وتمثل البيولوجيا التركيبية تقارباً بين المبادئ الهندسية والبيولوجيا الجزيئية، مما يمكّن العلماء من إعادة تصميم الكائنات الحية عن طريق تجميع أجزاء جينية موحدة، وهذا الانضباط يتجاوز التعديلات الجينية التقليدية، وذلك بتطبيق نهج نموذجي وتسلسلي على النظم البيولوجية، وأحد أكثر النتائج واعدة في البيولوجيا الاصطناعية هو إنشاء نظم جديدة للكشف عن الكائنات الحية - بيولوجياً تكون حساسة للغاية ومحددة.

Understanding Synthetic Biology and Biosensors

ويرمي علم الأحياء الاصطناعي في جوهره إلى جعل البيولوجيا أسهل من الهندسة، بل هو كذلك بسحب التعقيد البيولوجي إلى أجزاء أو أجهزة أو نظم يمكن تصميمها وتجميعها وفقاً لقواعد قياسية، وجهاز الاستشعار الأحيائي، تقليدياً، هو جهاز تحليلي يستخدم عنصر الاعتراف البيولوجي - وغالباً ما يكون ذلك إنزيم أو جسماً مضاداً أو حمض نووي أو كل خلاياه -

يمكن للمستشعرات الحيوية التي بنيت بواسطة البيولوجيا التركيبية أن تعمل داخل الخلايا الحية، أو حتى على الجلد، فهندسة الدوائر الجينية - الشباك الجينات المتفاعلة التي ينظمها المروجون، والقمع، وأجهزة الإيداع - يمكن أن تؤدي إلى المنطق الذي يتحكم في سلوك أجهزة الاستشعار، ويمكن لهذه الدوائر أن تنفذ سلاسل الكشف عن الارتداد، وحتى نقاط التركيز المنطقية

دور البيولوجيا التركيبية في الابتكار في مجال الاستشعار الأحيائي

وكثيرا ما تعتمد أجهزة الاستشعار الأحيائية التقليدية على البروتينات أو الأنزيمات الملزمة التي تحدث بصورة طبيعية، والتي تحد من خصوصيتها وديناميتها، وتتغلب البيولوجيا التركيبية على هذه القيود بتمكين إعادة التصميم الرشيدة للمكونات البيولوجية، ويمكن إنشاء عناصر اعتراف جديدة جدا عن طريق الصمامات أو التطويرية، ويمكن إعادة توجيه مسارات نقل الإشارات إلى الاكتشاف المزدوج الذي ينطوي على نواتج متنوعة.

هندسة الدوائر الجينية مع المروجين الصناعيين

ومن بين العناصر الأساسية للبناء، سلسلة الحامض النووي التركيبية التي تم تصميمها لمراقبة التعبير الجيني استجابة لمدخل محدد، وبإدماج مكتبات من المروجين الاصطناعيين ذات القوام والحساسيات المختلفة، يمكن للباحثين بناء أجهزة استشعار تستجيب للمعادن الثقيلة، والمضادات الحيوية، والجزئات المسببة للثغرات، بل وحتى الأجزاء المحتوية على زئبق، والتغيرات الحرارية.

عناصر الاعتراف العرفي: من بروتينز إلى نظام الحسابات القومية

(و) بالإضافة إلى الاعتراف التقليدي القائم على البروتين، فإن البيولوجيا الاصطناعية تستغل أجهزة قائمة على أساس التلقيم الاصطناعي، تسمى " ريبوسويتشي " و " إي تي دي إن إيه تي " ، وهي تستخدم في نظم الأشعة دون الحمراء، وتضع في إطارها أجهزة مصممة على شكل أجهزة إنذار ذات ترددات عالية، ويمكن أيضاً تصميم أجهزة كشف الأشعة الاصطناعية

تركيب الإشارات وتجهيزها

ومن التحديات الرئيسية تحقيق حدود منخفضة للكشف، حيث أن البيولوجيا التركيبية تعالج هذا الأمر بإدراج نماذج لتضخيم الإشارة مباشرة في الدائرة الوراثية، مثلاً، يمكن لجهاز الاستشعار الذي ينشط نظاماً للكشف عن الحمض النووي أن يقلب مساراً للكشف عن هوية المراسلين الدائمين حتى بعد التعرض للمصابين.

أهم مزايا الاستشعار الأحيائية الاصطناعية - القائمة على البيولوجيا

غير مفترضة من خلال شركة بروتين الهندسية

ومن خلال الجمع بين نماذج حاسوبية مع التطور الموجه، يمكن لأخصائيي البيولوجيين الاصطناعيين أن يخلقوا بروتينات ملزمة ذات أي تفاصيل مرغوب فيها تقريبا، مثلا، يمكن إعادة تصميم الجيب الملزم لعامل التكرار البكتيري، بحيث يُعترف به كجندي غير طبيعي، مثل بقايا متفجرة أو عقار جديد، وهذا النهج يزيل التعقيدات التي تُنظر إليها بالعديد من وسائل التعرف على الأعضاء التناسلية والطبيعية.

Scalability and Cost Reduction

وبعد تصميم جهاز الاستشعار الأحيائي التركيبي والتحقق منه، يمكن إنتاجه بكميات غير محدودة أساساً عن طريق التخمير الميكروبي البسيط، ويمكن أن تنخفض تكلفة الاختبار إلى أقل من 1 في المائة، مما يجعل هذه أجهزة الاستشعار قابلة للتطبيق في البيئات المحدودة الموارد، وخلافاً للمستشعرات التقليدية التي تتطلب عوامل مكلفة، أو مضادات محسوبة، أو أجهزة مجهزة للتعقيد، يعمل العديد من أجهزة الاستشعار الأحيائية ذات الدلالة الاصطناعية في خلايا الكاملة أو في خلايا.

قابلية البرمجة والارتقاء عبر الدومين

ويمكن تكييف نفس المبادئ الأساسية المستخدمة في بناء جهاز استشعار للزرنيخ في المياه بسرعة لكشف علامة بيولوجية للمرض في الدم أو بقايا مبيدات الآفات على الأغذية، لأن الأجزاء الجينية موحدة )مثل شكل بيوبريك( يمكن مبادلةها ومجمعها وربطها باستخدام تقنيات بيولوجيا الجزيئية المباشرة، وهذا البرنامج يعني أن تطوير أجهزة الاستشعار يمكن أن يواكب التهديدات الناشئة، على سبيل المثال،

التطبيقات القائمة والناشئة

Environmental Monitoring: Arsenic, Heavy Metals, and Pollutants

ومن أكثر الأمثلة احتفاءً، جهاز الاستشعار الزرنيخ البكتيري الذي طورته أفرقة في معهد الدراسات المتقدمة وجامعة كامبريدج، حيث وضعت في إطاره مادة " غبار " المراسل تحت سيطرة مروج البحوث الزراعية، التي تستمد من قياسات الزرنيخ، خلايا الكوليات المرئية، وهي تنتج مقياساً خضراء مشرقاً عند التعرض للمياه الملوثة، ويمكن لهذا الجهاز الاستشعار أن يميز بين التركيزات وكشف عن وجود خلايا الزئبق.

التشخيص الطبي: غلوكوز، وراثون، وعلامات السرطان الأحيائية

وقد يكون الاستشعار الأحيائي للغاز هو أكثر التطبيقات انتشارا، ولكن البيولوجيا الاصطناعية قد انتقلت إلى ما بعد نظم الانزيمات - الكهربية، كما أن المحركات المتطورة التي تستخدم في صنع الأورام غير المتطورة التي تستخدمها الخلايا المحتوية على الأورام الخبيثة، وهي تعمل على إنتاج أورام صناعية غير قابلة للكشف عن الإصابة بالمرض.

السلامة الغذائية والزراعة

كما أن المواد الكيميائية التي توفر المواد الغذائية والمبيدات والفلزات الثقيلة والبكتيريا المسببة للإصابة هي مصدر رئيسي للصحة العامة، حيث توفر أجهزة الاستشعار الحيوية ذات الصبغة الاصطناعية بديلاً سريعاً وخفيض التكلفة لأساليب قياسية الذهب مثل البوليكلور المحتوي على التحلل العالي الوبائي وجهاز البوليسترول، وقد صُممت أجهزة الاستشعار الخالية من الخلايا للكشف عن وجود خلايا الفلورية في المكسرات.

دراسات حالة في أجهزة الاستشعار الأحيائية الاصطناعية

Arsenic —Detecting Bacteria: From Lab to Field

وقد تم التحقق على نطاق واسع من أجهزة الاستشعار الزرنيخية التي طورتها أفرقة بي أوف بي أو إيه بي إم بي إيه بي إم بي إيه بي إم، وفي الاختبارات الميدانية في بنغلاديش، حيث يؤثر التلوث بالزرنيخ على الملايين، شملت أجهزة الاستشعار البكتيرية الملوثة بدقة بنسبة ٠٩٥ في المائة مقارنة بمطياف الامتصاص الذري، وكانت أجهزة الاستشعار مستقرة لأسابيع في تركيبة مثبتة يمكن أن تستعيدها.

Cell — Free Sensors for Zika Virus

وفي عام 2016، استحدث الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وهارفارد جهازاً لاسلكياً مفتوحاً للفيروس الزيكا يستخدم دائرة جينات اصطناعية لكشف الناموسيات النباتية، وقد اعتمد النظام على جهاز تحويل محرك للدماء: وفي وجود نظام صواريخ RNA، تغيرت صفيفة التبديل وأتاحت ترجمة بروتين (لاكسيدات صفراء)

أجهزة استشعار بيولوجي مُعتدلة ذات خلايا المعيشة

وفي الآونة الأخيرة، قام المهندسون بدمج البكتيريا المصممة في البكتيريا المرنة أو المنسوجات لخلق رقائق حية تُحس جزيئات على الجلد، وعلى سبيل المثال، فإن رقعة تحتوي على خلايا يطية مصممة لإنتاج خنازير مليئ بالزراعة استجابة للخصائص (وهورمونات الإجهاد) يمكن أن ترصد علامات الإجهاد الأحيائية في المستقبل.

الاتجاهات والتحديات المستقبلية

وفي حين أن أجهزة الاستشعار الأحيائية ذات الاصطناعية أثبتت إمكاناتها الهائلة، فإن عدة عقبات ما زالت قائمة قبل اعتمادها على نطاق واسع، وقابلية استشعارات الأحياء في بيئات قاسية، وخطر التحول الوراثي بمرور الوقت، والموافقة التنظيمية على الاستخدام التشخيصي، هي حواجز كبيرة، ويعالجها الباحثون عن طريق استحداث نظم خالية من الخلايا تتجمد وتستقر لشهور، فضلا عن تركيب أجزائها المتطورة التي لا يمكن أن تنجو من المنافسة.

إن التكامل مع السائل الميكروبي والمناظر الذكية هو اتجاه رئيسي، إذ يمكن للرقائق الفلورية الدقيقة أن تجهز العينات والخلايا الثقافية وتقيس الفلور تلقائياً، بينما يمكن لجهاز التصوير الذكي والتحليل اللوي أن يحسن من الناحية الكمية الإشارة، وهذا الجمع يضفي طابعاً ديمقراطياً على التشخيصات، ويجعل الحساسية المعملية في البيئات النائية والدنية المصدر، وفي الوقت نفسه، يؤدي إلى تحسين البدراجات البدائية الاصطناعية إلى تطور

وفي المستقبل، يمكننا أن نتوقع نشر أجهزة الاستشعار الحيوية الاصطناعية لشبكات الرصد البيئي المستمر (مثلا، الطوافات المشعرة في الأنهار)، وفي الرصد الصحي عن طريق أجهزة الاستشعار المزرعة، والتغليف الذكي الذي يكشف عن التخريب في الوقت الحقيقي، وقد يؤدي تقارب البيولوجيا الاصطناعية مع علم النانو والاستخبارات الاصطناعية إلى تهيئة الظروف الملائمة للاحتكار الذاتي والتكيف مع تغير الظروف.

خاتمة

إن البيولوجيا التركيبية قد ارتفعت من مستوى الاستشعار الأحيائي من تقنية تحليلية متخصصة إلى منصة قوية قابلة للبرمجة ذات إمكانات لا حدود لها، ومن خلال معالجة البيولوجيا كمحطة فرعية نموذجية، يمكن للمهندسين تصميم أجهزة استشعار لا تحمي فقط خصائص وحساسية، بل أيضاً رخيصة وقابلة للتكرار وتكيف مع التهديدات الناشئة.