ابتكار هياكل صغيرة تعمل بالطحالب المجهرية يمكن أن تساعد الأبحاث البيئية

هياكل صغيرة تعمل بالطحالب المجهرية

في ابتكار يمكن أن يحدث ثورة في مجال المراقبة البيئية، نجح باحثون من جامعة طوكيو في إنشاء هياكل صغيرة تشبه المركبات تعمل بالطحالب المجهرية. قام الفريق، بقيادة باحث المشروع هاروكا أودا ويشرف عليه البروفيسور شوجي تاكيوتشي، بتصميم آلات صغيرة تستغل قوة كلاميدوموناس رينهاردتى لدفعها إلى الأمام. ويتم احتجاز الطحالب في سلال صغيرة متصلة بالآلات الدقيقة، والتي تم تصميمها بعناية لإتاحة مساحة كافية لها لمواصلة السباحة. يفتح هذا الإنجاز الرائد، المنشور في مجلة (Small)، إمكانيات جديدة للهندسة والأبحاث البيئية على المستوى المجهري.

محتويات المقال :

تسخير قوة طحالب كلاميدوموناس رينهاردتى

كلاميدوموناس رينهاردتى (Chlamydomonas reinhardtii) هي طحالب صغيرة موجودة في جميع أنحاء العالم، وقد أذهلت العلماء بقدراتها الرائعة على السباحة. يمكن لهذه الكائنات الحية الدقيقة أن تتحرك بسرعات تصل إلى 100 ميكرومتر في الثانية، وهو ما قد يبدو بطيئًا بالنسبة لنا، ولكنه سريع بشكل لا يصدق بالنظر إلى حجمها الصغير. في الواقع، إذا أردنا مقارنة سرعة السباحة لديهم بالإنسان، فسوف يتحركون بسرعة تزيد عن 100 كيلومتر في الساعة.

ولكن ما يجعل كلاميدوموناس رينهاردتى مميزة حقًا هي قدرتها على السباحة بحرية، دون أي توجيه خارجي. وهذا يتناقض بشكل واضح مع العديد من الكائنات الحية الدقيقة الأخرى، والتي غالبًا ما تعتمد على الهياكل الخارجية للتنقل عبر بيئتها. لقد ألهمت قدرات السباحة الفريدة للطحالب الباحثين لاستكشاف إمكاناتها كمصدر للطاقة للآلات الدقيقة.

تاريخ موجز للآلات الدقيقة

يعود مفهوم الآلات الدقيقة (micromachines) إلى الثمانينيات، عندما بدأ العلماء لأول مرة في استكشاف إمكانية إنشاء آلات صغيرة يمكنها أداء مهام محددة على نطاق مجهري. في البداية، تم تصور هذه الآلات على أنها روبوتات مصغرة يمكنها التنقل عبر جسم الإنسان وإجراء العمليات الجراحية وتقديم الدواء. ولكن مع تقدم الأبحاث، أصبح من الواضح أن هذه الآلات ستحتاج إلى مصدر للطاقة، وكانت البطاريات التقليدية كبيرة جدًا وضخمة جدًا بالنسبة للآلات الدقيقة.

تحول الباحثون إلى الطبيعة للإلهام، حيث لاحظوا كيف يمكن للكائنات الحية الدقيقة مثل البكتيريا والطحالب أن تتحرك وتؤدي المهام بكفاءة ملحوظة. وأدى ذلك إلى تطوير الآلات الدقيقة الهجينة الحيوية، والتي تستخدم الكائنات الحية كمصدر للطاقة. في التسعينيات، نجح العلماء في إنشاء آلات دقيقة يمكنها التحرك باستخدام البكتيريا كقوة دافعة.

وبالتقدم سريعًا إلى الحاضر، أصبح لدينا أحدث الابتكارات في الآلات الدقيقة وهي التي تعمل بالطحالب. ومن خلال تسخير قدرات السباحة لدى كلاميدوموناس رينهاردتى، ابتكر الباحثون مركبات صغيرة يمكنها التحرك وأداء المهام على نطاق مجهري. يمثل هذا الإنجاز علامة بارزة في تطوير الآلات الدقيقة، مما يمهد الطريق لتطبيقات جديدة في المراقبة البيئية والأبحاث وما بعدها.

محاصرة الطحالب المراوغة

لنقل أنك تحاول اصطياد سمكة صغيرة في سلة دون أن تؤذيها أو تقيد حركتها. هذا ما كان على الباحثين فعله بشكل أساسي عند تصميم السلال الصغيرة لاحتجاز طحالب كلاميدوموناس رينهاردتى.

ولتحقيق هذا العمل الفذ، استخدم الفريق تقنية طباعة ثلاثية الأبعاد تسمى الستيريوليثغرافي ثنائية الفوتون (two-photon stereolithography)، والتي تسمح بإنشاء هياكل مجهرية من البلاستيك بمقياس 1 ميكرومتر (0.001 ملم). وكان الجزء الأكثر تحديًا في العملية هو تصميم المصيدة على شكل سلة.

ابتكر الباحثون نوعين من الآلات الدقيقة، لكل منهما تصميم مصيدة فريد. تحتوي الآلة الدقيقة السكوتر (scooter) على مصيدين، تحتوي كل منهما على طحللب واحد، بينما تحتوي الآلة الدقيقة الدوارة (rotator) على أربعة مصائد، تحتوي على أربعة طحالب في المجموع. تم تصميم حجم وشكل السلال بعناية للسماح لسياط الطحالب (flagella ) بمواصلة التحرك بحرية، ودفع الآلة الدقيقة على طول الطريق.

كان على الباحثين أن يوازنوا بين الحاجة إلى حبس الطحالب والحاجة إلى السماح لهم بالحرية الكافية للتحرك ودفع الآلة الدقيقة. إنها علاقة دقيقة حيث يكون الهدف هو تسخير قدرة الطحالب الطبيعية على السباحة دون تقييدها.

صور المجهر الإلكتروني الماسح للآلتين الصغيرتين: تظهر هذه الصور “السكوتر” (على اليسار) و”الدوار” (على اليمين)

السكوتر غير المتوقع

كان من المتوقع أن يتحرك السكوتر، وهو أحد تصميمي الآلة الدقيقة، في اتجاه للأمام، لكن كان لديه خطط أخرى. فبدلاً من الانزلاق بسلاسة، أظهر مجموعة من حركات التدحرج والتقلب غير المنتظمة، مما ترك الباحثين في حيرة من أمرهم. وقد أدى هذا السلوك غير المتوقع إلى الغوص بشكل أعمق في فهم كيفية تأثير الحركة الجماعية للطحالب المتعددة على حركة الآلة الدقيقة.

وأوضح المؤلف الرئيسي لأبحاث المشروع هاروكا أودا أن ما نراه هو تفاعل بين الطحالب والآلة الدقيقة أكثر تعقيدًا بكثير مما كنا نعتقد في البداية. لأن الحركة الجماعية للطحالب تؤثر على حركة السكوتر بطرق لا يمكننا تفسيرها بشكل كامل بعد.

التطبيقات المحتملة للهياكل صغيرة التي تعمل بالطحالب المجهرية

من خلال تسخير قدرات السباحة المذهلة لكلاميدوموناس رينهاردتى، ابتكر الباحثون آلات صغيرة يمكن دفعها عبر الماء، مما يفتح آفاقًا جديدة للهندسة والأبحاث البيئية. ويمكن نشر هذه العربات الصغيرة لمراقبة جودة المياه، وتتبع التغيرات في النظم البيئية المائية، وحتى نقل الملوثات أو العناصر الغذائية في الماء.

إن التداعيات واسعة النطاق. في عالم يهدد فيه التدهور البيئي والتلوث نسيج أنظمتنا البيئية، توفر هذه الآلات الدقيقة التي تعمل بالطحالب حلاً واعداً. ويمكن أن تساعدنا على فهم الديناميكيات المعقدة للبيئات المائية بشكل أفضل، مما يسمح لنا بالاستجابة بشكل أكثر فعالية للتحديات البيئية.

علاوة على ذلك، فإن بساطة ومرونة هذه الآلات الدقيقة تجعلها أداة جذابة لتطبيقات العالم الحقيقي. وبدون الحاجة إلى تعديل كيميائي أو توجيه خارجي، يمكن لهذه العربات الصغيرة العمل بحرية، والتنقل عبر الممرات المائية بسهولة.