شناسایی مواد شیمیایی برای همیشه - با مخمر و هوش مصنوعی

ویرایش شده توسط گابی کلارک، بررسی توسط اندرو زینین

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

اگر در حال خواندن این مطلب هستید، احتمالا بدن شما حاوی مواد شیمیایی برای همیشه است.

مواد شیمیایی Forever که به نام PFAS (مخفف مواد per- و polyfluoroalkyl) نیز شناخته می شود، در بیش از 90 درصد آمریکایی ها یافت می شود که در معرض مواد شیمیایی موجود در محصولات مصرفی، غذا و آب آشامیدنی هستند.

در دو دهه گذشته، PFAS با مشکلات سلامتی متعددی از جمله برخی سرطان‌ها، تاخیر در رشد و مشکلات رفتاری در کودکان، کاهش باروری، پاسخ‌های ایمنی ضعیف‌تر و چاقی مرتبط بوده است.

بزرگترین منبع قرار گرفتن در معرض PFAS برای بسیاری از مردم از شیر آشپزخانه آنها خارج می شود، زیرا تقریبا نیمی از منابع آب شهری ایالات متحده حاوی PFAS هستند.

در حالی که ایالت ها برای کاهش PFAS در منابع آب آشامیدنی اقدام می کنند، تیمی از دانشمندان کلمبیا و سیتی کالج به رهبری ویرجینیا کورنیش، استاد شیمی و زیست شناسی سیستم ها در دانشگاه کلمبیا، در تلاش هستند تا این فرآیند را آسان تر و کارآمدتر کنند.

این تیم در حال ساخت یک دستگاه «بیوهیبرید» با استفاده از مخمر مهندسی شده، پروتئین‌های طراحی‌شده با هوش مصنوعی و تراشه‌های حسگر مدار مجتمع اکسید فلزی-نیمه‌رسانا (CMOS) هستند که به سیستم‌های آب شهری کمک می‌کند تا سطوح مواد شیمیایی برای همیشه را شناسایی کرده و بر حذف آنها نظارت کند.

بر اساس قوانین جدید EPA، تامین کنندگان آب شهری موظفند به طور مکرر PFAS را آزمایش کنند، اما روش های فعلی تشخیص PFAS پرهزینه هستند. اکثر تامین کنندگان باید نمونه ها را به آزمایشگاه های تجاری بفرستند که از دستگاه های طیف سنجی جرمی گران قیمت برای اندازه گیری غلظت PFAS استفاده می کنند.

تأخیر در دریافت نتایج - آزمایشگاه‌های تجاری گاهی هفته‌ها طول می‌کشد تا گزارش‌ها را ارسال کنند - همچنین برای سیستم‌های شهرداری که باید PFAS را حذف کنند، مشکل‌ساز خواهد بود. این سیستم ها برای نظارت دقیق بر تجهیزات حذف و تعیین زمانی که قطعات نیاز به تعویض دارند، به نتایج بلادرنگ نیاز دارند.

الکس روزنتال، استاد مهندسی عمران در سیتی کالج می گوید: «تقریبا 150000 سیستم آب عمومی در ایالات متحده وجود دارد و نظارت بر PFAS برای آنها هزینه هنگفتی می شود. ما با چند ده نفر از متخصصان صنعت آب در سراسر کشور صحبت کرده‌ایم و در مورد اینکه چگونه فناوری جدید ما می‌تواند عملکردها را بهینه کند، هیجانی وجود دارد.

زیست‌شناسی می‌تواند راهی ارزان‌تر و سریع‌تر برای تشخیص مواد شیمیایی ارائه دهد.

در طول سال‌ها، آزمایشگاه کورنیش راهی برای تبدیل ساکارومایسس سرویزیه، همان گونه مخمری که توسط نان‌سازان و آبجوسازان استفاده می‌شود، به نسخه‌های تک سلولی سگ‌های مواد یاب در فرودگاه‌ها تبدیل کرده است که می‌تواند مواد منفجره یا داروهای غیرقانونی پنهان در چمدان‌ها را شناسایی کند. کورنیش توضیح می دهد: "سگ ها مواد شیمیایی را از این مواد تشخیص می دهند زیرا بینی آنها گیرنده های بو دارد که به آن مواد شیمیایی متصل می شوند." با مهندسی ژنتیک و زیست‌شناسی مصنوعی، می‌توانیم همان نوع گیرنده‌های شناسایی شیمیایی را طراحی کرده و آنها را در مخمر کاشته کنیم.

در آزمایشگاه کورنیش، ابتدا پروتئینی که یک ماده شیمیایی خاص را تشخیص می‌دهد طراحی شده و سپس به سلول‌های مخمر وارد می‌شود. این گیرنده های مصنوعی به یک پروتئین فلورسنت متصل می شوند که همچنین به سلول ها وارد می شود، به طوری که وقتی گیرنده های مصنوعی به ماده شیمیایی مورد نظر متصل می شوند، مخمر سبز می درخشد. شدت درخشش به غلظت ماده شیمیایی مربوط می شود.

قبل از هوش مصنوعی، آزمایشگاه کورنیش چند سال طول کشید تا گیرنده های مصنوعی را طراحی کند. اکنون، با کمک یک ابزار هوش مصنوعی که توسط آزمایشگاه محمد القریشی در دپارتمان زیست‌شناسی سیستم‌ها توسعه یافته است، آن‌ها در حال کار روی یک چرخه طراحی-ساخت-آزمایش تنها هفته‌ای هستند.

کورنیش می‌گوید: «با هوش مصنوعی، ما باید بتوانیم هر ماده شیمیایی را که می‌خواهیم تشخیص دهیم، کاری که قبلا نمی‌توانستیم تنها با شیمی انجام دهیم». "این یک پیشرفت بزرگ برای حوزه سنجش خواهد بود و می تواند منجر به صنعت جدیدی از حسگرهای مبتنی بر مخمر در مراقبت های بهداشتی شود."

آزمایشگاه Cornish در حال حاضر در حال توسعه یک چرخه طراحی-ساخت-تست هوش مصنوعی برای تولید مخمر است که در مورد ترکیبات PFOA و PFOS گزارش می دهد.

هنگامی که مخمر با حسگر و پروتئین های فلورسنت مهندسی شد، آنها در حالت انجمادی خشک می شوند و در ماده ای شبیه کاغذ pH قرار می گیرند.

تراشه‌های حسگر CMOS - که در ابتدا به‌عنوان دستگاه‌های رابط بی‌سیم کامپیوتر-مغز توسط آزمایشگاه کن شپرد در دانشکده مهندسی و علوم کاربردی توسعه یافتند - فلورسانس را می‌خوانند و آن را به غلظت تبدیل می‌کنند. این تراشه‌های حسگر نوری جدید امکان ایجاد یک دستگاه دستی را فراهم می‌کنند که می‌تواند غلظت PFAS را در زمان واقعی گزارش کند.

برای اندازه گیری PFAS، کاربران به سادگی یک "چوب" یکبار مصرف حاوی مخمر و تراشه حسگر را در یک نمونه آب فرو می کنند و یک بازخوانی فوری از محدوده غلظت PFAS دریافت می کنند. چوب به صورت بی سیم توسط یک واحد خواننده کوچک خوانده می شود.

کورنیش تخمین می زند که دستگاه های بازخوانی و چوب های یکبار مصرف هزینه ای کمتر از روش های فعلی دارند و می توانند صدها هزار دلار برای هر سیستم آب شهری صرفه جویی کنند.

شپرد می‌گوید: «این دستگاه‌ها نمونه‌هایی از سیستم‌های بیوهیبرید هستند، سیستم‌هایی که در آن‌ها سیستم‌های بیولوژیکی مهندسی شده با حسگرها و محرک‌های نیمه‌رسانا ترکیب می‌شوند تا سیستمی با عملکردی فراتر از آنچه که با یک سیستم حالت جامد یا بیولوژیکی به تنهایی امکان‌پذیر است، ایجاد کنند.

ارائه شده توسط مرکز پزشکی ایروینگ دانشگاه کلمبیا

کارشناسی ارشد زبان انگلیسی، ویرایشگر کپی از سال 2021 با تجربه در آموزش عالی و محتوای بهداشتی. تقدیم به اخبار معتبر علمی. نمایه کامل →

فوق لیسانس فیزیک با تجربه تحقیق. علاقه مندان به اخبار علمی طولانی مدت. نقش کلیدی در موفقیت سرمقاله Science X ایفا می کند. نمایه کامل →