آفريدگاني خرد، ساختارهايي كلان

آفريدگاني خرد، ساختارهايي كلان

احمد شماع زاده

سعدي عليه‌الرحمه:

برگ درختان سبز در نظر هوشيار     هر ورقش دفتري است معرفت كردگار

چندين قرن از اين گفتة سعدي مي گذرد. ببينيم دفتر هوشياران اين روزگاران چه شناخت‌هايي را به رشتة پژوهش كشيده‌است:

«الهام از صدف نرم‌تنان براي طراحي»

«اقيانوس‌ها محيط خطرناكي براي موجودات زندة نرم‌تن نظير حلزون دريايي هستند، اما چنين محيطي سبب پيدايش يك سيستم دفاعي نانوساختار پيشرفته در سطح بدن اين موجودات شده كه سفت و محكم و در عين حال سبك هستند؛ و به نام صدف معروفند. درك اصول اساسي طراحي چنين سيستم زرهي طبيعي مي‌تواند به مهندسان و طراحان در طراحي پوشش‌هاي سخت پيشرفته كمك‌كند».

«هم‌اكنون در MIT محققان در حال مطالعة ساختار و مكانيك لاية سخت نانومتري دروني صدف نرم‌تنان هستند… صدف از 95 درصد كربنات كلسيم كه يك سراميك شكننده است و پنج‌ درصد بيوپليمر انعطاف‌پذير كه مواد نسبتاً ضعيف هستند، تشكيل شده است. اين مواد به صورت يك ساختار خشت‌وملات با انباشته‌شدن ميليون‌ها صفحة سراميك به اندازة چند هزار نانومتر برروي همديگر تشكيل‌شده‌اند. هر لايه از صفحات به وسيلة لاية نازكي از بيوپليمر مذكور به هم مي‌چسبند… »

«با جايگزين‌كردن قطعات ضعيف ساختمان صدف با مواد محكمتر مي‌توان كامپوزيت‌هاي بسيار سفت و محكم براي استفاده در پوشش‌هاي زرهي با كاربردهاي ساختاري، مانند پانل‌هاي خودروها يا بال هواپيما به‌دست‌آورد. اين تيم پژوهشي مطالعات تجربي خود را با تصويربرداري از صفحات نازك بريده‌شده از صدف يك نوع حلزون دريايي با استفاده از ميكروسكوپ نيروي اتمي (AFM) آغازكردند. تصاوير به‌دست‌آمده، برامدگي‌هايي را در مقياس نانو با سطح صاف و هموار به همراه مولكول‌هاي بيوپليمري با ارتفاع يك نانومتر كه به آنها متصل بودند نشان‌مي‌دهد».

«لايه‌هاي صدف به منظور تشكيل يك ساختار محكم از دو مادة ضعيف توسط بيوپليمرها، به همديگر مي‌چسبند… اين تيم هم اكنون در حال مطالعة نيروي چسبندگي بين صفحات سراميكي و بيوپليمر انطاف‌پذير در مقياس نانو، و همچنين خواص نانومكانيك مولكول‌هاي منفرد بيوپليمر هستند».(شرق: 26/7/84)

اين اولين يا چندمين باري نيست كه ظاهراً ناچيزترين و بي‌اهميت‌ترين آفريدگان خداوند چنين ‹نشانه‌هاي› شگفت‌انگيزي را از خود بروزمي‌دهند و الگويي براي انديشمندان و رايمندان مي‌شوند. همين يكي دو سال پيش در خبرها آمده‌بود كه سازندگان ربات‌ها دريافته‌اند بهترين الگوي حركتي يك ربات، پاهاي ظريف با اندازه‌ها و طرح دقيق سوسك‌هاست؛ و اكنون نوشته‌اي ديگر در اين راستا:

«بهره‌گيري از پوستة حشرات در تجهيزات نظامي»

«پژوهشگران دانشگاه ‹كانزاس› آمريكا موفق به شناسايي ژني شدند كه سختي پوستة بدن حشراتي از قبيل سوسك را موجب ‌مي‌شود . از دهة 1940 پژوهشگران در حال بررسي آنزيم‌هايي بودند كه موجب سخت‌شدن پوستة سوسك‌ها مي‌شود. در آخرين بررسي‌هاي انحام‌شده، مشخص‌شد آنزيمي به نام ‹لاساس2›، سختي پوستة اين حشرات را برعهده‌دارد. به گفتة محققان پوستة بدن سوسك‌ها در ابتدا نرم است، اما با گذشت زمان رفته‌رفته با حفظ برّاقي و انعطاف‌پذيري حالت محكم‌تري به خود مي‌گيرد. بنابر اعلام پايگاه ملي داده‌هاي علوم زمين، اين پژوهشگران هم اكنون مشغول بررسي فرايندهايي هستند كه موجب اين تغييرا ت است. نتايج به‌دست‌آمده در توليد نسل جديدي از تجهيزات نظامي از قبيل هواپيما به‌كارخواهدرفت».(شرق: 6/6/84)

«الهام از نحوة عمل مورچه‌ها در تعمير فضاپيما»

«پژوهشگران سازمان ملي تحقيقات فضائي استراليا با همكاري كارشناسان سازمان فضانوردي آمريكا (ناسا) سرگرم تكميل طرحي هستند كه هدف آن طراحي بدنة جديدي براي فضاپيماهايي است كه مي‌تواند به طور خودكار آسيب‌هايي را كه در اثر برخورد با زباله‌هاي فضائي به‌وجودمي‌آيد ارزيابي كند. انديشة اصلي اين طرح با الهام از نحوة عمل مورچه‌ها شكل گرفته‌است، و نخستين گام در زمينة ساخت فضاپيماهايي به شمارمي‌آيد كه از توانايي تعمير خود برخوردارند… پژوهشگران استراليايي و آمريكايي تاكنون طرحي براي پوستة بيروني فضاپيماهاي جديد طراحي و تكميل‌كرده‌اند كه كه از 192 سلول مجزا تشكيل‌شده‌است. در زير هر سلول يك سنجنده وجوددارد كه اثر ضربه و برخورد ذرات و اشياء را مشخص‌مي‌كند و يك پردازنده‌ الكترونيك كه مجهز به الگوريتم يا نرم‌افزاري است كه به سلول اجازه‌مي‌دهد اطلاعات دريافتي را به سلول‌هاي مجاور انتقال‌دهد. اين نحوة عمل سلول‌هاي پوسته جديد مشابه نحوة عمل مورچه‌ها در هدايت هم لانه‌هاي خود به سمت منابع غذايي يا به سوي لانه است… هدف نهاي ناسا طراحي و توليد فضاپيماهاي موسوم به ‹فضاپيماهاي كهنه‌نشدني› است كه قادرند صدمات را شناسيايي ، ارزيابي و تعمير كنند».(شرق: 26/6/84)

            اين خبر مربوط به شهريورماه 84 است؛ ولي در بهمن ماه همين سال در خبرها اعلام‌شد كه چنين طرحي به اجرا د‌رامده‌است.

پژوهشی دیگر که بدون ترجمه نامش را <هنگامی که میکروبها کارساز میشوند> گذاشته 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."