در پیشرفتی هیجان‌انگیز، پژوهشگران توانسته‌اند الگوهایی دقیق را بر بدن کوچک و زنده‌ی خرس‌آبی‌ها (Tardigrades) حک کنند؛ جاندارانی که به دلیل مقاومت شگفت‌انگیزشان، شهرتی افسانه‌ای دارند. هدف این کار فقط افزودن به جذابیت ذاتی این موجودات میکروسکوپی نبود؛ بلکه این فناوری نوین می‌تواند مسیر ساخت دستگاه‌های زیست‌سازگار (Biocompatible Devices) در مقیاس بسیار کوچک، مانند حسگرها (Sensors)، مدارهای مجتمع (Integrated Circuits) و ربات‌های زنده‌ی نانومقیاس (Nanoscale Living Robots) را هموار کند.

فرایند «تتو کردن» همچنین اطلاعاتی به ما در مورد میزان مقاومت خارق‌العاده‌ی خرس‌آبی‌ها داد. بخشی از این جانداران توانستند این فرآیند را تاب بیاورند و پس از آن، با خالکوبی‌های نانویی خود در دنیای میکروسکوپی قدم بردارند.

دینگ ژائو (Ding Zhao)، مهندس نوری از دانشگاه فنی دانمارک (Technical University of Denmark)، توضیح می‌دهد: «ما تنها الگوهایی بر بدن خرس‌آبی‌ها ایجاد نکرده‌ایم، بلکه این فناوری را برای موجودات زنده‌ی دیگر، از جمله باکتری‌ها (Bacteria)، نیز گسترش داده‌ایم.»

فناوری لایه‌ی یخ؛ کلید ثبت نقوش زنده

حکاکی الگوهای ظریف بر روی اجسام بسیار کوچک، یکی از پایه‌های نانوفناوری (Nanotechnology) به شمار می‌رود. تاکنون پیشرفت‌های زیادی در انتقال فناوری‌های موجود به ابعاد نانویی صورت گرفته بود، اما پیاده‌سازی نقش‌های بسیار دقیق بر روی موجودات زنده، همچنان چالشی سخت محسوب می‌شد.

ژائو و همکارانش با بهره‌گیری از تکنیکی به نام لیتوگرافی یخی (Ice Lithography)، این مانع را پشت سر گذاشتند. در لیتوگرافی الکترونی (Electron-Beam Lithography)، پرتوی الکترون به هدف شلیک می‌شود تا نقش‌هایی در ابعاد نانومتری حک شود. اما این روش می‌تواند آلودگی یا آسیب‌هایی در سطح ایجاد کند.

استفاده از لایه‌ای نازک از یخ میان پرتوی الکترون و سطح هدف، این مشکلات را برطرف کرده و امکان حکاکی با وضوحی کمتر از ۲۰ نانومتر را فراهم آورده است. برای درک بهتر این مقیاس، کافی است بدانیم قطر متوسط یک تار موی انسان بین ۸۰٬۰۰۰ تا ۱۰۰٬۰۰۰ نانومتر است و اندازه‌ی خرس‌آبی‌ها حدود ۵۰۰٬۰۰۰ نانومتر برآورد می‌شود.

ایجاد نقش‌های میکروسکوپی بر بدن جان‌سختان کوچک

دانشمندان برای آماده‌سازی خرس‌آبی‌ها، ابتدا آن‌ها را به حالت «تون» (Tun) وارد کردند؛ حالتی که طی آن، خرس‌آبی آب بدن خود را از دست داده و متابولیسم (Metabolism) را به حال تعلیق در می‌آورد. این وضعیت که «کریپتوبیوزیس» (Cryptobiosis) نام دارد، به خرس‌آبی‌ها امکان می‌دهد در برابر شرایطی چون یخ‌زدگی یا جوشیدن مقاومت کنند.

هر بار، تنها یک خرس‌آبی وارد مرحله‌ی حکاکی می‌شد تا آسیب‌های ناشی از آزمایش به حداقل برسد. نمونه‌ها روی صفحه‌ای از کاغذ کربن-کامپوزیت قرار داده شده و در محفظه‌ای خلأ تا دمای منفی ۱۴۳ درجه‌ی سانتیگراد سرد شدند.

سپس لایه‌ای از آنیسول (Anisole)، یک ترکیب مایع بی‌رنگ با بوی شبیه به انیسون (Anise)، بر روی بدن خرس‌آبی یخ‌زده پاشیده شد. پرتوی الکترون با تابش به این پوشش، ترکیبی شیمیایی جدید ایجاد کرد که به پوست جانور چسبید.

با گرم شدن تدریجی، نقش‌های ظریف، با جزئیاتی به کوچکی ۷۲ نانومتر، بر بدن خرس‌آبی‌ها پایدار ماند. در نهایت، خرس‌آبی‌ها از خلأ خارج، دوباره آبرسانی (Rehydration) شده و فرآیند احیا آغاز شد.

زنده ماندن ۴۰ درصد؛ امید به آینده‌ی نانوزیست‌شناسی

نتایج نشان داد که حدود ۴۰ درصد از خرس‌آبی‌ها توانستند این فرآیند را پشت سر بگذارند و پس از بازگشت به حالت فعال، با خالکوبی‌های جدید خود حرکت کنند. نکته‌ی شگفت‌انگیز این است که این نشانه‌ها حتی پس از کشیده شدن، خیس شدن، شستشو یا خشک شدن همچنان پابرجا ماندند.

محققان در مقاله‌ی خود نوشتند: «این پژوهش با موفقیت نشان می‌دهد که ایجاد نقش‌های میکرو و نانو بر موجودات زنده به کمک لیتوگرافی یخی امکان‌پذیر است.»

البته باید توجه داشت که مقاومت خرس‌آبی‌ها به مراتب بیشتر از بسیاری موجودات دیگر است و دیگر جانداران ممکن است توان تحمل چنین فرآیندی را نداشته باشند. این تحقیق گام نخست محسوب می‌شود و هدف بعدی دانشمندان، بهبود تکنیک‌ها برای افزایش نرخ بقاء خواهد بود.

ژائو و تیمش امیدوارند که با توسعه‌ی این روش، بتوانند آن را بر دیگر موجودات مقاوم به تنش یا قابل کرایوپزشکی (Cryopreservation) نیز پیاده کنند. این فناوری می‌تواند راهگشای ساخت حسگرهای میکروبی، ابزارهای زیست‌الهام‌گرفته (Biomimetic Devices) و ربات‌های زنده‌ی میکروسکوپی باشد.

خرس‌آبی‌ها: جاندارانی سرسخت و شکست‌ناپذیر در دنیا

خرس‌آبی‌ها (Tardigrades)، موجودات میکروسکوپی با بدنی کوتاه و فربه، یکی از مقاوم‌ترین شکل‌های حیات روی زمین به شمار می‌روند. این جانوران در حدود نیم میلیمتر طول دارند و در زیست‌بوم‌های گوناگون از کوه‌های بلند تا کف اقیانوس‌ها یافت می‌شوند. شگفتی اصلی این جانداران، توانایی بی‌نظیرشان در زنده ماندن در شرایطی است که دیگر موجودات نابود می‌شوند. آن‌ها می‌توانند سرمای منفی ۲۷۲ درجه‌ی سانتیگراد، گرمای ۱۵۰ درجه، فشار بالا‌تر از عمیق‌ترین نقاط اقیانوس و حتی تابش‌های کشنده‌ی فضایی را تحمل کنند. دلیل این مقاومت، ورود به حالت کریپتوبیوزیس (Cryptobiosis) است که در آن، همه‌ی فعالیت‌های متابولیکی بدنشان تقریباً متوقف می‌شود. در این وضعیت، خرس‌آبی‌ها به صورت توده‌ای خشک و کوچک در می‌آیند که می‌توانند سال‌ها بدون آب یا غذا زنده بمانند. این ویژگی‌ها، خرس‌آبی‌ها را به جواهری گرانبها در تحقیقات علمی، زیست‌شناسی فضایی و فناوری‌های نوین تبدیل کرده است.

چرا خرس‌آبی‌ها برای آینده‌ی علم اهمیت دارند؟

خرس‌آبی‌ها فقط به دلیل مقاومتشان جذاب نیستند؛ بلکه به عنوان مدلی زنده برای پژوهش در زمینه‌ی حیات پایدار، نانوفناوری و سفرهای فضایی نیز اهمیت دارند. دانشمندان با بررسی این موجودات می‌توانند مکانیسم‌های زنده ماندن در محیط‌های فرابحرانی را بهتر درک کنند. کشف ساختارهای ژنتیکی و پروتئین‌های حفاظتی در بدن خرس‌آبی‌ها، راه را برای درمان بیماری‌ها یا افزایش بقای سلولی در پزشکی باز می‌کند. همچنین، شبیه‌سازی رفتارهای حفاظتی خرس‌آبی‌ها می‌تواند به توسعه‌ی فناوری‌های مقاوم در برابر تابش‌های کیهانی کمک کند. پروژه‌هایی مانند «ارسال حیات به مریخ» یا ساخت میکروربات‌های زیستی برای کاربردهای پزشکی، از نتایج مستقیم پژوهش بر این جانداران خواهد بود. بنابراین، خرس‌آبی‌ها نه تنها نماد استقامت، بلکه کلید گشودن دروازه‌های تازه در علم و فناوری محسوب می‌شوند.

منبع: Nano Letters