فريق بحثي ألماني يطوّر روبوتات مجهرية أصغر من الميكرومتر، يمكن توجيهها بالضوء لالتقاط البكتيريا ونقلها، في خطوة قد تمهد لتطبيقات جديدة في الطب الدقيق والأحياء الدقيقة وتوصيل الأدوية.
في تطور علمي قد يفتح مرحلة جديدة في التحكم بالعالم المجهري، نجح فريق بحثي من جامعة يوليوس ماكسيميليان في فورتسبورغ بألمانيا، بقيادة البروفيسور بيرت هيشت والباحث جين تشين، في تطوير روبوتات نانوية متناهية الصغر تعمل بالطاقة الضوئية، وقادرة على ملاحقة البكتيريا وجمعها ونقلها إلى مواقع محددة بدقة عالية.
ولا يتجاوز حجم هذه الرووتات ميكرومتراً واحداً، ما يجعلها أصغر بعشرات المرات من قطر شعرة الإنسان، ويمنحها القدرة على التحرك مباشرة داخل البيئات السائلة التي تعيش فيها الكائنات الدقيقة.
ويثير هذا الإنجاز اهتماماً خاصاً لأنه لا يقتصر على تصنيع أجسام نانوية يمكن تحريكها، بل يقدم منظومة متكاملة تجمع بين الدفع والتوجيه والالتقاط والنقل والتفريغ باستخدام الضوء وحده، من دون الحاجة إلى أذرع ميكانيكية تقليدية أو مواد لاصقة معقدة.
الضوء يتحول إلى قوة دفع
تعتمد التقنية الجديدة على ظاهرة فيزيائية مرتبطة بارتداد الفوتونات. فقد زوّد الباحثون الروبوتات بهوائيات نانوية بلازمونية قادرة على التفاعل مع الضوء وامتصاصه ثم إعادة إشعاعه في اتجاهات مدروسة.
وعند إعادة إصدار الضوء، تتولد قوة ارتدادية صغيرة تدفع الروبوت في الاتجاه المعاكس، بطريقة يمكن تشبيهها، على نطاق مختلف تماماً، بالقوة الارتدادية الناتجة عن إطلاق المقذوفات.
ورغم أن هذه القوة متناهية الصغر، فإن الكتلة المنخفضة جداً للروبوتات تجعلها كافية لإحداث حركة واضحة وتسارع يمكن التحكم فيه داخل الوسط السائل.
وتكمن أهمية هذا الأسلوب في أن الضوء لا يعمل هنا كمصدر للطاقة فحسب، وإنما يتحول إلى أداة دقيقة لدفع الروبوت وتغيير اتجاه حركته بصورة مباشرة.
توجيه دقيق عبر استقطاب الضوء
ولحل مشكلة التحكم في اتجاه الروبوتات، صمم الباحثون هياكل نانوية داخلية تستجيب لاتجاه استقطاب الضوء الساقط عليها.
وتسمح هذه الخاصية للروبوت بمحاذاة نفسه تلقائياً مع الاستقطاب الضوئي، ما يمنح الباحثين القدرة على تعديل مساره وتدويره بمجرد تغيير خصائص الضوء المستخدم.
وبحسب الدراسة، يمكن للروبوت تنفيذ انعطافات حادة تصل إلى نحو 90 درجة، وهي قدرة مهمة عند العمل في البيئات المجهرية المعقدة، حيث يتطلب الوصول إلى هدف محدد مستوى مرتفعاً من المناورة.
ويعني ذلك أن الباحث لا يحتاج إلى ملامسة الروبوت أو ربطه بأسلاك أو أنظمة تحكم ميكانيكية، إذ يمكن تنفيذ عملية القيادة عن بُعد باستخدام الضوء.
كيف تلتقط الروبوتات البكتيريا؟
لم يعتمد العلماء على ملاقط ميكانيكية لالتقاط الخلايا البكتيرية، وهي أجسام بالغة الحساسية يمكن أن تتضرر بسهولة عند تعريضها لقوة مباشرة.
وبدلاً من ذلك، استفاد الفريق من ظواهر حرارية وضوئية دقيقة تنشأ حول الروبوت عند تعرضه للضوء.
فعندما يضاء الروبوت، يتكون حوله تدرج حراري مجهري يؤدي إلى نشوء قوى قادرة على جذب الكائنات الدقيقة القريبة وإبقائها في نطاق الروبوت أثناء حركته.
وتسمح هذه الآلية بالتقاط البكتيريا من الوسط السائل وجرّها مع الروبوت، من دون الحاجة إلى تثبيتها باستخدام مواد كيميائية لاصقة أو حصرها بقبضة ميكانيكية.
وهذه النقطة تحديدا تمثل تقدماً مهماً، لأن التعامل مع الأجسام البيولوجية الرخوة والصغيرة من أبرز التحديات التي واجهت تقنيات النانو والميكروروبوتات على مدى سنوات.
نقل مجموعات من البكتيريا دفعة واحدة
أظهرت التجارب المخبرية أن الروبوتات لم تكن قادرة على التقاط خلية واحدة فقط، بل استطاعت جمع مجموعات من البكتيريا ونقلها عبر الوسط السائل إلى مواقع يحددها الباحثون مسبقاً.
كما حافظت الروبوتات على قدرتها على الحركة والمناورة أثناء حملها تجمعات من الكائنات الدقيقة، قبل أن تتمكن من تحرير الحمولة في المكان المطلوب.
وتشير النتائج إلى أن النظام يمكن أن يعمل، من حيث المبدأ، كنوع من فرق التنظيف المجهرية التي تتحرك داخل العينات، وتجمع أجساماً بيولوجية محددة ثم تعيد توزيعها أو إزالتها.
ونُشرت نتائج البحث في دراسة علمية بمجلة Nature Communications، حيث قدم الباحثون برهاناً عملياً على إمكانية استخدام الضوء ليس فقط لمراقبة العالم المجهري وتصويره، وإنما للتفاعل معه وإعادة ترتيب مكوناته بصورة نشطة.
آفاق للطب الدقيق والأحياء الدقيقة
تتجاوز أهمية هذه الروبوتات فكرة مطاردة البكتيريا في المختبر، إذ تفتح التقنية مجموعة من الاحتمالات البحثية والتطبيقية في مجالات مختلفة.
ففي علم الأحياء الدقيقة، قد توفر مثل هذه الأنظمة وسيلة جديدة لعزل أنواع معينة من البكتيريا داخل عينات مختلطة، أو نقل تجمعات ميكروبية إلى مناطق محددة بهدف دراستها بصورة أكثر دقة.
وفي الأبحاث الطبية، يمكن أن تسهم المبادئ المستخدمة في هذه الروبوتات مستقبلاً في تطوير أدوات مجهرية للتعامل مع الخلايا والمواد الحيوية داخل البيئات السائلة، مع تقليل الحاجة إلى التلامس الميكانيكي المباشر.
أما في مجال توصيل الأدوية، فتشير التقنية إلى إمكانية تطوير أنظمة نانوية يمكن توجيهها ضوئياً نحو أهداف دقيقة، على الرغم من أن الانتقال من التجارب المخبرية إلى الاستخدام داخل جسم الإنسان سيحتاج إلى مراحل طويلة من البحث والاختبار، ولا سيما فيما يتعلق بسلامة المواد، واختراق الضوء للأنسجة، والتحكم بالروبوتات في البيئات الحيوية المعقدة.
كذلك قد تكون لهذه الروبوتات تطبيقات في تنظيف العينات البيولوجية أو إزالة مكونات مجهرية غير مرغوب فيها، فضلاً عن استخدامها كأدوات بحثية لدراسة كيفية تفاعل الكائنات الدقيقة مع بعضها بعضاً ومع محيطها.
من مراقبة العالم المجهري إلى التحكم فيه
لعقود طويلة، كان الضوء واحداً من أهم الأدوات التي يستخدمها العلماء لرؤية الخلايا والكائنات الدقيقة وتتبع سلوكها. إلا أن البحث الجديد يدفع بهذه العلاقة خطوة إضافية، إذ يحول الضوء من وسيلة للمشاهدة إلى وسيلة للتحكم المباشر.
فالقدرة على دفع روبوت نانوي وتوجيهه وجعله يلتقط كائنات دقيقة ثم ينقلها، باستخدام حزمة ضوئية يتم التحكم في خصائصها، تمثل نموذجاً لما يمكن أن تصبح عليه تقنيات الميكروروبوتات في المستقبل.
ومع ذلك، لا تزال التقنية في مرحلة البحث المخبري، ولا يعني نجاحها الحالي أنها أصبحت جاهزة للاستخدام الطبي المباشر. إذ يتطلب تحويلها إلى أداة علاجية أو تشخيصية حل تحديات إضافية تتعلق بالتوافق الحيوي، وكفاءة التحكم داخل الأنسجة، وإمكانية تشغيل أعداد كبيرة من الروبوتات بصورة متزامنة وآمنة.
لكن النتائج الحالية تقدم دليلاً مهماً على مبدأ كان يبدو قبل سنوات أقرب إلى الخيال العلمي: روبوتات أصغر من الخلايا يمكن توجيهها عن بُعد، ومهمتها البحث عن كائنات مجهرية والتقاطها ونقلها إلى المكان المطلوب.
ومع تطور تقنيات النانو والبصريات والميكروروبوتات، قد تتحول هذه “الفرق المجهرية” مستقبلاً من أدوات تجريبية داخل المختبرات إلى منصات متقدمة تخدم الطب الدقيق، وتشخيص الأمراض، وهندسة الأنسجة، ودراسة الميكروبيوم، وتوصيل العلاجات إلى أهداف يصعب الوصول إليها بالوسائل التقليدية.
