AZ 
Sual-cavab: Nanotexnologiya, robototexnika və süni intellektlə antibiotik müqavimətinə qarşı mübarizə
Aliyah Kovner, Lourens Berkli Milli Laboratoriyası tərəfindən
Lisa Lock tərəfindən redaktə edilib , Robert Egan tərəfindən nəzərdən keçirilib
Tercih edilən mənbə kimi əlavə edin
Patogen bakteriyaları öldürə bilən faqlar üçün nanotexnologiya əsaslı yüksək məhsuldarlıqlı skrininqi təmsil edən illüstrasiya. Müəllif: Jenny Weger/Berkeley Lab
Təhsili üzrə fizik və hazırda Molekulyar Tökmə Zavodunda Nano İstehsalat Müəssisəsinin müvəqqəti direktoru olan Aeron Tayns Hammak dünyanı daha yaxşı anlamaq və problemləri həll etmək üçün nanoskallı obyektlərlə işləməyi sevir, lakin özünü yalnız bir kateqoriya kiçik şeylərlə məhdudlaşdırmır. O, kvant kompüterləri və yoluxucu xəstəliklərlə mübarizə aparmaq üçün virus terapiyaları üçün kubitlərin hazırlanmasına kömək edir.
Bu fərqli maraqlar, kiçik nümunələrdən minlərlə potensial namizədi sınaqdan keçirə və hansının bir tapşırığa ən uyğun olduğunu müəyyən edə bilən avtomatlaşdırılmış eksperimental alətlərə ehtiyacla birləşir. Bu alətlər, perspektivli kvant xüsusiyyətlərinə malik yeni tip yarımkeçirici lövhə, yoxsa antibiotikə davamlı patogeni məhv edə bilən bakteriofaq ştammı (bakteriyaları yoluxduran viruslar sinfi) olsun.
Hammack hazırda DOE Elm Ofisinin istifadəçi müəssisəsi olan Molecular Foundry-də kvant informasiya elmləri (QIS) klaster alətindən istifadə edərək, hansı materialların və struktur tənzimləmələrin ən yaxşı Josephson qovşaqlarını (ultra nazik izolyasiya təbəqəsi ilə ayrılmış iki superkeçiricidən ibarət sendviçlər) istehsal etdiyini araşdırır. Klaster aləti qabaqcıl robototexnika və süni intellekt alətlərini birləşdirərək Josephson qovşaq namizədlərini sürətlə dizayn edir, istehsal edir və sınaqdan keçirir, ənənəvi materialların tədqiqat və inkişafının sınaq və səhv boru kəmərini əhəmiyyətli dərəcədə sürətləndirir.
Bu arada, biotexnologiya şirkəti Locus Biosciences, Hammack-ın icad etməsinə kömək etdiyi yüksək məhsuldarlıqlı skrininq prosesi ilə hazırlanmış bakteriofaq əsaslı müalicəni qiymətləndirmək üçün klinik sınaqlar keçirir.
https://www.youtube.com/embed/5sbi03-Sgt0?color=whiteFazalı kontrast mikroskopiya ilə çəkilmiş bu zaman fasiləsi videosunda patogen E. coli bakteriyalarının həmin ştammı dəqiq hədəf almaq üçün təkamül keçirmiş faqlar tərəfindən öldürüldüyü göstərilir. Mavi dairələr faq aktivliyinin bakteriya hüceyrəsinin membranının partlamasına səbəb olaraq onu öldürdüyü anı əks etdirir. Hammak və həmkarları tərəfindən hazırlanmış sadələşdirilmiş proses yoluxucu bir bakteriyanı hədəf almaq üçün düzgün faqın tapılması prosesini xeyli sürətləndirir. Müəllif: Erya Dordi və Quentin Lamy-Besnier
Nature Communications jurnalında dərc olunmuş bu yaxınlarda dərc olunmuş bir məqalədə onun Nik Konli ilə birlikdə qurduğu biotexnologiya şirkəti olan EpiBiome-da qurduğu və Locus Biosciences-dəki tədqiqatçılar tərəfindən tam istehsal miqyasına gətirilmiş avtomatlaşdırılmış prosesi təsvir olunur. Hammak, tibbi tədqiqat və inkişaf sahəsindəki fəaliyyətinin təməlini qoyduğu Molecular Foundry-dəki postdoktorluq işinin hesabına yazılmışdır.
Kvant fizikası, biologiya və nanotexnologiya dünyasının Berkli Laboratoriyasında inanılmaz dərəcədə gözlənilməz şəkildə necə bir araya gəldiyini öyrənmək üçün Hammack ilə danışdıq.
Əvvəlcə faq tədqiqatlarınız haqqında danışın. Bu tibb sahəsi sizə nəyi xatırlatdı?
Faq terapiyası əslində kiçik molekullu antibiotiklərdən daha əvvəl mövcud olmuşdur. Bakteriofaqlar penisilindən on ildən çox əvvəl, 1915-1917-ci illər arasında kəşf edilmişdir. Sovet alimləri infeksiyalar üçün faq terapiyaları hazırlamaq üçün bir neçə onilliklər ərzində çalışmışlar, lakin onlar faqların hədəf bakteriyaların çox dar spektrinə malik olduğunu aşkar etmişlər – bir faq hətta bütün bir bakteriya növünü deyil, müəyyən ştammların bir alt qrupunu öldürür. Beləliklə, tək, sadə E. coli infeksiyası üçün geniş fəaliyyət spektrini əhatə etmək üçün dörd-altı fərqli faq qəbul etməlisiniz.
Əlbəttə ki, Qərbi Avropada hazırlanmış, hazırda istifadə etdiyimiz antibiotiklər geniş spektrli təsirə malikdir və bu, tibbin vacib bir hissəsidir. Əgər kimsə təcili yardım şöbəsinə daxil olarsa və şübhəli bakterial infeksiya ilə pis vəziyyətdə olarsa, həkimlər bilirlər ki, onlar rəfdə olan bu dərmanı istifadə edə bilərlər. Bu dərman E. coli, Klebsiella, Staph aureus… insanlarda sağlamlıq problemlərinə səbəb olduğunu bildiyimiz bir çox müxtəlif şeyləri öldürəcək və diaqnostik kulturalar saatlarla günlər sonra geri qayıtmazdan əvvəl xəstəyə kömək edə bilər.Hammack, Penke və Locus Biosciences şirkətinin alimləri tərəfindən hazırlanmış robotlaşdırılmış, yüksək məhsuldarlığa malik faq skrininq laboratoriyası. Mənbə: EpiBiome və Locus Biosciences
Faq terapiyasının spektrinin darlığı həmişə çətinlik yaradıb, lakin ən böyük faydası odur ki, E. coli üçün faq müdaxiləsi Staph aureus-da antimikrob müqavimətinə səbəb olmayacaq. Hərbi metaforalardan istifadə etsək, bu, qumbara əvəzinə snayperlərdir. Və beləliklə, bu, yüz illik bir texnologiyadır – niyə onu indi geri qaytarırıq? İndi diaqnostikamızda dəqiqliyə sahibik. Müasir ardıcıllıq texnologiyamız və patogenləri müəyyən etmək üçün sürətli dönüşümüz var.
Gələcəyə olan ümidimiz, əsas arzumuz, təcili yardım şöbəsinə gəlməyiniz və diaqnostikanın o qədər həssas və dəqiq olmasıdır ki, onlar əslində sizə üçbucaqlı siqnal göndərərək problemlərinizi hansı patogenlərin yaratdığına dair məlumat verirlər və sonra mikrofluidika ilə işləyən faq dispanseri – əsasən faqların inkjet printeri – tərəfindən lazımi miqdarda faqla müalicə oluna bilərsiniz.
Hətta bir çox müxtəlif faqları qarışdırmaqla geniş spektrli müalicələrə hələ də sahib ola bilərik. Və bu, diaqnostikadakı irəliləyişlər və elmi ictimaiyyət üçün müvafiq faqları kataloqlaşdıran Phage Foundry [Berkeley Laboratoriyasının rəhbərlik etdiyi çoxtəşkilati səy] kimi layihələr sayəsində mümkün ola bilər.
Bu, dəqiq tibbə imkan verə və bəşəriyyət üçün böyük və artan təhlükə olan antibiotik müqavimətinin tempini əhəmiyyətli dərəcədə yavaşlatmaq üçün bir vasitə təmin edə bilər.
Gündəlik məlumat üçün Phys.org-a etibar edən 100.000-dən çox abunəçi ilə elm, texnologiya və kosmosdakı ən son yenilikləri kəşf edin . Pulsuz bülletenimizə abunə olun və vacib olan nailiyyətlər, innovasiyalar və tədqiqatlar haqqında gündəlik və ya həftəlik yeniliklərdən xəbərdar olun .
Kondensasiya olunmuş maddə fizikası üzrə doktorluq dərəcəsi aldıqdan sonra ora necə gəldiniz?
Məni bu tədqiqatı davam etdirməyə Tökmə Zavodunda oradakı kombinatorial kimya sistemləri ilə tanışlığım ilhamlandırdı. O dövrdə onlar maye ilə işləyən robot texnikasından istifadə edərək yüksək məhsuldarlıq miqyasında nanopartikullar hazırlayır, sonra isə onların xüsusiyyətlərini öyrənmək üçün spektroskopiya ilə təhlil edirdilər. Bu, Tökmə Zavodunun ilkin kəşf imkanlarından biri idi — bundan əvvəl nanopartikul sintezi əllər, pipetlər və flakonlarla yerinə yetirilən kifayət qədər xüsusi hazırlanmış, zəhmətli bir proses idi.
Nik və mən sərt disk sənayesində işləyirdik, amma qərara gəldik ki, antibiotik müqaviməti informasiya saxlama sıxlığından, sərt diskləri kiçiltməkdən daha böyük bir problemdir. Və düşündüm ki, niyə eyni üsulları yoluxucu xəstəlik probleminə tətbiq etməyək? Günün sonunda, faq sadəcə bioloji yolla əldə edilmiş nanohissəcikdir. Mən də Foundry-nin nanoscience-i geniş miqyasda etdiyi kimi biologiya ilə geniş miqyasda məşğul olmaq istəyirdim.
Beləliklə, 10 il ərzində robototexnika və maşın öyrənməsindən istifadə edərək minlərlə bakteriofaqı hədəf bakteriyalara qarşı yoxlaya bilən bütöv bir boru kəməri hazırlamaq üzərində çalışdıq . Avtomatlaşdırılmış maşınlarımız mikrob və faqlardan nümunələr götürür və onları kiçik bir maye mühitə yerləşdirir, sonra koloniyaların sayı və optik sıxlıq analizləri üçün mikroskopiyadan istifadə edərək faqın mikrobları öldürüb-öldürmədiyini müəyyən edir. Əgər bakteriya kulturanız varsa, o, işığı bloklayana qədər böyüyəcək və onu öldürə bilən bir faq yerləşdirsəniz, bakteriya hüceyrələri lizis edəcək – açılacaq və nümunə şəffaf olacaq.
Beləliklə, optik sıxlığı ölçmək üçün mikroskopiya və spektroskopiya faq-sahib qarşılıqlı təsirləri haqqında çox aydın ipuçları verir və koloniyaların sayılması mikrobların canlılığını qiymətləndirmək üçün qızıl standartdır. Mən həmçinin bu nəticələri tez bir zamanda emal etmək üçün kompüter görmə proqramı (bir növ süni intellekt) yaratdım ki, bu da əvvəllər əl ilə və gözlə edilirdi! Hansı nümunənin effektiv faqları ehtiva etdiyini bildikdən sonra, sadəcə məzmunu ardıcıllıqla sıralayırsınız və ştammları müəyyən edirsiniz.
Daha sonra şirkətimiz EpiBiome Locus tərəfindən satın alındı. Taylor Penke və Locus-dakı digər alimlər boru kəmərini təkmilləşdirməyə və miqyaslandırmağa kömək etdilər. İndi Locus-un klinik sınaqlarda olan bir məhsulu var, bu məhsul bu prosesdən istifadə edərək hazırlanmış və illərlə faj-mikrob tədqiqatımızdan əldə etdiyimiz kəşflərə əsaslanır.
Düşünürəm ki, klinik cəhətdən təsdiqlənmiş sınaqlarda faq terapiyası sahəsində rəsmi olaraq hər hansı digər şirkətdən daha irəliyə getdik. Və əldə etdiyim özəl sənaye uğurlarının heç birinin DOE miqyaslı tədqiqat səylərinin təməli üzərində qurulduğunu kifayət qədər qətiyyətlə deyə bilmərəm.
Sənaye nadir hallarda bir şey hazırlamazdan əvvəl əsas elm prinsiplərini başa düşmək üçün lazım olan 10 və ya 20 illik tədqiqat təşəbbüslərini maliyyələşdirmək istəyir. ABŞ-ın əsas elm tədqiqatlarına maliyyələşdirməsi iqtisadiyyatımızı hərəkətə gətirir və əczaçılıq şirkətlərinin effektiv yeni məhsullar təqdim etməsi kimi tətbiqi elm uğur hekayələrinə gətirib çıxarır.
Bu ilk məhsul nəyi müalicə edəcək?
Sidik yolları infeksiyalarına diqqət yetirdik, çünki onlar antibiotik istifadəsi üçün ümumi bir göstərişdir, buna görə də alternativ müalicənin tətbiqi antibiotik reseptlərini dərhal azaltmaq və antibiotik müqavimətini yavaşlatmaq üçün əla bir yoldur. Çox sayda faq toplamaq üçün çirkab suları müəssisələri ilə əməkdaşlıq etdik və əksər sidik yolları infeksiyalarından məsul olan həzm sistemlərində tapılan E. coli alt növü olan 1700-dən çox uropatogen E. coli (UPEC) ştammının nümunələrini əldə etdik. Bunlardan test panelimiz üçün 356-nı seçdik. Bütün bu ştammlar ABŞ-dakı faktiki xəstələrdən təcrid olunmuş və 29%-i çoxdərmanlara davamlı idi.
Tam avtomatlaşdırılmış proseslərimiz ən yaxşı kokteyli tapmaq üçün 2,5 milyon müxtəlif faq-sahib kombinasiyasını sınaqdan keçirməyə imkan verdi. Nəticədə alınan dərman namizədi altı faqın qarışığıdır. Bəziləri hələ də vəhşi tipdir və müəyyən etdiyimiz bəziləri E. coli-yə qarşı daha güclü olmaq üçün hazırlanmışdır. Locus Biosciences tərəfindən aparılan laboratoriya sınaqlarında kokteyl 356 ştamma qarşı 96,4% təsirli idi və 1-ci Faza klinik sınaqlarında təklifedici effektivlik göstəriciləri ilə güclü təhlükəsizlik siqnalı nümayiş etdirdi.
İndi Berkeley Laboratoriyasına qayıtmısınız və kvant materialları üçün kəşfləri avtomatlaşdırmaq üzərində işləyirsiniz, eyni zamanda biologiya üzərində də işləyirsiniz?
Bəli, hazırda etməyə çalışdığım şey, maraqlandığınız şeyin yalnız ən kiçik nümunəsinə – bir hissəciyinə ehtiyac duyacağınız qədər həssas olan ” tək hissəcikli analizlər ” adlanan testlər hazırlamaqdır. Çünki bir faqın bakteriyaları öldürüb-öldürmədiyini bilmək üçün əslində 100 mikrolitrlik reaksiya həcmini tam olaraq ölçməyə ehtiyac yoxdur. Sizə lazım olan tək şey, yüksək statistik ehtimalı olan lizis hadisəsinin olduğunu göstərmək üçün fazalı kontrastlı mikroqrafa və ya flüoresan etiketli mikroqrafa sahib olmaq və ya lizis hadisələrini aşkar etmək üçün tək hüceyrəli sensor metoduna sahib olmaqdır. Beləliklə, burada tədqiqatım məhz buna yönəlib.
Mən Molekulyar Tökmə Zavodunda mikrofluidika və nanofluidika fabriki işlədirəm və sərt disk sənayesində istifadə edilənlər kimi nanomiqyaslı maqnit sensorlarından və nanomiqyaslı plazmonik antenalardan necə istifadə edəcəyimi anlamağa çalışıram. Bu sensorlar antikor və ya flüoresan etiket molekullarından, çoxlu pipet və kiçik quyu lövhələrindən istifadə edən biologiya əsaslı metodlara alternativ təklif edə bilər.
Atom çözünürlüğü biologiyasını edə bilmək üçün tək bir molekulu, məsələn, tək bir nukleotid, amin turşusu və ya şəkəri aşkarlaya biləcək sensorlar üzərində işləməyə çalışıram. Və bu, çox çətindir! Yəqin ki, 10 il çəkəcək, amma bunun bir çox tətbiqi olacaq, məsələn, xərçəngin erkən aşkarlanması.
[Bazarda] mövcud analizlər nümunədəki az sayda molekul üçün belə çox həssasdır, lakin yol boyu itirdiyiniz şey molekulun haradan gəldiyini dəqiq bilməkdir. Bu bioloji üsullar [məsələn, PCR] samanlıqdan iynə çıxarmaq üçün maqnitdən istifadə etmək kimidir. Siz onu tapdınız, bəs harada idi?
Prosesimiz, hamiləlik testləri kimi təsdiqlənmiş texnologiyalarda artıq istifadə olunan plazmonik sensorlardan və elektronların dalğa funksiyası xarakterindən istifadə edən tunel qovşağı sensorlarından istifadə edərək, tək bir hüceyrədə və ya virus hissəciyində müəyyən bir molekulun mənbəyini göstərir. Bu çatışmayan məlumat bizə xəstəlik və onun necə inkişaf etməsi haqqında daha çox məlumat verəcəkdir.
Məsələn, bu texnologiya mədəaltı vəzi xərçəngi hüceyrələri tərəfindən istehsal olunan yeni kəşf edilmiş bir zülalı öyrənmək üçün istifadə edilə bilər ki, bu da potensial olaraq daha erkən aşkarlanmaya və erkən mərhələdə xəstəliyin daha yaxşı başa düşülməsinə imkan verir.
Digər üstünlüyü ondan ibarətdir ki, tək molekullardan məlumat ötürmək üçün bu yüksək həssas antenaları yaratmaqla, etiketsiz diaqnostika adlanan bir üsulu tətbiq etməyə ümid edirik. Bu üsulla öyrəndiyiniz hüceyrənin davranışına potensial olaraq müdaxilə edən heç bir etiketləmə molekuluna, ləkəyə və ya digər məhsullara ehtiyacınız yoxdur. Hüceyrəyə və ya virusa təbii vəziyyətində baxırsınız, halbuki o, bioloji status haqqında məlumat ötürən elektronika və ya optik antenalara yaxındır.
Laboratoriyadakı digər tədqiqatçılarla birlikdə faqlar üzərində işləməyə davam edirsinizmi?
Bəli, Phage Foundry möhtəşəmdir. Vivek [Mutalik] və komanda kommersiyalaşdırma gündəliyi olmadan faqlarda həqiqətən maraqlı fundamental elm problemləri üzərində işləyirlər. Onlar yaxşı xarakterizə olunmuş faqların biobankını , reseptor istifadəsi [faqların bakteriya hüceyrələrinə daxil olmaq üçün istifadə etdiyi reseptorlar], gen əsaslılığı və müxtəlif ştammlar üzərində faqın effektivliyini və faqların mikrobiomlara necə təsir etdiyini proqnozlaşdıran süni intellekt/ML iş axınlarını özündə birləşdirən faq məlumat vərəqlərini qururlar.
Faqlar və digər qruplar üzərində tədqiqatlarımı davam etdirmək üçün inanılmaz bir mənbədir, çünki xoşbəxtlikdən, faq terapiyaları inkişaf etdirən başqa insanlar da var. Əgər mən və ya başqası antibiotik terapiyası ilə əlaqəli faqları öyrənmək istəsək, bu ictimai faq anbarına müraciət edə bilərik və bu, böyük bir üstünlükdür, çünki EpiBiome və Locus-da etdiyimiz kimi faqların böyüməsi və skrininq səylərini qurmaq çox, çox bahalı və çətindir.
Nəşr detalları
Taylor JR Penke və digərləri, Terapevtik faj kokteyllərinin inkişafı üçün robototexnika və kompüter görmə qabiliyyətindən istifadə edən yüksək məhsuldarlıqlı metodlar, Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-68684-x
Jurnal məlumatları: Nature Communications
Əsas anlayışlar
viruslarvirusologiyaNeyrologiya, neyron hesablama və süni intellektNanostrukturlarOptik texnikalar
Lourens Berkli Milli Laboratoriyası tərəfindən təmin edilib Bu hekayənin arxasında kim dayanır?
Lisa Lock
İncəsənət tarixi bakalavr, maddi mədəniyyət magistri. Keçmiş muzey redaktoru, paramedik və transplantasiya koordinatoru. 2021-ci ildən Science X üçün redaktorluq edir. Tam profil →
Robert Egan
Riyazi biologiya üzrə bakalavr, yaradıcı yazı üzrə magistr dərəcəsi. Elm və dilə dair unikal perspektivləri olan səyahətlər. Tam profil →
Daha ətraflı araşdırın
