آفریدگانی خرد، ساختارهایی کلان

آفریدگانی خرد، ساختارهایی کلان

احمد شمّاع زاده

سعدی شیرازی:

برگ درختان سبز در نظر هوشیار     هر ورقش دفتری است معرفت کردگار

چندین قرن از این گفته سعدی می گذرد. ببینیم دفتر هوشیاران این روزگار، چه شناخت‌هایی را به رشته پژوهش کشیده‌اند:

الهام از صدف نرم‌تنان برای طراحی

«اقیانوس‌ها محیط خطرناکی برای موجودات زندة نرم‌تن نظیر حلزون دریایی هستند، اما چنین محیطی سبب پیدایش یک سیستم دفاعی نانوساختار پیشرفته در سطح بدن این موجودات شده که سفت و محکم و در عین حال سبک هستند؛ و به نام صدف معروفند. درک اصول اساسی طراحی چنین سیستم زرهی طبیعی می‌تواند به مهندسان و طراحان در طراحی پوشش‌های سخت پیشرفته کمک‌کند».

«هم‌اکنون در MIT محققان در حال مطالعة ساختار و مکانیک لایة سخت نانومتری درونی صدف نرم‌تنان هستند… صدف از 95 درصد کربنات کلسیم که یک سرامیک شکننده است و پنج‌ درصد بیوپلیمر انعطاف‌پذیر که مواد نسبتاً ضعیف هستند، تشکیل شده است. این مواد به صورت یک ساختار خشت‌وملات با انباشته‌شدن میلیون‌ها صفحة سرامیک به اندازة چند هزار نانومتر برروی همدیگر تشکیل‌شده‌اند. هر لایه از صفحات به وسیلة لایة نازکی از بیوپلیمر مذکور به هم می‌چسبند…»

«با جایگزین‌کردن قطعات ضعیف ساختمان صدف با مواد محکمتر می‌توان کامپوزیت‌های بسیار سفت و محکم برای استفاده در پوشش‌های زرهی با کاربردهای ساختاری، مانند پانل‌های خودروها یا بال هواپیما به‌دست‌آورد. این تیم پژوهشی مطالعات تجربی خود را با تصویربرداری از صفحات نازک بریده‌شده از صدف یک نوع حلزون دریایی با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) آغازکردند. تصاویر به‌دست‌آمده، برامدگی‌هایی را در مقیاس نانو با سطح صاف و هموار به همراه مولکول‌های بیوپلیمری با ارتفاع یک نانومتر که به آنها متصل بودند نشان‌می‌دهد».

«لایه‌های صدف به منظور تشکیل یک ساختار محکم از دو مادة ضعیف توسط بیوپلیمرها، به همدیگر می‌چسبند… این تیم هم اکنون در حال مطالعة نیروی چسبندگی بین صفحات سرامیکی و بیوپلیمر انطاف‌پذیر در مقیاس نانو، و همچنین خواص نانومکانیک مولکول‌های منفرد بیوپلیمر هستند».(شرق: 26/7/84)

این اولین یا چندمین باری نیست که ظاهراً ناچیزترین و بی‌اهمیت‌ترین آفریدگان خداوند چنین ‹نشانه‌های› شگفت‌انگیزی را از خود بروزمی‌دهند و الگویی برای اندیشمندان و رایمندان می‌شوند. همین یکی دو سال پیش در خبرها آمده‌بود که سازندگان ربات‌ها دریافته‌اند بهترین الگوی حرکتی یک ربات، پاهای ظریف با اندازه‌ها و طرح دقیق سوسک‌هاست؛ و اکنون نوشته‌ای دیگر در این راستا:

بهره‌گیری از پوسته حشرات در تجهیزات نظامی

«پژوهشگران دانشگاه ‹کانزاس› آمریکا موفق به شناسایی ژنی شدند که سختی پوستة بدن حشراتی از قبیل سوسک را موجب ‌می‌شود. از دهة 1940 پژوهشگران در حال بررسی آنزیم‌هایی بودند که موجب سخت‌شدن پوستة سوسک‌ها می‌شود. در آخرین بررسی‌های انحام‌شده، مشخص‌شد آنزیمی به نام ‹لاساس2›، سختی پوستة این حشرات را برعهده‌دارد. به گفتة محققان پوستة بدن سوسک‌ها در ابتدا نرم است، اما با گذشت زمان رفته‌رفته با حفظ برّاقی و انعطاف‌پذیری حالت محکم‌تری به خود می‌گیرد. بنابر اعلام پایگاه ملی داده‌های علوم زمین، این پژوهشگران هم اکنون مشغول بررسی فرایندهایی هستند که موجب این تغییرا ت است. نتایج به‌دست‌آمده در تولید نسل جدیدی از تجهیزات نظامی از قبیل هواپیما به‌کارخواهدرفت».

(شرق: 6/6/84)

الهام از نحوة عمل مورچه‌ها در تعمیر فضاپیما

«پژوهشگران سازمان ملی تحقیقات فضائی استرالیا با همکاری کارشناسان سازمان فضانوردی آمریکا (ناسا) سرگرم تکمیل طرحی هستند که هدف آن طراحی بدنة جدیدی برای فضاپیماهایی است که می‌تواند به طور خودکار آسیب‌هایی را که در اثر برخورد با زباله‌های فضائی به‌وجودمی‌آید ارزیابی کند. اندیشة اصلی این طرح با الهام از نحوة عمل مورچه‌ها شکل گرفته‌است، و نخستین گام در زمینة ساخت فضاپیماهایی به شمارمی‌آید که از توانایی تعمیر خود برخوردارند… پژوهشگران استرالیایی و آمریکایی تاکنون طرحی برای پوستة بیرونی فضاپیماهای جدید طراحی و تکمیل‌کرده‌اند که که از 192 سلول مجزا تشکیل‌شده‌است. در زیر هر سلول یک سنجنده وجوددارد که اثر ضربه و برخورد ذرات و اشیاء را مشخص‌می‌کند و یک پردازنده‌ الکترونیک که مجهز به الگوریتم یا نرم‌افزاری است که به سلول اجازه‌می‌دهد اطلاعات دریافتی را به سلول‌های مجاور انتقال‌دهد. این نحوة عمل سلول‌های پوسته جدید مشابه نحوة عمل مورچه‌ها در هدایت هم لانه‌های خود به سمت منابع غذایی یا به سوی لانه است… هدف نهای ناسا طراحی و تولید فضاپیماهای موسوم به ‹فضاپیماهای کهنه‌نشدنی› است که قادرند صدمات را شناسیایی ، ارزیابی و تعمیر کنند».(شرق: 26/6/84)           

یاداوری: این خبر مربوط به شهریورماه 84 است؛ ولی در بهمن ماه همین سال در خبرها اعلام‌شد که چنین طرحی به اجرا د‌رامده‌است.

مگس؛ حشره کثیفی که ممکن است به درد ما بخورد!

دانشمندان نقشه کامل سلسله ژن های مگس را تهیه کرده اند و می گویند این دستاورد می تواند به کشف درمان های تازه برای بیماری های انسانی کمک کند.

مگس می تواند حامل حدود ۱۰۰ نوع بیماری از جمله یک نوع بیماری عامل کوری باشد.

تیم محققان در دانشگاه کورنل آمریکا میگویند با مقایسه دی ان ای مگس خانگی با مگس میوه توانسته اند ژنهایی که مگس خانگی را در برابر بیماریهایی که ناقل آنهاست مصون میکند شناسایی کنند. آنان همچنین یک کد ژنتیکی منحصر به فرد را که به مگس کمک میکند فضولاتی مانند مدفوع را تجزیه کند کشف کرده اند.

دکتر جف اسکات و همکارانش از کورنل به نشریه "ژنوم بیولوژی" گفتند که اطلاعات مربوط به این ژنها میتواند برای دفع آلودگیهای انسانی و بهبود محیط زیست به ما کمک کند.

مگسهای خانگی در انتقال بیماری نقش فوق العاده ای دارند. آنها مرتبا با لاشه حیوانات، زباله و سایر مواد آلوده آکنده از باکتری، ویروس و دیگر منابع بیماری در تماسند. مگس ها هم از بسیاری از غذاهایی که ما میخوریم تغذیه میکنند و چون چابک هستند فرصت زیادی برای تغذیه از خوراکیهای خانگی دارند. به عقیده کارشناسان تغذیه آنها از مواد مایع یا نیمه مایع - مثل مدفوع - تغذیه میکنند و همین دلیل اصلی حمل این همه عامل بیماری زا توسط مگسهاست.

تغذیه بی وقفه مگسها به این معنی است که مدفوع زیادی تولید میکنند و هرجا بیش از چند ثانیه بنشینند عوامل بیماری زا را هم با مدفوع خود دفع می کنند. اما برخلاف انسان، این زندگی کثیف آنها را مریض نمیکند. دکتر اسکات و تیمش کنجکاو بودند بدانند چرا چنین است و اینکه آیا ممکن است این نقطه قوت را به نفع انسان به کار برد؟

آنها آرایش پایه ژنهای شش مگس ماده را تعیین کردند. حجم اطلاعات گرداوری شده ۶۹۱ مگابایت بود. آنان سپس این داده ها را با ۱۲۳ مگابایت داده های ژنتیکی مگس میوه (Drosophila melanogaster) مقایسه کردند تا دریابند کدام بخش از بخشهای دی ان ای منحصر به مگس خانگی است و باید مورد مطالعه بیشتر قرار گیرد.

مگس خانگی ژنهای ایمنی خیلی بیشتری از مگس میوه داشت و به علاوه ژنهای ایمنی اش خیلی متنوع تر بود - تا ظاهرا بهتر بتواند در برابر عوامل بیماری زایی که حامل آنهاست محافظت شود.

هنگامی که میکروبها کارساز میشوند

پژوهشی دیگر که بدون ترجمه، عنوان بالا را به آن داده ام:

Joint Genome Institute Finishes 100th Microbial Genome

Microbes, thriving in even the world's most extreme environments, are capable of performing myriad biological functions, learned over the billions of years they have inhabited the planet. Those lessons, and how they can be captured to render clean renewable sources of energy and to repair damaged environments, are among the many secrets encoded in their DNA sequence. On May 23, at the general meeting of the American Society of Microbiology (ASM), the U.S. Department of Energy Joint Genome Institute (DOE JGI) will announce that it has finished the sequence of 100 microbial genomes and released this information for the benefit of the global research community.

Saccharophagus degradans 2-40. (formerly Microbulbifer degradans) Ronald Weiner, University of Maryland. Marine microbe degrades and recycles insoluble complex polysaccharides; potential for conversion of complex biomass to energy. (Image courtesy of DOE/Joint Genome Institute)

ASM President Dr. Stanley Maloy, who will touch on DOE JGI's achievement in his President's Forum remarks, said that the 100 microbes represent a rich portfolio of the vast and mostly uncharacterized microbial world. "DNA sequencing has opened a particularly productive vein to mine in exploring and expanding the frontier of microbiology. Especially where, through conventional culture methods, we are unable to shed light on the metabolic profiles of these microorganisms and their environmental implications, DNA sequencing provides us a welcome set of tools."

"The power of DOE JGI sequencing microbes, and other organisms, is that it gives us the complete genomic 'parts list' of those organisms," said Dr. Raymond L. Orbach, Director of the DOE Office of Science. "With this list in hand, we can explore how microbes use these parts to build and run their key functions, many of critical importance to DOE because they can break down plant materials to produce such useful sources of energy as ethanol and hydrogen, and clean up toxic waste sites. We know that microbes can perform these and a multitude of other amazing tasks and with the proper technology we can harness these capabilities."

DOE JGI, a national user facility, has sequenced or is in the process of sequencing over 380 organisms, more than any other institution in the world. DOE JGI averages over 3.1 billion bases or letters of sequence generated per month, or roughly the equivalent of a human genome once over. As microbes range in size from typically five to tens of millions of bases, several microbes could be sequenced in one day. However, the sequencing process, in order to meet rigorous quality standards and to satisfy the demands of the scientific community, is an iterative one, requiring six- to eight-times coverage. The term "finished," associated with the 100 microbial genomes accomplished by DOE JGI, is a technical designation referring to a standard of accuracy established for the Human Genome Project of tolerating no more than one mistake in 50,000 letters of genetic code with no gaps.

The microbes sequenced by DOE JGI, both single-celled and those multi-celled organisms invisible to the naked eye, cross all main branches of the tree of life: Eubacteria, Archaea, and even the Eukaryota, which include microscopic fungi, plants, and animals.

The 100th microbial genome, a project originally proposed by Dr. Kevin Sowers of the Center of Marine Biotechnology at the University of Maryland Biotechnology Institute (UMBI), is Methanosarcina barkeri fusaro, a methane-producing organism that exploits a unique metabolic pathway to do the job. This microbe, while isolated from a freshwater mud sample, also lives in the rumen of cattle where cellulose and other polysaccharides are digested.

"We are delighted that the DOE JGI’s 100th genome is a microorganism that one of our UMBI faculty members has been studying to evaluate its potential for bioremediation and as an alternative energy source," said Dr. Jennie Hunter-Cevera, UMBI President. "By sequencing this and other important organisms, DOE JGI is helping to accelerate biotechnology discovery and innovation."

Microbes are critical micromanagers in the balance of nature. DOE JGI collaborator Dr. Donald A. Bryant, Ernest C. Pollard Professor of Biotechnology and Professor of Biochemistry and Molecular Biology at Penn State University, elaborates.

"Green sulfur bacteria, Chlorobi, are extremely important players in the global cycling of carbon, sulfur, and nitrogen," said Bryant. "Thanks to DOE JGI, the availability of multiple genome sequences for the Chlorobi has turbocharged our functional genomics studies. This has allowed us to make remarkable progress in understanding sulfur and ferrous iron oxidation, carotenoid and chlorophyll biosynthesis, photosynthetic light harvesting, oxygen tolerance, and many other aspects of the physiology and metabolism of the green sulfur bacteria."

The search for microorganisms that can inform solutions to energy and environmental challenges can go to the extremes--the boiling hot pools in Yellowstone National Park, for instance--and lead to new biotechnology products.

"DOE JGI has played an invaluable and otherwise unavailable role in the development of new enzymes for industrial use," said David Mead, President & CEO, of Lucigen Corporation. "The sequence acquisition of DNA from superheated thermal aquifers and other unique sources has resulted in the discovery of a new class of thermostable DNA polymerases and unique thermostable cellulase and hemicellulase enzymes. Without the DOE JGI these valuable molecules would not have made it into the marketplace."

نگارش اول: سال 1385

نگارش دوم: مهر1393

نگارش سوم: خرداد 1395

ویرایش چهارم: آذر 1400

احمد شماع زاده