پرتوی کششی MIT، راهی نوین برای بررسی DNA و سلول‌‌ها

محققان MIT یک پرتوی کششی کوچک ساخته‌اند که ممکن است در آینده به دانشمندان در بررسی DNA، شناسایی سلول‌ها و مطالعه روش‌های بیماری کمک کند.

به گزارش تک‌ناک، این فناوری شبیه به چیزی است که در فیلم جنگ ستارگان برای گرفتن کشتی میلینیوم فالکون استفاده می‌شد. این دستگاه به اندازه‌ای کوچک است که در کف دست جا می‌گیرد و از پرتو نوری که توسط یک تراشه سیلیکون-فوتونیک منتشر می‌شود برای جابه‌جایی ذرات در فاصله میلی‌متری سطح تراشه استفاده می‌کند.

نور می‌تواند از روی پوشش شیشه‌ای که از نمونه‌های استفاده شده در آزمایش‌های بیولوژیکی محافظت می‌کند، عبور نماید و به سلول‌ها امکان می‌دهد در محیطی استریل باقی بمانند.

پرتوی کششی نوری سنتی که با استفاده از نور، ذرات را به دام می‌اندازد و جابه‌جا می‌کنند، اغلب به تنظیمات حجیم میکروسکوپی نیاز دارند، اما پنس‌های نوری مبتنی بر تراشه می‌توانند راه‌حل فشرده‌تر، با قابلیت تولید انبوه، قابل دسترسی گسترده و توان عملیاتی بالا را برای جابه‌جایی نوری در آزمایش‌های بیولوژیکی ارائه دهند.

با وجود این، سایر پرتوهای کششی نوری یکپارچه مشابه فقط می‌توانند سلول‌هایی را که بسیار نزدیک یا به صورت مستقیم روی سطح تراشه هستند، به دام بیندازند و جابه‌جا کنند. این کار باعث آلودگی تراشه و استرس سلول‌ها می‌شود و سازگاری با آزمایش‌های بیولوژیکی استاندارد را محدود می‌کند.

با استفاده از سیستمی به نام آرایه فازی نوری یکپارچه، محققان MIT یک روش جدید برای پرتوی کششی نوری یکپارچه توسعه داده‌اند که امکان به دام انداختن و جابه‌جایی سلول‌ها را در فاصله بیش از صد برابر دورتر از سطح تراشه فراهم می‌کند.

یِلِنا نوتاروس، استاد مهندسی برق و علوم کامپیوتر MIT، گفت: «این کار امکان‌های جدیدی برای پرتوهای کششی نوری مبتنی بر تراشه ایجاد می‌کند، به طوری که می‌توان سلول‌ها را در فواصل بسیار بزرگ‌تر از قبل گرفت و جابه‌جا کرد. فکر کردن به کاربردهای مختلف این فناوری واقعاً هیجان‌انگیز است.»

یِلِنا نوتاروس، طالبان سنه، سابرینا کورستی و جوئل ولدمن از محققان این پژوهش هستند که به تازگی در Nature Communications منتشر شده است.

یک روش جدید به دام انداختن با پرتوی کششی

پرتوهای کششی نوری از پرتو متمرکز نور برای به دام انداختن و جابه‌جایی ذرات کوچک استفاده می‌کنند. نیروهای اعمال شده توسط پرتو، میکروذرات را به سمت نور متمرکز در مرکز می‌کشاند و آنها را به دام می‌اندازد.

با هدایت پرتو نور، محققان می‌توانند میکروذرات را با آن بکشند و امکان جابه‌جایی اجسام کوچک با استفاده از نیروهای غیر تماسی را فراهم کنند.

با وجود این، پرتوهای کششی نوری اغلب به تنظیمات بزرگ میکروسکوپی در آزمایشگاه نیاز دارند، به همراه چندین دستگاه برای تشکیل و کنترل نور، که محدودیت‌هایی در استفاده از آنها ایجاد می‌کند. 

نوتاروس بیان کرد: «با استفاده از سیلیکون فوتونیک، ما می‌توانیم این سیستم بزرگ آزمایشگاهی را روی یک تراشه کوچک جمع کنیم. این برای زیست‌شناسان یک راه‌حل عالی است، چون می‌توانند بدون نیاز به تنظیمات پیچیده، ذرات را با نور بگیرند و جابه‌جا کنند.»

اما تاکنون، پرتوهای کششی نوری مبتنی بر تراشه فقط قادر به انتشار نور در نزدیکی سطح تراشه بوده‌اند، بنابراین این دستگاه‌های قبلی فقط قادر بودند که ذرات را در چند میکرون از سطح تراشه به دام بیندازند.

نمونه‌های بیولوژیکی در محیط‌های استریل با استفاده از پوشش‌های شیشه‌ای که حدود ۱۵۰ میکرون ضخامت دارند، نگه داشته می‌شوند، بنابراین تنها راه برای جابه‌جایی آنها با چنین تراشه‌ای این است که سلول‌ها را خارج کرد و روی سطح آن قرار داد. اما این کار باعث آلودگی تراشه می‌شود.

هر بار که آزمایش جدیدی انجام می‌شود، تراشه باید دور انداخته شود و سلول‌ها باید روی تراشه جدید قرار گیرند.

برای غلبه بر این چالش‌ها، محققان MIT یک تراشه سیلیکون فوتونیک توسعه داده‌اند که پرتوی نوری را انتشار می‌دهد و در حدود ۵ میلی‌متر بالاتر از سطح آن متمرکز می‌شود.

به این ترتیب، آنها می‌توانند ذرات بیولوژیکی را که در داخل پوشش استریل باقی می‌مانند، به دام انداخته و جابه‌جا کنند، بدون اینکه تراشه و ذرات آلوده شوند.

جابه‌جایی نور

محققان این کار را با استفاده از سیستمی به نام آرایه فازی نوری یکپارچه انجام می‌دهند. این فناوری شامل یک سری از آنتن‌های میکروسکوپی است که با استفاده از فرایندهای تولید نیمه‌هادی روی تراشه ساخته می‌شوند.

با کنترل الکترونیکی سیگنال نوری انتشار یافته توسط هر آنتن، محققان می‌توانند پرتوی نوری انتشار یافته توسط تراشه را شکل دهند و هدایت کنند.

تیم MIT کشف کرده است که با ایجاد الگوهای خاص برای هر آنتن، می‌توانند یک پرتو نور بسیار دقیق و متمرکز بسازند. این پرتو نور می‌تواند برای گرفتن و جابه‌جا کردن نور در فاصله‌های کوتاه (چند میلی‌متر) از سطح تراشه‌ها استفاده شود.

نوتاروس عنوان کرد: «هیچ‌کس تاکنون پرتوهای کششی نوری مبتنی بر سیلیکون فوتونیک را که بتواند میکروذرات در فاصله میلی‌متری را به دام بیندازد، ایجاد نکرده بود. این یک پیشرفت بسیار بزرگ نسبت به گزینه‌های قبلی است.»

محققان با تغییر طول موج سیگنال نوری که تراشه را تأمین می‌کند، می‌توانند پرتوی متمرکز را در یک محدوده بزرگ‌تر از یک میلی‌متر و با دقت میکروسکوپی هدایت کنند.

محققان برای آزمایش دستگاه خود، با تلاش برای به دام انداختن و جابه‌جایی کره‌های کوچک پلی‌استایرن کار خود را شروع کردند.

در استفاده از سیلیکون فوتونیک در بیوفیزیک، چالش‌های خاصی پیش آمد. محققان باید روش‌هایی پیدا می‌کردند تا به طور نیمه خودکار حرکت ذرات نمونه را دنبال کنند، قدرت مناسب برای نگه‌داشتن ذرات در جای خود را تعیین نمایند و داده‌ها را به شکل مؤثری پردازش کنند.

در نهایت، آنها توانستند اولین آزمایش‌ها را با استفاده از پرتو کششی نوری تک‌پرتویی انجام دهند. با این نتایج، تیم قصد دارد سیستم را به گونه‌ای بهبود دهد که امکان تنظیم ارتفاع کانونی پرتو نور فراهم شود.

همچنین آنها می‌خواهند دستگاه را برای استفاده در سیستم‌های بیولوژیکی مختلف به کار بگیرند و از چندین نقطه برای تله‌گذاری هم‌زمان ذرات بیولوژیکی استفاده کنند تا آنها را به روش‌های پیچیده‌تری جابه‌جا نمایند.