ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

دراسات لاستخدام الانجذاب الكيميائي الجرثومي على microfluidics -- مقابلة

اسمي رومان ستوكر. أنا أستاذ مساعد في السنة الثانية في مختبر رالف بارسونز ، وهو جزء من قسم الهندسة المدنية والبيئية هنا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. أنا في الأصل من إيطاليا ودرست ميكانيكا الموائع.لذلك فإن خلفيتي أكثر في العلوم الفيزيائية ، ولكن في العامين الماضيين ، الثلاث سنوات في الواقع ، انتقلت أكثر إلى الموضوعات البيئية والبيولوجية. قبل عامين ، بدأت في تطوير الموائع الدقيقة للنظر في المشكلات في البيئة الميكروبية وباستخدام هذه الأجهزة الدقيقة ، نحن قادرون على تطوير أسئلة بيئية نموذجية للأشياء على مقاييس الميكرون. يهتم عملنا في المقام الأول بالكائنات الحية ، تلك التي يمكنها السباحة في المحيط وتتبع مصادر طعامها.على وجه الخصوص ، طورت البكتيريا طرقا ذكية جدا للسباحة ، ولدي عرض صغير هنا. الرأس البكتيري هو إلى حد كبير بيضاوي الشكل. تتخيل أن هذا يبلغ حجمه حوالي ميكرونين.في الجزء الخلفي من البكتيريا ، يوجد سوط واحد أو أكثر. هذه السوط عبارة عن هياكل حلزونية يمكن أن تتعفن البكتيريا وتدورها. ينتج هذا الدوران المحترف الثقة التي تسمح للبكتيريا بالسباحة إلى الأمام بالفعل.هناك طرق مختلفة تقوم بها البكتيريا بذلك بالفعل ، وهناك استراتيجيات مختلفة للسباحة وهي جزء مما يهتم به بحثنا. السبب في أن البكتيريا تسبح في المحيط هو أن تكون قادرة على استغلال مصادر العناصر الغذائية بشكل أفضل ، وهذا جزء من نقلة نوعية حدثت على مدار ال 15 أو 20 عاما الماضية. قبل ذلك ، اعتاد الناس على الاعتقاد بأن المحيط كان حساءا متجانسا من العناصر الغذائية بمقاييس من الأمتار وحتى عشرات الأمتار ، وفي تلك الصورة للمحيط ، تم تعليم هذه الكائنات الحية الصغيرة مثل البكتيريا ألا تلعب أي دور كبير وكانت في الحقيقة متجهة بشكل سلبي من خلال الحدوث المحيطي.لكن قبل 10 أو 15 عاما ، أدرك الناس أن هذا ليس ما يحدث في المحيط وأن هذه الكائنات الحية الصغيرة هي في الواقع من بين أهم اللاعبين في تحديد صحة المحيطات وبالتالي حتى أشياء مثل مناخنا العالمي. هذا لسببين. السبب الأول هو أنها تحدث في كل مكان في المحيط وأن كتلتها الحيوية التراكمية تتجاوز بكثير تلك الموجودة في جميع الكائنات البحرية الأخرى.السبب الثاني ، وربما السبب الأساسي ، هو أن هذه الكائنات الحية الصغيرة الحجم من خلال استخدام مصادر المغذيات وخاصة الكربون ، يمكنها إعادة تدوير العناصر الغذائية لمكونات أخرى من الشبكة الغذائية وبالتالي تكثيف الجوانب الأخرى وأجزاء أخرى من السلسلة الغذائية في المحيط بشكل كبير. في كل هذا ، يركز عملنا بشكل أساسي على التفاعل بين الكائنات الحية المسبحة والبقع الغذائية. البكتيريا ليست قادرة على السباحة فحسب ، بل إنها قادرة أيضا على استشعار اكتشاف تدرجات المغذيات.أي أنهم قادرون على معرفة متى تتحسن الحياة والسباحة لتدرجات العناصر الغذائية. يفعلون ذلك في عملية تعرف باسم الانجذاب الكيميائي. صحيح. الضرائب الكيماوية هي القدرة على استشعار التدرج الكيميائي والسباحة إلى المنزل عليه.هذا هو حقا ما ندرسه في المختبر والموائع الدقيقة هي أداة تسمح لنا باستكشاف القدرات الكيميائية والسباحة للبكتيريا وبالتالي استقراء دورها وتوسيع نطاقها لتحديد مدى أهميتها في تحديد صحة المحيط. في العام ونصف العام الماضيين ، أنشأنا أجهزة صغيرة تسمح لنا بتعريض البكتيريا لأنواع مختلفة من الظروف التي تجدها عادة في المحيط. كما قلت سابقا ، بقع المغذيات النموذجية ، ولكن أيضا على سبيل المثال ، الاضطراب.ما وجدناه حتى الآن هو أن البكتيريا البحرية يبدو أنها تكيفت بكفاءة عالية لاستغلال هذه البقع الغذائية وتكون قادرة على مواجهتها من خلال السباحة في مجموعة كبيرة ومتنوعة من ظروف الاضطراب في المحيط مما يجعلها مناسبة تماما للبقاء على قيد الحياة في المحيط ، والذي عادة ما يكون صحراء من العناصر الغذائية من وجهة نظرهم والتي توجد فيها العناصر الغذائية فقط في المناطق المتناثرة و بقع نادرة جدا في عمود مائي ثلاثي الأبعاد ، وفي نفس الوقت تكون قادرة على السباحة ، لمحاربة الاضطرابات ، وبالتالي لا تزال قادرة على تتبع الأطعمة المغذية حتى عندما تتحرك المياه من حولها بعنف. مبادرة نظام الأرض هي مبادرة مثيرة للاهتمام للغاية وتجمع مجموعة متنوعة من الأشخاص من مختلف التخصصات ، وجميعهم مهتمون بفهم أفضل لكيفية عمل كوكبنا بالفعل. باختصار ، هدف مبادرة نظام الأرض هو محاولة فعل الشيء نفسه لكوكب الأرض كما نفعل بالفعل ونفعل منذ فترة طويلة.بالنسبة لجسم الإنسان الذي يفهم صحته ، فإن فهم صحة الكوكب هذه الأيام مهم بشكل خاص بسبب مخاوف الاحتباس الحراري ، على سبيل المثال ، وغازات الاحتباس الحراري والعديد من الجهود المبذولة في إطار مبادرة نظام الأرض موجهة نحو فهم صحة الكوكب بشكل أفضل. يتناسب عملنا مع ذلك من خلال النظر إلى أحد مكونات دورة الكربون في المحيط. نحاول أن نفهم على وجه الخصوص كيف يمكن للكائنات الحية الصغيرة ، كما ذكرت سابقا ، البكتيريا التي تسبح على وجه الخصوص أن تؤثر على هذه الدورات واسعة النطاق ، والتي لها تداعيات على دورة الكربون العالمية في المحيطات وبالتالي على دورة الكربون العالمية في جميع أنحاء العالم ، بما في ذلك الغلاف الجوي.كل عملنا حتى الآن في هذا المجال قد تم السماح به وتشغيله بالفعل من خلال تقدم تكنولوجي رئيسي واحد ، وهو الموائع الدقيقة. في السنوات العشر الماضية ، تم تطوير الموائع الدقيقة إلى أداة مثيرة للاهتمام ورائعة حقا على وجه الخصوص في منطقة بوسطن كامبريدج. منشئ تقنية الموائع الدقيقة في شكلها الحالي هو البروفيسور جورج وايتسايدز في جامعة هارفارد الذي قدم عملية الطباعة الحجرية الناعمة واستخدام PDMS لتصنيع الأجهزة الدقيقة.منذ ذلك الحين ، نما تطبيق الموائع الدقيقة بشكل كبير في مجموعة كاملة من المجالات. من الهندسة الكيميائية إلى العلوم الصحية ، بدأنا في تطبيقها على البيئة الميكروبية ومعالجة بعض هذه المشاكل الصغيرة في المحيط فيما يتعلق بسباحة الكائنات الحية الدقيقة. باختصار ، من الصعب ، إن لم يكن من المستحيل دراسة هذه العمليات مباشرة في المحيط بسبب مقاييسها الصغيرة وبسبب التباين الذي يقدمه المحيط بالضرورة ، ما زلنا غير قادرين على تصور البكتيريا التي يبلغ حجمها حوالي ميكرون ، مباشرة في الموقع في المحيط ، وفي نفس الوقت ، لقد حاول الناس نمذجة هذه العمليات ، على سبيل المثال ، عدديا أو نظريا ، ولكن نظرا لأن هذا علم الأحياء ، عليك بالضرورة الاعتماد على الافتراضات.على سبيل المثال ، سيتعين عليك وضع افتراضات حول استراتيجية السباحة للبكتيريا أو استراتيجية التاكسي الكيميائي للبكتيريا ، وبالتالي هناك حاجة إلى تجارب حقيقية لإحراز تقدم في هذا المجال. تسمح لنا الموائع الدقيقة بأخذ مناطق صغيرة وأجزاء صغيرة من المحيط إلى المختبر ، وفي نفس الوقت تعرض البكتيريا والكائنات الحية الدقيقة لظروف بيئية واقعية ، سواء من حيث العناصر الغذائية أو من حيث التدفقات. في الوقت نفسه ، باستخدام الفحص المجهري بالفيديو وتتبع الخلايا ، يمكننا دراسة سلوك البكتيريا الفردية بطريقة خاضعة للرقابة بعناية فائقة تسمح لنا بإحراز تقدم في هذه الأسئلة بطريقة لم تكن ممكنة منذ حوالي 10 سنوات ، وكل ذلك يرجع إلى التقدم التكنولوجي ، على وجه التحديد الأحكام الصغيرة.هناك تحديان رئيسيان أمامنا في هذا المجال. الأول ، كما ذكرت سابقا ، هو أن تكون قادرا في مرحلة ما على نقل هذه الأسئلة إلى المحيط. السبب في أن المرء يحتاج في النهاية إلى الذهاب إلى المحيط هو التقاط كل التباين المتأصل في هذه العمليات.على سبيل المثال ، ما زلنا لا نملك أي فكرة عما يتسرب حقا من جسيم الترسيب ، ونوع العناصر الغذائية الموجودة ، ونوع المركبات الكيميائية التي تفرضها ضريبة البكتيريا الكيميائية في المختبر. يمكننا فقط دراسة أبسط هذه الظروف ، ولكن ما يحدث بالفعل في المحيط هو مجموعة من العمليات المعقدة والمتغيرة للغاية التي نحتاج في النهاية لاستكشافها مباشرة مباشرة في C two. هذا تحد كبير من وجهة نظر أخذ العينات من وجهة نظر التصوير ومن وجهة نظر إجراء التحليل الكيميائي والبيولوجي على المقاييس ، والتي كما ذكرت عدة مرات هي فقط في ترتيب بضعة ميكرومترات ومن حيث أحجام البيكولتر.التحدي الثاني الذي أرى أنه أسهل في معالجته هو تصور السلوك في ثلاثة أبعاد. كل ما نقوم به حاليا في المختبر ثنائي الأبعاد. نستخدم الفحص المجهري التقليدي لتصور مسارات وتراكم الكائنات الحية الدقيقة ، لكن لدينا أمل كبير في تقنية تعرف باسم التصوير المجسم الرقمي لإعطائنا في الإطار الزمني ربما من ثلاث إلى خمس سنوات القدرة على تتبع هذه الأشياء في ثلاثة أبعاد وبالتالي بشكل أكثر مصيرية وواقعية ، نكون قادرين بشكل واقعي على التقاط البيئة في السنوات الخمس المقبلة.بالإضافة إلى محاولة الذهاب ثلاثي الأبعاد في أخذ العينات وربما محاولة اتخاذ الخطوات الأولى والساذجة الأولى نحو أخذ العينات في المحيط ، نريد بالتأكيد ربط هذه الدراسات بالجهود المستمرة لفهم الجينوم لهذه الكائنات الحية. هناك دفعة كبيرة على وجه الخصوص كجزء من مبادرة نظام الأرض في فهم التركيب الجيني والتباين من حيث علم الوراثة لهذه البكتيريا الموجودة في هذا المجال. في الوقت نفسه ، يفتقر علم الجينوم إلى القدرة على الربط المباشر بين النتائج وسلوك الكائنات الحية ، وهذا ما نأمل أن تتمكن الموائع الدقيقة وهذه الدراسات البيئية الكلاسيكية السلوكية من تقديمها إلى الطاولة.لدينا إعداد رائع وفريق رائع من الأشخاص الذين ينظرون إلى علم جينوم البكتيريا البحرية ، ومن خلال التعاون معهم ، نأمل أن نكون قادرين على ربط هذين السؤالين الأساسيين للحصول على فهم أفضل للبكتيريا الموجودة في المحيط وما هو دورها في تحديد صحة المحيط وصحة الكوكب.

دراسات لاستخدام الانجذاب الكيميائي الجرثومي على microfluidics -- مقابلة

In This Article

Disclosures

Reprints and Permissions

Tags

Related Articles