باکتری‌‌ها و اینترنت اشیای نانوزیستی

محققان با اشاره به شباهت‌هایی که میان باکتری‌ها و اجزای معمول مورد استفاده در اینترنت اشیا وجود دارد بر این باورند که آن‌ها گزینه مناسبی برای استفاده در حوزه اینترنت اشیا هستند. با این ‌‌حال، در راه عملی کردن چنین ایده‌ای موانعی وجود دارد، از جمله اینکه زیرساخت مناسب برای پژوهش و تحقیق در زمینه استفاده از باکتری‌ها در اینترنت اشیا و HCI وجود ندارد. البته در صورت پیاده‌سازی موفقیت‌آمیز چنین ایده‌ای بازهم چالش‌هایی وجود دارد که از مهم‌ترین آن‌ها به مباحث اخلاقی باید اشاره کرد. مطلب فوق برداشتی آزاد از نظرات محققان دانشگاه کویین‌ماری لندن است. 

اینترنت اشیا شبکه‌ای است متشکل از دستگاه‌هایی که قادرند اطلاعاتی از محیط اطراف دریافت کنند، این اطلاعات را پردازش و ذخیره‌سازی کنند و در صورت نیاز بر محیط اثر بگذارند. ویژگی مهم این دستگاه‌ها توانایی برقراری ارتباط با یکدیگر و نیز با انسان است. حالا محققان در پی آزمودن ایده‌ای جدید در این حوزه هستند. آن‌ها سعی دارند به‌جای دستگاه‌های کامپیوتری از باکتری‌‌ به‌عنوان یک ماشین زیستی کارآمد، در اینترنت‌ اشیا استفاده کنند. باکتری‌ تمام واحدهای موجود در یک دستگاه مبتنی بر اینترنت اشیا را به بهینه‌ترین شکل در خود دارد؛ و از این‌رو به‌عنوان یک نانوماشین زیستی با قابلیت‌های حیرت‌انگیز شبکه‌سازی و ارتباطی که مجهز به حسگرهای متنوع زیستی است و قادر به پردازش و ذخیره‌سازی داده‌ها است، در قالب یک گزینه مناسب برای استفاده در IoBNT (اینترنت اشیا نانوزیستی) مورد توجه ویژه محققان قرار گرفته است. شاید ساده‌ترین راه برای بررسی نقش باکتری در پیاده‌سازی اینترنت اشیا و تعامل انسان-کامپیوتر، مقایسه آن‌ها با دستگاه‌های کامپیوتری باشد که در حال حاضر در اینترنت اشیا استفاده می‌شوند . در شکل ۱ بین باکتری ای‌کولای به‌عنوان ابزار محبوب پروژه‌های DIY (خودت انجام بده) زیستی و  ریزکامپیوتر رزبری‌پای به‌عنوان ابزار محبوب در پروژه‌های DIY رایانشی منبع‌باز مقایسه‌ای صورت گرفته است. ای‌کولای اطلاعات را در دی‌اِن‌اِی ذخیره کرده و آن‌ها را با استفاده از ریبوزوم پردازش می‌کند. دستکاری و مهندسی ای‌کولای نسبت به سایر گونه‌های باکتری ساده‌تر است.

شکل۱ - در این تصویر اجزای یک باکتری با اجزای معمول نصب شده در یک رزبری‌پای مقایسه شده است.

حسگر‌ها و محرک‌ها

باکتری می‌تواند انواع مختلفی از محرک‌ها نظیر نور، محرک‌های شیمیایی، مکانیکی، میدان الکترومغناطیس و دما را حس کند و با روش‌های مختلفی نظیر حرکت با استفاده از تاژک‌ها (شکل ۲) یا به‌طور مثال با تولید پروتئین‌هایی به این محرک‌ها واکنش نشان دهد (شکل ۳). همین تنوع عملکرد حسگر‌ها و محرک‌های باکتریایی سبب می‌شود که آن‌ها در مقایسه با اجزای  مورد استفاده در اینترنت‌ اشیا کامپیوتری، میزان پاسخگویی، حساسیت و پایداری گسترده‌تری داشته باشند. 

شکل۲ - جماعتی از باکتری‌های ای‌کولای به رنگ قرمز در لوله آزمایش. آن‌ها با استفاده از اندامک‌هایی موسوم به تاژک قادر به حرکت در محیط لوله‌ آزمایش هستند و در این تصویر الگوهای حرکتی مختلفی را از آن‌ها می‌بینیم.

واحد کنترل، حافظه و پردازنده

دی‌اِن‌اِی موجود در باکتری امکان ذخیره‌سازی داده و رمزگشایی دستوراتی را فراهم می‌کند که این دستورات، نقش‌های مهمی را ایفا می‌کنند. دی‌اِن‌اِی نقش‌هایی، مشابه واحد کنترل کامپیوتر، واحد حافظه و واحد پردازش دارد. به‌طور مثال، در ای‌کولای دو گونه دی‌اِن‌اِی وجود دارد. یکی حاوی دستورالعمل‌های لازم برای کارکرد سلول است و دومی، واحد‌های حلقوی کوچک‌تری که پلاسمید (plasmid) نام دارند. در زیست‌شناسی مصنوعی، معمولاً ‌گونه دوم از دی‌اِن‌اِی  دستکاری می‌شود و به منظور افزودن قابلیت‌های مورد نیاز به سلول و تبدیل کردنش به ابزاری با کارکرد دلخواه،  انواعی از ژن‌ها را به آن تزریق می‌کنند. در این حالت سلول دستکاری شده قادر به انجام کارهای موردنظر است و می‌تواند به ذخیره‌سازی داده‌های جدید بپردازد. 

شکل۳ - باکتری ای‌کولای در پاسخ به یک محرک، زیر نور فرابنفش به رنگ سبز می‌درخشد.

تبادل داده در نانوشبکه‌ها

غشای سلولی به‌عنوان ابزاری برای تبادل و ارتباط با جهان بیرون از سلول طراحی شده است. تبادل مولکول‌ها در سلول به‌عنوان بخشی از فرآیند پیام‌رسانی سلول محسوب می‌شود. علاوه بر این، باکتری از رشته‌های بسیار باریکی به‌‌نام مویک (pilus) برای اتصال به سلول‌های دیگر و تبادل دی‌اِن‌اِی استفاده می‌کند. به‌طور کلی این نوع ارتباطات به‌عنوان ارتباطات مولکولی شناخته می‌شوند. نانوشبکه‌های باکتریایی (Bacterial Nanonetworks) که مورد توجه متخصصان اینترنت اشیا قرار دارند بر پایه همین ارتباطات ایجاد می‌شوند. وظیفه اصلی این شبکه‌ها برقراری ارتباط باکتری‌ها با یکدیگر است. در روش فوق پیام‌رسانی از طریق مولکول‌هایی که با یکدیگر در ارتباط هستند انجام می‌شود. محققان به تازگی دریافته‌اند این ارتباطات، مبتنی بر میدان‌های الکتریکی است. باکتری‌‌ها از طریق جابجایی فیزیکی نیز با هم ارتباط برقرار می‌کنند. باکتری‌هایی نظیر ای‌کولای با استفاده از اجزایی که به نوعی موتورهای زیستی محسوب می‌شوند و تحر‌ک‌پذیری بالایی دارند اطلاعات را منتقل می‌کنند. در این حالت، اطلاعات دیجیتال به قالب دی‌اِن‌اِی کدگذاری می‌شوند تا قابل انتقال به درون سلول‌های باکتری باشند. در روش فوق هر زمان نیاز بود امکان رمزگشایی اطلاعات و تبدیل آن‌ها به شکل دیجیتال فراهم است. (شکل‌های ۴ و ۵)

شکل۴ - اطلاعات دیجیتال در قالب دی‌اِن‌اِی کدگذاری شده و به باکتری (ساکن) منتقل می‌شود. باکتری متحرک که قرار است پیام را حمل کند، این اطلاعات را از باکتری ساکن دریافت کرده و با حرکت در محیط، آن‌را به مقصد می‌رساند و در نهایت داده‌های ذخیره شده به‌صورت دیجیتال بازیابی می‌شود. 

چالش‌ تحقیقات

زیرساخت‌ پژوهشی در زمینه استفاده از باکتری‌ها در اینترنت اشیا و HCI کاستی‌هایی دارد. در کنار فرصت‌هایی که استفاده از باکتری در حوزه اینترنت اشیا و تعامل انسان- کامپیوتر عرضه می‌کند، کار کردن مستقیم با آن‌ها ممکن است چالش‌های عملی و اخلاقی داشته باشد. به دلیل طبیعت زیستی باکتری‌ها، برای دستکاری کردن و کار کردن با آن‌ها باید دقت لازم را به‌کار بگیریم. این‌ها چالش‌هایی است که معمولاً در هنگام کار با کامپیوترها و دستگاه‌های کامپیوتری با آن‌ها روبه‌رو نیستیم. کار با این سامانه‌های مبتنی بر باکتری نیازمند نظارت متخصصان، کسب مجوز قانونی برای استفاده از برخی میکروب‌ها و صرف هزینه زیاد است و چالش‌های اخلاقی و ایمنی از جمله مواردی است که در این زمینه باید به آن‌ها دقت شود. از سوی دیگر بسیاری از پژوهشگران و علاقه‌مندانی که می‌خواهند روی این سامانه‌ها مطالعه کنند با عملکرد باکتری‌ها آشنا نیستند و نمی‌توانند به‌طور مناسبی با‌ آن‌ها کار کنند. شاید کمک گرفتن از جنبش زیست‌ فناوری DIY و بازی‌انگاری (gamification) بخشی از این چالش‌ها را مرتفع کند و روند تحقیق در این حوزه را تسهیل نماید. 

شکل۵ - عملکرد نانوشبکه باکتریایی: باکتری از سمت چپ حرکت کرده، پیام را از باکتری مستقر در وسط ظرف دریافت می‌کند و آن‌را به مقصد در سمت راست می‌رساند. 

زیست‌شناسی DIY و بازی‌انگاری

جنبش زیست‌شناسی DIY  به دنبال مساعد کردن شرایط تحقیق و توسعه در حوزه زیست فناوری و در دسترس عموم قرار دادن ابزارها، داده‌ها و مواد مورد نیاز است. این جنبش بر تغییر چشم‌انداز اقتصادی صنعت زیست‌فناوری مدرن متکی است که نتیجه آن کاهش پیوسته هزینه سنتز و توالی‌یابی دی‌اِن‌اِی است. در حال حاضر ابزارها و روش‌های مورد نیاز برای اجرای آزمایش‌های کوچک روی میکروارگانیزم‌ها، در دسترس عموم مردم قرار دارد. محصولات آموزشی نظیر آنچه Amino Labs عرضه می‌کند امکان دستکاری و مهندسی ژنتیک گونه‌ای‌ از ای‌کولای (K-12 E.coli) را در اختیار علاقه‌مندان قرار می‌دهد. این محصول به افراد کمک می‌کند با ساخت مدارهای ژنتیکی که به طیف متنوعی از محرک‌های محیطی پاسخ می‌دهند به تجربیاتی نظیر ایجاد رنگ‌های دلخواه از باکتری‌ها دست بزنند (شکل‌های ۶ و  ۷). باکتری‌ها به ویژه ای‌کولای گزینه‌های مناسبی برای استفاده در پروژه‌‌های دستکاری‌های زیستی (biohacking) هستند، زیرا تهیه، کشت و نگهداری‌ آن‌ها ساده است. به‌عنوان مثال کارکردن با ای‌کولای K-12 که به‌عنوان استاندارد صنعت محسوب می‌شود به نسبت، ایمن‌تر است. آن‌ها به گونه‌ای مهندسی شده‌اند که تولید بیماری نکنند و در خارج از محیط آزمایشگاهی به سختی منتشر شوند. برخلاف اغلب گونه‌های باکتر‌ی، K-12  در آمریکا و اغلب بخش‌های اروپا به سادگی قابل خرید است. بازی‌انگاری(gamification) نیز می‌تواند کمک زیادی به پیشبرد تحقیقات در زمینه اینترنت اشیا  کند. محققان بر این باورند که بازی‌انگاری به درگیر کردن، یادگیری و تغییر نگرش افراد و جذب مشارکت و توجه کاربران به این حوزه کمک زیادی می‌کند. بازی‌انگاری میکروارگانیزم‌ها پیش از این هم مورد توجه بوده و به‌طور مثال بازی‌های زیستی از آن جمله‌اند که در آن بازیکن،  میکروب‌های حقیقی را روی یک پلتفرم‌ بازی کامپیوتری، کنترل می‌کند. به‌طور کلی می‌توان ادعا کرد که تجربه بازی‌انگاری میکروب‌ها در زمینه درگیر کردن مخاطب و یادگیری، تجربه موفقی بوده است. 

شکل۶ - محصولی از شرکت  Amino Labs که امکان دستکاری باکتری‌ها و انجام آزمایش در مقیاس کوچک را برای علاقه‌مندان فراهم می‌کند. 

شکل۷ - نمونه‌های از نتایج دستکاری ژنتیکی ای‌کولای با استفاده از محصول Engineer- t Kit شرکت Amino Labs

بحث‌های اخلاقی

نظیر همه کاربردهای قابل تصور برای اینترنت اشیا، ملاحظات اخلاقی و چالش‌های مربوط به حفظ امنیت داده‌های کاربران، در مورد سامانه‌های اینترنت اشیا مبتنی بر باکتری‌ها نیز مطرح است. جالب اینکه علاوه بر مواردی که مربوط به طبیعت زیستی چنین سامانه‌هایی است چالش‌های اخلاقی دیگری نیز وجود دارد. نخستین چالش، ناشی از طبیعت خودمختار باکتری‌ها است. از آن‌جایی‌که آن‌ها به‌طور خودمختار می‌توانند تکامل یافته و رفتار کنند، ممکن است برای زیست‌بوم‌های طبیعی خطرآفرین باشند و حتا عامل بیماری شوند. اگرچه چنین خطراتی در مورد نمونه‌های آموزشی نظیر ای‌کولای K12  باعث نگرانی نیست، اما بهتر این است که به موضوع با دید بازتری نگاه کنیم و بدترین سناریوها را در نظر داشته باشیم. از جمله مشکلات دیگر این است که برخلاف شبکه‌های اینترنتی معمول، وقتی اطلاعات از طریق باکتری ارسال شد، به سختی می‌توان آن اطلاعات را ردیابی کرد. اگر چه ممکن است بتوان با مهندسی سطح‌ بالای باکتری‌ها، به روش‌های ارتباطی بهینه‌تری دست یافت، اما در هر حال  با اجزای زیستی سرو کار داریم که ممکن است ما را به نتایج دور از انتظاری برسانند (به‌طور مثال، از طریق جهش‌های ژنتیکی). به‌طورکلی باید گفت در حالی‌که استفاده از باکتری‌ها در اینترنت‌ اشیا و تعامل  انسان-کامپیوتر فرصت‌های جالب‌توجهی پیش‌رو می‌گذارد، اما از سوی دیگر چالش‌های جدیدی به وجود می‌آورد و به همین دلیل لازم است که بیشتر به بررسی چنین کاربردهایی بپردازیم.