في عام 2023، أطلق المنتدى الاقتصادي العالمي على التقارب البيولوجي اسم الاتجاه الضخم الذي سيعيد تعريف القرن الحادي والعشرين. وفقًا لـ مقالة على موقع المنتدى الاقتصادي العالمي (WEF)إن علم الأحياء وعلوم البيانات في مسار تصادمي. ولكن كما هو الحال مع جميع التصادمات، إذا التقت الجسيمات الصحيحة للمادة في الاتجاه الصحيح، فستكون النتيجة تغييرًا ناجحًا.
تتبنى شركة Imec هذه الفكرة وقد بنت استراتيجيتها للرعاية الصحية حول التقارب البيولوجي. كأس العالم للتنس 2024 في لوفين، شارلوت دي هولستسلط مدير محفظة العلوم الحيوية في Imec الضوء على بعض المشاريع التي تعمل عليها منظمة البحث والتكنولوجيا البلجيكية لجلب خبرتها في تكنولوجيا أشباه الموصلات إلى عالم العلوم الحيوية.
لقد سمعنا جميعًا ما يمكن لبرنامج ChatGPT أن يفعله باللغة الطبيعية، كما قال دي هولست. علم الأحياء هو لغة طبيعية أخرى، مبنية على بضعة أحرف فقط تكون أكثر تعقيدًا بكثير عند تجميعها في ما نسميه شفرتنا الجينية.
ولكن، كما أشار باحثو Imec خلال دراسة حديثة يوم المستثمرين في شركة جينكو بايووركس في الواقع، فإن علم الأحياء يمثل مشكلة أكثر تعقيدًا بكثير ولا نفهم جميع القواعد. قبل أن نتمكن من تطبيق قوة نماذج اللغة الكبيرة (LLMs) على الذكاء الاصطناعي التوليدي (GenAI) لعلم الأحياء، نحتاج إلى اكتساب فهم أفضل لكيفية عمل علم الأحياء ونحتاج إلى رقمنة ما نعرفه بالفعل.
وفقًا لدوهولست، فإن أقل من 1% من البيانات البيولوجية الموجودة حاليًا متاحة. ونحن بحاجة إلى أدوات لتحويل هذه البيانات إلى بحيرة بيانات من المعلومات البيولوجية التي يمكن استخدامها لتدريب خوارزميات الذكاء الاصطناعي.
وستشمل الأدوات مجاهر جزيئية أكثر تطوراً تسمح لنا بفهم ما يحدث داخل الخلايا على مستوى أعمق وكيف تتواصل الخلايا مع بعضها البعض.
وقال داهلست: “ساعدت إيميك في تسليط الضوء على بعض جوانب علم الأحياء من خلال النظر بدقة غير مسبوقة في بنية البروتينات والحمض النووي الطويل الأمد وحتى الدماغ”.
“ولكن في حين تم تحقيق الكثير من التقدم بالفعل باستخدام التكنولوجيا الحديثة، مثل تسلسل الجيل التالي لقراءة البيولوجيا وCRISPR/Cas9 لتحرير البيولوجيا، فإن هذا التقدم ليس سوى غيض من فيض.”
خمسة مجالات لتكنولوجيا التقارب البيولوجي تبرز في التركيز
إحدى تقنيات التقارب البيولوجي التي تعمل عليها شركة Imec تتعلق بالبيولوجيا الاصطناعية.
وقال داهلست: “إذا نظرنا إلى اللبنات الأساسية المستخدمة لتطوير الجيل التالي من العلاجات وفي علم الأحياء الاصطناعي لفهم أو حتى خلق حياة جديدة، فإن الأمر كله يتلخص في الأحماض النووية، وخاصة الحمض النووي، مما يجعلها عنصرًا رئيسيًا في الكثير من البحث والتطوير المتعلق بالصحة”.
ورغم أن تكلفة تسلسل الحمض النووي (قراءة الحمض النووي) انخفضت بمقدار ستة أضعاف على مدى السنوات العشرين الماضية، فإن تخليق الحمض النووي بتكلفة فعّالة (كتابة الحمض النووي) لا يزال يشكل تحدياً. ولا تزال تكاليفه اليوم هي نفسها تقريباً كما كانت قبل عشرين عاماً.
وتعمل شركة إيميك أيضاً على تطوير قابلية التوسع، ولكن كيفية توسع التكنولوجيا تعتمد على التطبيق. ففي مجال تطوير الأدوية والبيولوجيا الاصطناعية، يعني التوسع التوازي ــ إنتاج تسلسلات فريدة في وقت واحد لفحص ملايين الحلول المرشحة المختلفة. ولكن في مجال الطب الدقيق، حيث تكون هناك حاجة إلى جرعة واحدة من الدواء لمريض معين، فإن التوسع مختلف تماماً.
وقال داهولست: “نحن نعمل على تطوير مخططات قابلة للتطوير بدرجة كبيرة لمعالجة الأقطاب الكهربائية، بما في ذلك المعالجة اللاحقة لمصفوفات الأقطاب الكهربائية على دوائر خاصة بالتطبيق، حتى يتمكن المصنعون من التحكم في تخليق ما يصل إلى مئات الملايين من الأحماض النووية الفردية”. “تعمل Imec أيضًا على معالجة تحديات الكمية، من خلال زيادة المساحة التي يتم عليها تخليق الأحماض النووية لزيادة الكمية”.
وتتمثل المهمة الثالثة التي تقوم بها شركة إيميك في البحث عن طرق لتخصيص بعض العمليات الأساسية في تصنيع أشباه الموصلات للمساعدة في الرعاية الصحية. وتبحث شركة الأبحاث في كيفية تحسين شبكات الأسلاك النانوية، أو الهياكل ثلاثية الأبعاد، أو الطباعة الحجرية النانوية لتطبيقات التقارب البيولوجي.
المجال الرابع للتقارب البيولوجي الذي تبحثه شركة إيميك هو طرق خفض التكلفة. “هنا، تأتي خبرتنا في مجال السوائل السريعة، لأن هذا يسمح لنا بتنظيف الكواشف وخلطها في أقل من ثانية، وإجراء تفاعل البوليميراز المتسلسل [polymerase chain reactions] “في أقل من خمس دقائق، وبكمية أقل بكثير من الكواشف، الأمر الذي يؤثر بدوره على التكلفة”، كما قال داهلست.
وتعمل شركة إيميك أيضًا على علوم الأعصاب. ويقول داهست: “لقد اقتصر عملنا لفترة طويلة على تخطيط كهربية الدماغ، والإشارات المجمعة من مناطق معينة من الدماغ والتحفيز العميق الأساسي للدماغ”.
ولكن يمكن الآن استخدام تقنيات التقارب البيولوجي لتفسير الإشارات بين الخلايا العصبية – وتقوم Imec بتطوير ثلاث منصات مختلفة للتكنولوجيا العصبية. ووفقًا لـ D’Hulst، فقد أنشأت منظمة الأبحاث بالفعل أدوات عالية الدقة تسمح للممارسين والباحثين بدراسة هياكل دماغية متعددة في وقت واحد على مستوى خلية عصبية واحدة. وأضافت: “لقد نشرت Imec أكثر من 16000 من مجسات NeuroPixel هذه في أكثر من 900 مختبر بحثي على مستوى العالم”.
وتعمل شركة إيميك على تطوير مكونات لغرسات جديدة لعلاج الأمراض المزمنة. وهذه الغرسات صغيرة الحجم ومتصلة لاسلكياً ولا تتطلب بطاريات. وتشمل هذه الغرسات أجهزة تحفيز عصبية يمكن استخدامها لتحفيز أجزاء معينة من الدماغ. كما تبحث المنظمة البحثية البلجيكية في إنشاء واجهات غير جراحية مع الدماغ البشري باستخدام، على سبيل المثال، تقنية التصوير الصوتي الضوئي.
تساعد التكنولوجيا في مراقبة المرضى
إن أحد المجالات التي تحتاج إلى تحسين في مجال الرعاية الصحية هو مراقبة المرضى، ومن الأفضل أن يكون ذلك بطريقة غير تدخلية تسمح للممارسين بمراقبة الأشخاص وهم يمارسون حياتهم الطبيعية.
وعلى نفس المنوال، تقدم شركة إيميك شكلاً موجيًا جديدًا، وهو التصوير المقطعي بالنقاط. والنقاط عبارة عن شكل من أشكال الضوضاء. ويتم إسقاط الضوء المتماسك على الأنسجة الحية، مما يتسبب في تحرك الجسيمات في الأنسجة، مما يؤدي إلى تغيير نمط النقاط بطرق توفر نظرة ثاقبة للأنسجة والشرايين الأساسية. ويمكن أن يساعد هذا الممارسين على ملاحظة العلامات الحيوية مثل معدل ضربات القلب والأكسجين والتنفس وضغط الدم دون اتصال مباشر.
ولكن ربما تكون التكنولوجيا الأكثر إثارة للاهتمام التي يقدمها مركز إيميك هي الحبة القابلة للابتلاع المزودة بهوائي لاسلكي لإرسال الملاحظات من داخل الجسم. ووفقاً لدي هولست، في حين يعاني واحد من كل أربعة أشخاص من مشاكل في الهضم، فإن الأساليب الحالية لمعرفة ما يحدث في الأمعاء (على سبيل المثال، التنظير السريري أو تنظير القولون) باهظة الثمن ومرهقة ولا تظهر ما يحدث مع المريض طوال اليوم.
وقال دي هولست إن شركة إيميك تعمل على طرح حبة معوية بحجم حبة فيتامين يمكن بلعها. ويمكن استخدامها لقياس أشياء مختلفة ــ على سبيل المثال، درجة الحموضة أو الالتهاب ــ وتتضمن هوائياً لنقل البيانات لاسلكياً من أمعاء المريض. وأنهت إيميك أول تجربة بشرية لهذا المستشعر القابل للابتلاع في الشتاء الماضي، وهي تعمل حالياً على تطوير حساس من الجيل الثاني يمكنه حتى أخذ عينات من الأمعاء.
