باكتری‌های نقاش هنرنمایی می کنند

اکنون و با تلاش محققان دانشگاه کالیفرنیا یک باکتری مهندسی شده طی شاهکاری برجسته می‌تواند بر روی بستر کشت خود به ترسیم طرح کلی و خطوط پیرامون تصاویر و چهره‌ها بپردازد. باکتری نام آشنای‌ ای. کولی با هویت جدید خود که محصول فناوری مهندسی ژنتیک است، همچون قلمی به حرکت درمی‌آید و طرحی اجمالی از یک تصویر یا خطوط اصلی پیرامون چهره‌ای آشنا را ترسیم می‌کند.

به گفته محققان مزبور، مهیا کردن باکتری برای ترسیم تصاویر کاری به مراتب پیچیده‌تر از خود پروژه اصلی‌‌شان بود؛ آنها در اصل قصد داشتند با ارائه تصاویر سیاه و سفید عکس مانند توسط باکتری، در رقابت سالانه انستیتو فناوری ماساچوست (ام.آی.تی) موسوم به iGEM شرکت کنند که به این مهم دست یافتند. پیچیدگی وظیفه جدیدی که به این باکتری هنرمند محول شده در حالی جامه عمل می‌پوشد که به اعتقاد کارشناسان فناوری، زیست‌شناسی ترکیبی می‌تواند نوید بخش ارائه حسگرهای فوق پیشرفته شیمیایی و زیست محیطی باشد.

البته پژوهشگران معتقدند؛ خلق یک تصویر به کمک باکتری، فرآیندی نسبتا ساده است. در این فرآیند ژن‌هایی که به فقدان نور واکنش می‌دهند، به باکتری مذکور تزریق می‌شوند. زمانی که ژن‌ها نتوانند نور را ردیابی کنند، رنگدانه‌ای سیاه تولید می‌کنند و در صورتی که باکتری، نور را تشخیص دهد؛ به حالت فراتاب یا نیمه شفاف باقی می‌ماند. چنین فرآیندی در چشم انسان نیز اتفاق می‌افتد و چشم به شیوه‌ای مشابه، نور را پیدا می‌کند که البته چشم انسان نه به خود نور بلکه به عدم حضور آن واکنش نشان می‌دهد. این گروه تحقیقاتی پیشتر و با استفاده از همین تکنیک تصاویر محوی از ماهی مرکب و افراد را ایجاد کردند و چون هر باکتری در حکم یک پیکسل (سلول واحد تصویر) بود، نتیجه کار تصاویری با وضوح بسیار بالا از کار درآمد.

در این، میان اتفاق جالبی که توجه پژوهشگران را برانگیخت؛ این بود که باکتری به جای واکنش به یک سیگنال فیزیکی مثل نبود نور، به پیام شیمیایی حاصل از باکتری‌های اطراف نیز پاسخ می‌دهد. از همین‌رو، دانشمندان با استفاده از حامل‌های ویروسی ژن‌هایی را به این باکتری تزریق کردند که وقتی با پرتو نوری برانگیخته شود، باعث می‌گردد این باکتری حساس به نور ترکیبی شیمیایی از خود منتشر کند که در نهایت به تغییر ظاهری محیط اطراف می‌انجامد. درواقع بر هم کنش 2 سیگنال سبب ایجاد خط نازک مداد مانندی روی بستر حیات باکتری در ظرف آزمایشگاهی می‌شود. فرآیند حاصل به معنای آن است که فقط سلول‌هایی که درست روی مرز روشنی و تیرگی قرار دارند، می‌توانند رنگدانه تیره‌ای را برای ترسیم تصویر مربوط ایجاد کنند. به گفته پژوهشگران، باکتری‌ها در این وضعیت براساس پیام دریافتی عمل می‌کنند؛ یعنی اگر باکتری در طرف تاریک باشد، می‌تواند پیام بدهد ولی نمی‌تواند آن را دریافت کند و بعکس اگر در سمت روشن باشد، نمی‌تواند پیام دهد ولی می‌تواند آن را دریافت کند.

محققان معتقدند، این پژوهش می‌تواند الگوی مناسبی برای نحوه عملکرد یک رایانه باکتریایی به شمار رود. براساس نتایج تحقیقات، هر سلول ‌ای.‌کولی می‌تواند در هر نوبت به ردیابی نور یا ردیابی علامت شیمیایی پرداخته، همزمان اطلاعات را پردازش کند تا حاشیه و لبه‌ای سایه‌دار ایجاد کند. چنانچه با علم به این ویژگی عملکردی باکتری‌ها را در حکم یک رایانه فرض کنیم، همان اتفاقی روی می‌دهد که به پردازش موازی در رایانه‌ها موسوم است. رایانه‌های فعلی با استفاده از محاسبات سریالی و انجام یک محاسبه در هر نوبت می‌توانند طرح اجمالی یا همان خطوط کلی پیرامون یک تصویر را ترسیم کنند. به این ترتیب هر پیکسل از تصویر مزبور با 8 همسایه مجاورش در هر نوبت مقایسه می‌شود و این کار ادامه می‌یابد تا زمانی که تصویر به طور کامل اسکن شود. این در حالی است که وجود پیکسل‌های بیشتر در تصویر به معنای محاسبات طولانی‌تر برای پردازشگر است.

اما اکنون و با کمک فناوری مهندسی ژنتیک و دستکاری ژن‌ها، یک باکتری به عنوان یک واحد زنده حیات می‌تواند در نقش کوچکترین واحد مجزای تصویری رایانه‌ای که رنگ و شدت نور آن قابل کنترل است بازی کند و خود جای سلول‌های تصویر یا همان پیکسل را بگیرد.

بنابراین و در مقام مقایسه، هر باکتری ‌ای.‌کولی به خودی خود و به طور دائم با ‌‌8 همسایه مجاورش مقایسه و هم سنجی می‌شود و این فرایند در حالی صورت می‌گیرد که همزمان میلیون‌ها محاسبه را به اجرا می‌گذارد. اما نظر مربیان این باکتری‌های نقاش درخصوص اندازه تصاویر اجرا شده از سوی شاگردان میکروسکوپی این است که اندازه تصاویر نقشی در فرآیند ندارد و ترسیم یک طرح کلی چه در قطع تمبر پستی یا در آن واحد پدیدار خواهد شد.

البته چنین سرعتی به معنای آن نیست که فرآیند حاضر از آنچه در یک رایانه درخصوص اکثر تصاویر روی می‌دهد، سریع‌تر انجام می‌‌گیرد، از این‌رو، برحسب مدت زمانی که باکتری ای.کولی برای واکنش نشان دادن به سیگنال‌ها احتیاج دارد، ممکن است چیزی حدود 12 ساعت زمان ببرد تا این باکتری یک طرح شماتیک از تصویر دلخواه را ایجاد کند.

جیم کالینز، زیست‌شناس ترکیبی دانشگاه بوستون درخصوص این فناوری زیست‌محور مصنوعی به نکته جالبی اشاره می‌کند و می‌گوید: از این عکاسخانه زیستی نمی‌توان انتظار داشت که فیلم عکاسی خود یا همان بستر هنرنمایی باکتری ای. کولی را همانند خدمات معمول عکاسی‌ها بخواباند یا کنار گذاشته یا حتی آماده استفاده دوباره کند. به عبارتی برای هر‌فرد هر یک از عکس‌ها نیازمند آلبوم و فایل ذخیره متعلق به خودش است، اما به باور وی کار چشمگیر محققان تا همین سطح نیز حاکی از قابلیت‌های بالقوه زیست‌شناسی ترکیبی و نمونه برجسته و صد البته پرداخت‌نشده‌ای از این فناوری پیشرفته محسوب می‌شود.

به اعتقاد کالینز، محققان مجبورند تا چندین سامانه را با هم از میان ارگانیسم‌های گوناگون بیرون بکشند و از این راه به شبکه پیچیده و کامل‌تری دست یابند که توسط یک کاربر واحد، کنترل و راهبری شوند.

با این اوصاف و به اعتقاد محققان حوزه زیست‌شناسی مصنوعی، حسگرهای شیمیایی و زیست محیطی کاربردهای سودمندتری از این آلبوم‌های متشکل از بشقاب‌های پتری آزمایشگاهی خواهند داشت.

در این میان، باکتری‌هایی که می‌توانند حضور و میزان نور یا سایر ترکیبات شیمیایی را ردیابی کنند، با قرار گرفتن در معادن یا دیگر نواحی آلوده می‌توانند برای اهداف مختلفی از جمله کنترل و بررسی وسعت مشکل موجود در محیط به کار گرفته شوند. اما چشم‌انداز گسترده دستاوردهای بالقوه این فناوری در حالی از سوی کارشناسان بیان می‌شود که به گفته محققان متولی این پروژه تا اینجای کار هیچ کاربرد تجاری از نتیجه این تحقیق بیرون نیامده است و بیشتر چارچوبی مفهومی دارد.

اما محققان اکنون و درخصوص گام بعدی تحقیقاتشان از مهندسی ژنتیکی باکتری‌ها با هدف تولید تصاویر رنگی خبر می‌دهند. با اجرای این پروژه جدید و استفاده از باکتری ای. کولی برنامه‌ریزی شده برای تولید 3 رنگ قرمز، سبز و آبی، محققان  امیدوارند از این پس قادر به تولید هر یک از رنگ‌های موجود در طیف رنگین‌کمان باشند.

جایی كه تاكنون پای هیچ انسانی به آن نرسیده است