پژوهشگران دانشگاه ملی تایوان موفق به توسعه سامانهای رباتیک شدهاند که تنها با یک تماس ملایم با سطح باکتریها، میتواند نوع آنها را با دقتی بیش از ۹۰ درصد تشخیص دهد. این فناوری نوآورانه که بدون نیاز به رنگآمیزی شیمیایی یا مواد نشانهگذار عمل میکند، میتواند مسیر تشخیص سریع عفونتها، ایمنی مواد غذایی و پایش آلودگیهای زیستی را دگرگون کند.
لمس هوشمند به جای رنگآمیزی؛ رباتی که با یک تماس باکتریها را شناسایی میکند
تشخیص سریع و دقیق باکتریها یکی از مهمترین نیازهای حوزه پزشکی، صنایع غذایی، پایش محیطزیست و کنترل عفونت به شمار میرود. در بسیاری از موارد، پزشکان پیش از آغاز درمان، باید بدانند عامل بیماریزا به کدام گروه از باکتریها تعلق دارد تا بتوانند مناسبترین روش درمانی را انتخاب کنند. یکی از نخستین و رایجترین روشهای شناسایی باکتریها، طبقهبندی آنها بر اساس رنگآمیزی گرم است؛ روشی که باکتریها را به دو گروه گرممثبت و گرممنفی تقسیم میکند و اطلاعات ارزشمندی برای انتخاب درمان، کنترل عفونت و اقدامات ایمنی در اختیار متخصصان قرار میدهد.
با وجود اهمیت این روش، رنگآمیزی گرم همچنان فرآیندی زمانبر و وابسته به چندین مرحله شیمیایی است. اجرای صحیح آن به مواد شیمیایی ویژه، نیروی انسانی آموزشدیده و تفسیر دقیق نتایج نیاز دارد و همین موضوع باعث شده است پژوهشگران در سالهای اخیر به دنبال روشهایی سریعتر، سادهتر و خودکار برای شناسایی باکتریها باشند.
اکنون گروهی از پژوهشگران به سرپرستی پروفسور زونگهونگ لین (Zong-Hong Lin) از دانشگاه ملی تایوان، سامانهای رباتیک طراحی کردهاند که به جای استفاده از رنگها و مواد شیمیایی، از حس لامسه برای شناسایی باکتریها بهره میگیرد. این دستاورد که بهتازگی در نشریه معتبر نانو انرژی (Nano Energy) منتشر شده، به دلیل نوآوری و اهمیت علمی خود به عنوان تصویر روی جلد این مجله نیز انتخاب شده است.
سامانه توسعهیافته از یک حسگر انعطافپذیر تشکیل شده که روی یک گیره رباتیک نصب شده است. هنگامی که ربات بهآرامی حسگر را با سطح نمونه باکتری تماس میدهد، میان سطح حسگر و دیواره سلولی باکتری مقدار بسیار اندکی بار الکتریکی ایجاد میشود. این سیگنال الکتریکی در واقع نوعی «اثر انگشت الکتریکی» از سطح باکتری محسوب میشود.
پایه این فناوری بر تفاوت ساختار دیواره سلولی باکتریهای گرممثبت و گرممنفی استوار است. از آنجا که این دو گروه از نظر ترکیب و ضخامت دیواره سلولی تفاوتهای اساسی دارند، هنگام تماس با حسگر نیز الگوهای الکتریکی متفاوتی تولید میکنند. سامانه رباتیک با ثبت و تحلیل این الگوها میتواند نوع باکتری را بدون نیاز به هیچگونه رنگآمیزی یا ماده نشانهگذار تشخیص دهد.
برای ارزیابی عملکرد این فناوری، پژوهشگران چهار گونه شناختهشده از باکتریها را مورد بررسی قرار دادند. این گونهها شامل اشرشیا کلی (Escherichia coli)، استافیلوکوکوس اورئوس (Staphylococcus aureus)، استافیلوکوکوس اپیدرمیدیس (Staphylococcus epidermidis) و سودوموناس آئروژینوزا (Pseudomonas aeruginosa) بودند که هر یک از مهمترین باکتریهای مرتبط با بیماریهای انسانی و عفونتهای بیمارستانی به شمار میروند.
در این سامانه، اطلاعات حاصل از دو ماده حسگر متفاوت بهطور همزمان جمعآوری شد و سپس با استفاده از یک مدل رایانهای پیشرفته مورد تحلیل قرار گرفت. نتایج نشان داد این روش توانسته است با دقت ۹۰٫۹۳ درصد، باکتریهای گرممثبت و گرممنفی را از یکدیگر تفکیک کند. همچنین کل فرآیند تشخیص تنها ۶۲۰ میلیثانیه زمان برد؛ سرعتی که در مقایسه با روشهای متداول آزمایشگاهی، پیشرفتی چشمگیر محسوب میشود.
یکی از مهمترین مزیتهای این فناوری، حذف کامل مواد شیمیایی مورد استفاده در رنگآمیزی گرم است. در این روش، دیگر نیازی به رنگها، معرفهای آزمایشگاهی یا برچسبهای زیستی وجود ندارد و همین موضوع علاوه بر کاهش هزینهها، احتمال بروز خطاهای انسانی را نیز کاهش میدهد.
ویژگی مهم دیگر این سامانه، کاهش تماس مستقیم افراد با نمونههای آلوده است. از آنجا که عملیات شناسایی توسط بازوی رباتیک انجام میشود، میزان مواجهه کارکنان آزمایشگاه با باکتریهای بیماریزا کاهش مییابد و ایمنی محیطهای آزمایشگاهی افزایش پیدا میکند؛ موضوعی که بهویژه در آزمایشگاههای تشخیص بیماریهای عفونی اهمیت فراوانی دارد.
پژوهشگران همچنین تأکید کردهاند که این فناوری ماهیتی غیرمخرب دارد؛ به این معنا که فرآیند شناسایی به باکتریها آسیبی وارد نمیکند و نمونه پس از اندازهگیری همچنان قابل استفاده باقی میماند. این ویژگی میتواند راه را برای توسعه سامانههای پایش مداوم، آزمایشهای تکرارشونده و سامانههای خودکار آینده هموار کند.
به باور پژوهشگران، این راهبرد تازه میتواند در آینده نقش مهمی در توسعه تجهیزات تشخیص سریع کنار تخت بیمار، خودکارسازی آزمایشگاههای میکروبشناسی، افزایش ایمنی در صنایع غذایی و پایش آلودگیهای زیستی در محیطزیست ایفا کند. همچنین این فناوری قابلیت آن را دارد که در مراحل بعدی برای شناسایی طیف گستردهتری از عوامل بیماریزا، از جمله باکتریهای مقاوم به آنتیبیوتیک و دیگر میکروارگانیسمهای مهم از نظر بالینی، توسعه یابد.
پروفسور زونگهونگ لین (Zong-Hong Lin)، استاد و معاون دانشکده مهندسی دانشگاه ملی تایوان و از نویسندگان مسئول این پژوهش، در توضیح اهمیت این دستاورد میگوید: «ما با تبدیل یک تماس ساده به یک اثر انگشت الکتریکی، راهکاری سریعتر و ایمنتر برای شناسایی باکتریها بدون استفاده از برچسبها و مواد شیمیایی ارائه کردهایم.»
انتخاب این پژوهش به عنوان تصویر روی جلد مجله نانو انرژی (Nano Energy) نیز نشاندهنده توجه جامعه علمی به ظرفیتهای این فناوری نوظهور است؛ فناوریای که میتواند در سالهای آینده مسیر تشخیص عفونتها و پایش عوامل بیماریزا را متحول کرده و گامی مهم در جهت هوشمندسازی آزمایشگاههای زیستپزشکی و ارتقای سلامت عمومی باشد.
