پزشکی هک‌کردن سلول‌های انسان با هدف به‌دست‌آوردن توانایی استتار ماهی مرکب

[Moon light<3]

محققان بر این باور هستند که ساختار سلول‌های پوستی ماهی مرکب می‌تواند کلید حل معمای نامرئی‌شدن باشد و بشر را به این آرزوی دیرینه‌ی خود برساند.

سرپایان (Cephalopods) خاصی مانند سپیداج‌ (cuttlefish)، اختاپوس و ماهی مرکب، این توانایی را دارند که با شفاف‌کردن یا تغییر رنگ بدن‌شان، خود را استتار کنند. دانشمندان علاقه دارند تا درمورد سازوکارهای دقیق زیربنای این توانایی منحصربه‌فرد اطلاعات بیشتری کسب کنند؛ اما متاسفانه کشت سلول‌های پوست ماهی مرکب در آزمایشگاه ممکن نیست.
به‌گزارش ارزتکنیکا، محققان دانشگاه کالیفرنیا در ارواین، راه‌حل مناسبی را برای غلبه بر این محدودیت کشف کرده‌اند. آن‌ها معتقد هستند که با تکرار خواص سلول‌های پوستی ماهی مرکب در سلول‌های پستاندارانی مانند انسان، می‌توان قابلیت استتار را در سایر پستانداران نیز ایجاد کرد. این پژوهشگران، تحقیقات خود را در آخرین نشست انجمن شیمی آمریکا در ایندیاناپولیس ارائه کردند.
آلون گورودتسکی از دانشگاه کالیفرنیا که درطول یک دهه‌ی گذشته مجذوب استتار ماهی مرکب بوده است، در گفتگو با خبرنگاران گفت: «به‌طور کلی دو راه برای شفافیت وجود دارد؛ یکی از این راه‌ها کاهش میزان جذب نور است که معمولا از طریق رنگ‌آمیزی براساس رنگدانه انجام می‌شود و راه دوم، تغییر در نحوه‌ی پراکندگی نور است که معمولا با اصلاح تفاوت در ضریب شکست می‌توان آن را انجام داد.» از میان راه‌حل‌های فوق، تحقیقات آزمایشگاهی گورودتسکی روی روش دوم متمرکز شده‌اند.
پوست شفاف ماهی مرکب، یک لایه‌ی خارجی از سلول‌های رنگدانه‌ای (کروماتوفور) دارد که جذب نور را کنترل می‌کنند. هر سلول رنگدانه‌ای، به فیبرهای عضلانی که سطح پوست را می‌پوشانند وصل می‌شود؛ این فیبرها نیز به نوبه‌ی خود به فیبرهای عصبی متصل هستند. تحریک این اعصاب با پالس‌های الکتریکی که منجر به انقباض ماهیچه‌ها می‌شوند، کار ساده‌ای است. کشیده‌شدن ماهیچه‌ها به نواحی مختلف باعث می‌شود تا سلول‌ها همراه با نواحی رنگدانه‌ای منبسط شوند و تغییر رنگ اتفاق بیفتد. پس از کوچک‌شدن سلول، مناطق رنگدانه‌ای هم کوچک می‌شوند.

در سال ۲۰۱۵، آزمایشگاه گورودتسکی موفق شد با استفاده از پروتئین‌های بازتاباننده‌ی ماهی مرکب، برچسب‌های نامرئی تولید کند.
در زیر سلول‌های رنگدانه‌ای، توده‌هایی از سلول‌های بسیار ظریف به‌نام ایریدافور (iridophore) قرار دارند که قادر به بازتاب نور در طول موج‌های مختلف هستند. ایریدافورها، برخلاف سلول‌های رنگدانه‌ای، مبتنی بر رنگدانه نیستند و نمونه‌هایی از رنگ ساختاری به‌شمار می‌روند. این سلول‌ها، شباهت زیادی به بلورهای موجود در بال‌های پروانه دارند؛ با این تفاوت که ایریدافورهای ماهی مرکب به‌جای اینکه ایستا باشند، پویا هستند.
ایریدافورها این قابلیت را دارند تا تنظیم شوند و طول موج‌های مختلف نور را منعکس کنند. براساس مقاله‌ای که در سال ۲۰۱۲ منتشر شد، این رنگ ساختاری تنظیم‌شدنی پویا که از ایریدافور تشکیل شده است، با انتقال‌دهنده‌ای عصبی به‌نام استیل‌کولین ارتباط دارد و خواص منحصربه‌فرد پوست ماهی مرکب هم از همکاری این دو لایه با یکدیگر ناشی می‌شود.
توده‌های بزرگ دیگری از بافت سفیدی به‌نام لوکوفور نیز وجود دارند که شبیه ایریدافورها هستند؛ با این تفاوت که طیف کامل نور را به‌گونه‌ای پراکنده می‌کنند که سفید به‌نظر برسد. لوکوفورها، حاوی پروتئین‌های بازتاباننده‌ای هستند که معمولا به‌صورت نانوذرات درکنار هم قرار می‌گیرند و باعث می‌شوند که نور به‌جای جذب یا انتقال مستقیم، پراکنده شود.
لوکوفورها، بیشتر در سپیداج‌ها و اختاپوس‌ها یافت می‌شوند؛ اما برخی از ماهی‌های ماده‌ی مرکب از گونه‌ی سرپاور آب‌سنگ‌های کارائیبی هم وجود دارند که دارای لوکوفور هستند. این ماهی‌ها می‌توانند با تنظیم لوکوفورهای موجود در بدن خود، فقط طول موج‌های خاصی از نور را پراکنده کنند. اگر سلول‌ها اجازه دهند که نور با پراکندگی کمی از آن‌ها عبور کند، شفاف‌تر به‌نظر می‌رسند؛ درحالی‌که وقتی پراکندگی نوری که از سلول‌ها عبور می‌کند بیشتر باشد، آن‌ها مات‌تر و واضح‌تر به‌نظر خواهند رسید. گورودتسکی، به بررسی و کار روی این نوع سلول‌ها علاقه دارد.
آزمایشگاه گورودتسکی، در سال ۲۰۱۵ موفق به تولید برچسب‌های نامرئی الهام‌گرفته‌شده از ماهی مرکب شد. این برچسب‌ها قرار است در آینده به سربازان کمک کنند تا خود را حتی از دید دوربین‌های فروسرخ نیز مخفی نگه دارند. برچسب‌های تولید‌شده در آزمایشگاه، اساسا لایه‌های نازک و انعطاف‌پذیر استتاری بودند که می‌توانستند الگویی به خود بگیرند تا بازتاب فروسرخ سربازان را با پس‌زمینه‌ی آن‌ها مطابقت دهند.
درحال‌حاضر محققان می‌توانند برای جمع‌آوری پروتئین‌های بازتاباننده، به‌جای کشتن ماهی‌های مرکب، از کشت باکتریایی اشریشیا کلی (e. coli) استفاده کنند. پروتئین‌های بازتاباننده، مسئول رنگدانه‌های پویا و رنگین‌تابی در جانداران هستند. پژوهشگران پس از کشت این باکتری‌ها، محصولی مشابه نوارچسب معمولی را با این باکتری‌های اصلاح‌شده می‌پوشانند. ضخامت این برچسب‌ها را می‌توان با تغییر ضخامت این غشای باکتریایی تغییر داد. لایه‌های نازک باکتری‌های اصلاح‌شده آبی به‌نظر می‌رسند و لایه‌های ضخیم‌تر، نارنجی‌رنگ هستند.
تیم گورودتسکی قبلا نسخه‌های کوتاه‌شده‌ی این پروتئین را برای مطالعه‌ی ضریب شکست و نحوه‌ی پراکندگی نور توسط آن‌ها مورد مطالعه قرار داده بود. اکنون این تیم با معرفی ژن‌های مشتق‌شده از ماهی مرکب که بازتاب نور را در سلول‌های انسانی رمزگذاری می‌کنند، تحقیقات خود را گسترش داده است. ترفند تیم گورودتسکی این بود که نانوساختارهای بازتابنده، به‌جای شکل‌گیری موقت، پایدار باشند.
اضافه‌کردن نمک به محیط کشت سلولی باعث شد تا بازتابنده‌ها به یکدیگر بچسبند و به نانوذرات پراکنده‌ی نور تبدیل شوند. افزایش تدریجی غلظت نمک، بزرگترشدن نانوذرات و پراکندگی بیشتر نور را به‌دنبال داشت؛ این اتفاق، درنهایت باعث تنظیم میزان کدورت این نانوذرات شد. تیم پژوهشی با استفاده از روشی به‌نام «هولوتوموگرافی» که با به‌کارگیری لیزر انجام می‌شود، تصاویر تایم‌لپس دقیقی از خواص این نانوذرات ثبت کردند.

محققان با ترکیب پروتئین‌های ماهی مرکب و سلول‌های پستانداران، می‌توانند میزان شفافیت سلول‌ها را از حالت واضح به کدر تغییر دهند.
گورودتسکی درباره‌ی مطالعات خود و تیمش می‌گوید: «ما واقعا تلاش کردیم تا بفهمیم که آیا ویژگی‌های ذاتی این پروتئین‌ها مانند ضریب شکست بالا و توانایی آن‌ها برای خودآرایی در ساختارهای خاص، می‌تواند در سلول‌های پستانداران نیز تکرار شود یا نه. به‌منظور گرفتن جواب این سوال، سلول‌های پستانداران را برای آشکارکردن مقادیر زیادی از این پروتئین مهندسی کردیم. در نهایت توانستیم به این نتیجه برسیم که سازه‌های خودساختاریافته، از بسیاری از جهات مانند اندازه و خواص نوری، شباهت بسیاری به پروتئین‌های ماهی مرکب دارند.»
پس از شروع دنیاگیری کووید-۱۹ که کار در آزمایشگاه ممکن نبود، یکی از دانشجویان فارغ‌التحصیل گورودتسکی به‌نام جورجی بوگدانوف، با استفاده از داده‌های تصویربرداری توانست یک مدل محاسباتی طراحی کند. این مدل، به تیم تحقیقاتی کمک کرد تا خواص نوری سلول‌های ماهی مرکب و سلول‌های مهندسی‌شده‌ی پستانداران را پیش‌بینی و مقایسه کنند.
به‌گفته‌ی بوگدانوف، ضرایب شکست به‌عنوان جزء اصلی این پدیده، قابل اندازه‌گیری هستند. او در ادامه به این نکته نیز اشاره می‌کند که تشابه اندازه‌ی این ذرات باعث می‌شود تا مقایسه‌ی کاملی از پراکندگی نوری در پوست ماهی مرکب و سلول‌های پستانداران اتفاق بیفتد.
در اوایل سال میلادی جاری، مهندسان دانشگاه تورنتو با الهام از ماهی مرکب، موفق به تولید نمونه‌ی اولیه‌ی پنجره‌های مایع (liquid windows) شدند؛ ساختارهایی که در آن‌ها، مایعی متشکل از میکروهیدروژل، آب و یک تثبیت‌کننده بین دو صفحه‌ی شیشه‌ای ریخته می‌شود. این پنجره‌ها با تغییر طول موج، شدت و توزیع نور منتقل‌شده از شیشه‌ها، باعث صرفه‌جویی قابل‌توجه در هزینه‌های انرژی می‌شوند.
براساس گفته‌های گورودتسکی، یکی از کاربردهای بالقوه‌ی تحقیقات او، استفاده از پروتئین‌های بازتاباننده به‌عنوان کاوشگرهای مولکولی درون‌سلولی با ضریب شکست بالا است که در زمینه‌ی روش‌های میکروسکوپی پیشرفته کاربرد دارند. برچسب‌های کدگذاری‌شده‌ی این‌چنینی، درون سلول‌های انسانی بی‌رنگ نمی‌شوند و این امکان را برای دانشمندان فراهم می‌آورند تا برای درک بهتر رشد و تکامل سلولی، بتوانند ساختار سلول را ردیابی کنند.