هل يمكن أن تساعد البروبيوتيك الاصطناعية في منع البكتيريا الطبيعية لدينا من الضلال؟

تستخدم الحيوانات مواد كيميائية تسمى الفيرومونات للتواصل مع بعضها البعض وجذب الأصدقاء وتحديد المنطقة والإشارة إلى الخطر. تطلق النباتات مركبات عضوية متطايرة لجذب الملقحات وصد الحيوانات المفترسة. التواصل باستخدام الجزيئات ، المعروف باسم “الاتصال الجزيئي” ، مفيد أيضًا للبشر ، وإن كان بطريقة لا نلاحظها – فهو يلعب دورًا مهمًا في التفاعلات بين تريليونات البكتيريا الطبيعية التي تعيش في أجسادنا وعلى أجسادنا.

في الواقع ، تستخدم الجراثيم البشرية – البكتيريا الطبيعية الموجودة داخل جسم الإنسان – جزيئات “استشعار النصاب” لتنظيم نفسها والتواصل مع مضيفها البشري. تعد الكائنات الحية الدقيقة أمرًا ضروريًا لصحتنا نظرًا لأنها تنطوي على مجموعة واسعة من العمليات الفسيولوجية ، بما في ذلك الهضم وتنظيم الجهاز المناعي ، إلى جانب إنتاج هرمونات معينة وجزيئات أساسية أخرى.

على وجه التحديد ، تؤثر جراثيم الأمعاء بشكل مباشر على الجهاز العصبي المركزي وتؤثر على الحالة المزاجية للمضيف وسلوكه وإدراكه عبر “محور الأمعاء والدماغ” ، وهي شبكة معقدة تربط الاثنين من خلال مسارات إشارات تتضمن جزيئات. هذا الاتصال القائم على تبادل الجزيئات داخل الجسم ضروري للحفاظ على التوازن (أي استقرار الخلية) ، وقد تم ربطه بالعديد من العمليات الفسيولوجية مثل التطور العصبي واستقلاب الدوبامين. على العكس من ذلك ، عندما يحدث أي فشل في شبكات الاتصال هذه أو عندما لا تكون مجموعة الجراثيم مثالية ، يمكن أن يؤدي ذلك إلى حالات خطيرة ، بما في ذلك اضطراب طيف التوحد ومرض باركنسون.

على الرغم من الفوائد المتعددة لميكروبات الأمعاء ، لا يمكن للبشر التحكم في أعدادها ومدى نجاحها في العمل في الجسم لأنها كائنات حية مستقلة تعيش بداخلنا. للتخفيف من هذه المشكلات ، يستكشف مجال البحث بدائل من صنع الإنسان يمكن أن تحل محل هذه الكائنات ، مما يجعل الأمور أكثر قابلية للتحكم ويمكن التنبؤ بها. أظهرت الأبحاث الحديثة أن البكتيريا الاصطناعية ، والتي تسمى أيضًا “البروبيوتيك الاصطناعية” ، يمكن أن تقدم نهجًا جديدًا واعدًا لعلاج اضطرابات محور الأمعاء والدماغ. ستستخدم هذه البكتيريا الاصطناعية الاتصال الجزيئي ، كما يحدث بشكل طبيعي في الكائنات الحية ، ولكن هنا كنموذج تواصل مستوحى من الحيوية يستخدم الجزيئات لنقل المعلومات.

ما هي البكتيريا الاصطناعية؟

يمكن تصميم البكتيريا الاصطناعية للتفاعل مع ميكروبيوم الأمعاء والجهاز العصبي المركزي لتعديل شبكات الاتصال والتدخل فيها داخل هذه الأنظمة. على سبيل المثال ، يمكن برمجتها لإنتاج جزيئات معينة تعدل نمو ونشاط بكتيريا معينة في ميكروبيوم الأمعاء ، أو لإنتاج جزيئات إشارات عصبية تشبه الناقل العصبي يمكنها تعديل نشاط الجهاز العصبي.

يمكن أيضًا تصميم البكتيريا الاصطناعية لتقليد وظيفة نوع من البكتيريا الطبيعية ، والتي تسمى البروبيوتيك والتي لها آثار مفيدة على محور الأمعاء والدماغ: يمكنها استعادة أو الحفاظ على توازن ميكروبيوتا الأمعاء ، مما قد يساعد في تحسين أعراض الاضطرابات المرتبطة بالأمعاء ، مثل مرض التهاب الأمعاء ، والإسهال المعدي ، ومتلازمة القولون العصبي.

من المتوقع أن يحقق الاستخدام الفعال للبكتيريا الاصطناعية في علاج الاضطرابات المرتبطة بمحور الأمعاء والدماغ إنجازات كبيرة. ستكون القدرة على هندسة الكائنات الحية الدقيقة لأداء وظائف أو سلوكيات محددة عاملاً مساعدًا رئيسيًا لمنع انتشار مسببات الأمراض وتحقيق التوازن في الجسم. على سبيل المثال ، من خلال تطوير البكتيريا الاصطناعية لإنتاج الببتيدات المضادة للميكروبات ، يمكننا استهداف البكتيريا الضارة وقتلها بدقة أكبر ، وتجنب تطوير مقاومة المضادات الحيوية. وبالمثل ، من خلال برمجة البكتيريا الاصطناعية لتعزيز نمو الكائنات الحية الدقيقة المفيدة في القناة الهضمية ، يمكن إنشاء تواصل أكثر فعالية بين الكائنات الحية الدقيقة ، مما يعزز استعادة التوازن.

إن تطوير أجهزة الاستشعار الحيوية المعوية والبكتيريا الاصطناعية للكشف عن المؤشرات الحيوية المتعلقة بالأمراض يتيح استخدامها كأدوات تشخيصية. ومع ذلك ، فإن الخطوة الأولى في تطوير أدوات التشخيص هي فهم التواصل بين البكتيريا الطبيعية والدماغ. وفقًا لذلك ، سيساعدنا تقليده عن طريق النظراء الاصطناعيين في النهاية على معالجة العديد من الحالات ، مثل اضطرابات المزاج والتوحد ، في المستقبل المنظور.

كيف تنمي البكتيريا الاصطناعية؟

التواصل الجزيئي هو نموذج تواصل مستوحى من الحيوية يستخدم الجزيئات لنقل المعلومات كما يحدث بشكل طبيعي في الكائنات الحية ، مع العديد من الأمثلة المماثلة في الطبيعة كما هو موضح في جميع أنحاء المقالة. يمهد نموذج الاتصال هذا الطريق لتحقيق مختلف التطبيقات المتوقعة.

في سياق الاتصال الجزيئي ، تشير البكتيريا الاصطناعية إلى تطور البكتيريا المهندسة التي يمكنها التواصل مع بعضها البعض والخلايا البشرية على المستوى الجزيئي. هذا الكائن المتصور ليس سوى شبكة من الأنظمة التي ترسل وتستقبل ، أو ، في الهندسة تتحدث ، “ترانسيسينج” الجزيئات على المستوى المجهري أو النانوي.

يمكن لجهاز الإرسال والاستقبال القائم على البكتيريا إرسال واستقبال الإشارات الجزيئية داخل جسم الإنسان لزيادة الإحساس بالعمليات البيولوجية والتحكم فيها في الوقت الفعلي. كما ذكرنا سابقًا ، تعد البكتيريا الاصطناعية المتصورة مرشحًا مثاليًا للتطبيقات الطبية الحيوية لشبكات الاتصالات النانوية مثل تشخيص الأمراض وعلاجها ، والمراقبة الصحية ، وتوصيل الأدوية ، والغرسات الهجينة الحيوية. ومع ذلك ، فإن تصميم وتصنيع هذه الأجهزة المتوافقة بيولوجيًا يتطلب جهودًا متعددة التخصصات تستفيد من المعرفة المتراكمة في مجالات نظرية المعلومات والاتصالات ، وتكنولوجيا النانو ، والعلوم الجزيئية ، وغيرها الكثير. يتضمن ذلك تطوير تقنيات اتصال فعالة من حيث الطاقة والجزيئات ومنخفضة التعقيد وموثوق بها ، بالإضافة إلى نماذج قنوات اتصال جزيئية واقعية تم التحقق من صحتها من خلال التجارب.

يمكن أيضًا تصميم أجهزة الإرسال والاستقبال هذه لتطوير تقنيات “معمل على رقاقة” ، وهي أنظمة معملية مصغرة يمكن استخدامها لإجراء اختبارات تشخيصية وتحليلية مختلفة لمحور الأمعاء والدماغ. على الرغم من وجود عدد كبير من المشاريع البحثية الجارية وأساليب الاختبار المطورة حول هذا الموضوع ، لم يتم إجراء تجارب في الأنظمة الحية. تعمل العديد من المشاريع البحثية الجارية بنشاط على تحويل هذا النموذج إلى واقع. ومن الأمثلة البارزة على ذلك تطوير نموذج أولي لمستقبل الاتصالات الجزيئية باستخدام الجرافين ، وهو مادة متناهية الصغر ذات خصائص كيميائية حيوية بارزة ، إلى جانب الاستفادة من تكنولوجيا المستشعرات الحيوية.

تشير هذه الأعمال إلى أن الأجهزة العملية ليست بعيدة جدًا في الأفق ، وبالنظر إلى وتيرة التقدم التكنولوجي ، فنحن في وضع جيد لتصور إنتاج هذه الأجهزة في غضون بضعة عقود. ومع ذلك ، فإن العقبة الرئيسية التي لا يزال الباحثون يواجهونها هي إجراء اختبارات ناجحة داخل الكائنات الحية مثل الفئران أو الجرذان أو أي كائن حي نموذجي. إن التقدم في الاتصالات الجزيئية والبيولوجيا التركيبية سيمهد الطريق للمعلم الهام التالي للتجارب في الجسم الحي التي قد تمكن أدوات التشخيص للعديد من الأمراض ، وخاصة الاضطرابات المتعلقة بالأمعاء.