن خود سلول در پرتو باعث گرم شدن و آسیب به برخی از سازوکارهای سلولی میشود.
ثبات و نیروی تولید شده توسط ابزارهای اپتیکی نیز به دلیل اندازه و شکل سلول نسبت به خود پرتو و آبی که در آن معلق است، ضعیف است.
برای رفع این مشکل، دانشمندان در گذشته میکروبیدهای کوچک یا ساختارهایی را به سلول‌ها متصل کرده‌اند که به عنوان دسته‌هایی عمل می‌کنند که ابزارهای اپتیکی می‌توانند به آن‌ها چنگ بزنند. متأسفانه، این نیز به سلول آسیب می‌زند و پس از افزودن، نمی‌توان آن‌ها را حذف کرد.
این اتصالات اغلب نیاز به تغییرات در محیط سلول‌ها، مانند pH یا افزودن مواد شیمیایی دیگر برای تکمیل پیوند دارند. ابزارهای میکرو جدیدی که در این مطالعه توسعه یافته‌اند، از این مشکلات جلوگیری می‌کنند و به اندازه کافی کوچک و انعطاف‌پذیر هستند تا به آرامی سلول‌ها را بگیرند. در حالی که خودشان نیز توسط پرتو لیزر نگه داشته می‌شوند.
سایر چالش‌ها
این روبات‌های میکرو به مجموعه‌ای دیگر از لیزرها برای ساخت نیاز داشتند. فرایندی به نام پلیمریزاسیون دو فوتونی از نور برای پلیمریزه کردن، یا سخت کردن، یک پلیمر فقط در جایی که نور به ماده می‌رسد، استفاده می‌کند.
دانشمندان تاکید کردند که برای رفع این مشکل ا نور را به اندازه‌ای متمرکز می‌کنند که فقط بخشی از یک میکرومتر باشد و پلیمر فقط در آن نقطه کوچک سخت میشود. این عمل به آن‌ها این امکان را داد تا ابزارها را با مشخصات اندازه نانومتر به دقت طراحی کنند.
موفقیت در آزمایشات
چالش این بود که ابزارها را به اندازه کافی نازک و انعطاف‌پذیر بسازند تا بتوانند سلول‌ها را در حالی که خودشان نیز توسط پرتو نگه داشته می‌شوند، بگیرند. این کار نیاز به دقت زیادی داشت. زیرا اگر یک عنصر الاستیک در ساختار میکرو ما ۴۰۰ نانومتر ضخامت داشته باشد، می‌تواند به سادگی توسط ابزارهای اپتیکی خم شود، اما اگر ۶۰۰ نانومتر ضخامت داشته باشد، نمی‌تواند.
در آزمایش‌ها، تیم نشان داد که می‌توانند از پرتو ابزارهای اپتیکی برای تغییر شکل یک بخش از روبات‌های میکرو استفاده کنند و آن را باز کنند تا سلول را بگیرند. هنگامی که سلول در چنگ آن‌ها قرار گرفت، الاستیسیته روبات میکرو آن را در مکان خود نگه می‌دارد و پرتو را آزاد می‌کند تا یک بخش سخت‌تر از ابزار را به دام بیندازد و آن را دستکاری کند.
تیم، سه ابزار طراحی کرد که به محققان اجازه می‌دهد تا سلول‌های منفرد را از یک مکان به مکان دیگر منتقل کنند. به دقت یک سلول را برای تصویربرداری میکروسکوپی بچرخانند. یا دو سلول را بگیرند و به هم فشار دهند تا واکنش‌های آن‌ها را مطالعه کنند.
این یک فرآیند توسعه طولانی بود که با شگفتی‌های زیادی در مسیر همراه بود.
آیا این میکروبات‌ها در عمل قابل استفاده هستند؟
ابزارهای اپتیکی تخصصی هستند. بنابراین محققین انتظار ندارد که هر آزمایشگاهی قابلیت استفاده از ابزارهای میکرو جدید خود را داشته باشد. اما آزمایشگاه‌هایی که این تجهیزات را دارند، می‌توانند آن‌ها را برای وظایف جدید اصلاح و بهینه‌سازی کنند.
گاهی اوقات میله‌های الاستیک نیاز به طول بیشتری دارند یا یک قسمت ساختاری باید کمی کوتاه‌تر باشد یا به زاویه‌ای متفاوت بیفتد.
سخن پایانی
به طور کلی، پیشرفت‌های اخیر در فناوری روبات‌های میکرو به ما نشان می‌دهد که با به کارگیری علم فیزیک و مهندسی، می‌توانیم ابزارهای جدیدی برای مطالعه و دستکاری موجودات زنده بسازیم. این فناوری نوین به ما اجازه می‌دهد تا درک عمیق‌تری از فرآیندهای بیولوژیکی به دست آوریم و افق‌های جدیدی را در تحقیقات علمی باز کنیم.
