البروفيسور ديون يقدّم VINPix: الفوتونيات النانوية والذكاء الاصطناعي لتحليل المتعدد-أوميات على شريحة واحدة

أعلنت IEEE Spectrum عن ندوة مجانية عبر الإنترنت حول كيفية مساهمة الفوتونيات النانوية والذكاء الاصطناعي في تسريع التسلسل الجزيئي وتحديد النمط الظاهري للخلايا المفردة. وتتركّز الندوة على منصة VINPix، التي تجمع على شريحة واحدة بين مرنانات فوتونية سيليكونية والطباعة الحيوية الصوتية وخوارزميات لتحليل البيانات متعددة الأوميات.

ما الذي سيُعرض في الندوة

يتمثل الموضوع الرئيسي للندوة في محاولة تقليص الفجوة بين سرعة معالجة الطبيعة الحية للمعلومات وسرعة البنية التحتية الحاسوبية الحديثة. وبحسب صياغة المنظّمين، تنقل المحيطات الحيوية البيانات بسرعة تفوق سرعة المحيط التقني بتسعة أضعاف من حيث رتبة المقدار. وقد صُمّمت منصة VINPix كواحدة من الأدوات التي يمكن أن تقرّب الأنظمة التقنية من هذه الكثافة والسرعة في التعامل مع الإشارات البيولوجية. والحديث هنا لا يدور عن نظرية بعيدة، بل عن بنية محددة للمستشعرات تصلح للتكامل على نطاق واسع.

«تنقل المحيطات الحيوية البيانات بسرعة تفوق سرعة المحيط التقني بتسعة

أضعاف من حيث رتبة المقدار».

تقوم VINPix على مرنانات فوتونية سيليكونية ذات معامل جودة Q عالٍ يتراوح بين آلاف وملايين، وحجوم أنماط دون طولية موجية، وكثافة تضم أكثر من 10 ملايين عنصر في السنتيمتر المربع. وعند دمجها مع الطباعة الحيوية الصوتية والذكاء الاصطناعي، يُفترض أن تتيح قراءة البصمات متعددة الأوميات، أي الجينات والبروتينات والمستقلبات، على شريحة واحدة وبسرعات لم تكن متاحة من قبل. وهذا تحوّل مهم للباحثين، فبدلًا من سلسلة أجهزة منفصلة ومراحل تحضير متعددة، تلوح فرصة لجمع عدة أنواع من القياسات الجزيئية في منظومة واحدة مدمجة.

أين يُنتظر الأثر

يركّز المنظّمون بصورة خاصة على السيناريوهات التطبيقية التي يمكن فيها استخدام هذه المستشعرات خارج المختبر التقليدي. ومن الأمثلة على ذلك التكامل مع الروبوتات الذاتية تحت الماء التابعة لمعهد أبحاث حوض مونتيري (Monterey Bay Aquarium Research Institute) لإجراء المراقبة الكيميائية الحيوية للمحيطات. وإذا نجح هذا النهج، فسيمكن إجراء القياسات الجزيئية بالقرب من موقع الحدث: في المياه وفي الظروف الميدانية وفي البيئات المعقدة التي تكون فيها سلسلة العمل المخبرية المعتادة بطيئة أو مكلفة للغاية. ويكتسب هذا أهمية خاصة لمهام علم البيئة والتنمية المستدامة والكشف المبكر عن التغيرات الكيميائية الحيوية.

وبحسب وصف الندوة، تغطي المنصة عدة اتجاهات في آن واحد:

• التحليل متعدد الأوميات على شريحة واحدة مع الكشف المتزامن عن الجينات والبروتينات والمستقلبات
• مستشعرات حيوية ميدانية لمراقبة المحيطات بالاقتران مع الروبوتات الذاتية
• تسلسل الببتيدات والمقترنات السكرية مع البحث عن أنواع جزيئية لم تُوصف من قبل
• تحديد خصائص البيئة الدقيقة للورم على مستوى الخلايا المفردة والحالات دون الخلوية

تُظهر هذه المجموعة أن VINPix لا تُقدَّم بوصفها نموذجًا أوليًا أكاديميًا ضيقًا، بل كتقنية منصّية. فلها طبقة أساسية تتمثل في مكوّنات فوتونية جديدة، وطبقة تطبيقية تشمل التشخيص ومراقبة البيئة والتعامل مع الأنماط الجزيئية النادرة. وهذه إشارة مهمة لسوق المستشعرات الحيوية: فالقفزة التالية قد لا تأتي من نماذج ذكاء اصطناعي أقوى فحسب، بل أيضًا من جيل جديد من الأجهزة ينتج منذ البداية بيانات أغنى.

لماذا يهمّ هذا الطب

يبدو الجزء الطبي من البرنامج طموحًا بالقدر نفسه. فتَعِد الندوة بمناقشة تسلسل الببتيدات والمقترنات السكرية، بما فيها الببتيدات المرتبطة بمعقّد التوافق النسيجي الرئيسي، إضافة إلى استخدام التحليل الطيفي الرامني الديناميكي والديناميكا الفوقية الحاسوبية (metadynamics) لتحديد أنواع جزيئية كانت غير مرئية سابقًا. وإذا أمكن دمج هذه الأساليب بصورة مستقرة مع القراءة الفوتونية السريعة وتحليل الذكاء الاصطناعي، فسيحصل الباحثون على أداة للبحث عن مؤشرات حيوية يصعب حاليًا أو يستغرق استخلاصها وقتًا طويلًا بالطرق القياسية.

ولا يقل الجزء المتعلق بالبيئة الدقيقة للورم إثارة للاهتمام. فهو يتناول التنبؤ دون الخلوي بمقاومة الأدوية واستقطاب البلاعم وحالات تنشيط الخلايا التائية (T-cells). وبعبارة أخرى، لا تستهدف المنظومة مجرد رصد وجود الخلايا الورمية، بل فهمًا أدق لسلوك البيئة المناعية المحيطة بالورم ولماذا يُجدي العلاج عند بعض المرضى ولا يُجدي عند آخرين. وهذا ذو قيمة خاصة في علم الأورام، لأن هذه الفروق بالذات باتت تحدد في أحيان متزايدة اختيار العلاج الشخصي.

ماذا يعني ذلك

عند تقاطع الفوتونيات والهندسة الحيوية والذكاء الاصطناعي، تظهر فئة جديدة من الأدوات التي قد تُسرّع العمل مع البيانات الجزيئية تسريعًا كبيرًا. وإذا أكدت VINPix القدرات المعلنة، فلن تبقى تقنيات التحليل متعدد الأوميات والمستشعرات الحيوية الميدانية وتحديد خصائص الخلايا بدقة أكبر حكرًا على مختبرات بعينها، بل ستصبح أساسًا لأنظمة طبية حيوية وبيئية جديدة.