طراحی آینده ای انعطاف پذیرتر برای گیاهان، از سلول به بالا | اخبار MIT

در نوار باریکی از زمین در امتداد رشته کوه آند در مرکز شیلی، یک جامعه بومی مدت‌هاست که پوست یک درخت کمیاب را به دلیل خواص دارویی آن جشن می‌گیرند. علم مدرن اخیراً به این سنت رسیده است و یافته است که درخت پوست صابونی حاوی ترکیبات قوی برای تقویت سیستم ایمنی انسان است.

از آن زمان این مولکول ها برای ساختن اولین واکسن مالاریا در جهان و افزایش اثربخشی واکسن ها برای همه چیز از زونا گرفته تا کووید-19 و سرطان به کار گرفته شدند. متأسفانه، برداشت ناپایدار موجودیت گونه های درختی را به خطر انداخته است و دولت شیلی را به شدت محدود کردن چوب بری کرده است.

داستان درخت صابون منحصر به فرد نیست. گیاهان پایه و اساس صنایعی مانند داروسازی، زیبایی، کشاورزی و جنگلداری هستند. حدود 45 درصد گونه های گیاهی در خطر انقراض هستند. در عین حال، تقاضای انسان برای محصولات گیاهی همچنان در حال افزایش است. Ashley Beckwith SM ’18, PhD ’22 معتقد است برآورده شدن این تقاضا مستلزم بازنگری در نحوه رشد گیاهان است. شرکت او، Foray Bioscience، قصد دارد تولید گیاهی را سریع‌تر، سازگارتر کند و به زنجیره‌های تامین طبیعی شکننده‌تر آسیب برساند.

این شرکت در تلاش است تا امکان رشد هر گیاه یا محصول گیاهی را از تک سلولی با استفاده از تولید زیستی با استفاده از هوش مصنوعی فراهم کند. Foray قبلاً مولکول‌ها، مواد و دانه‌های ساخته شده را با شرکای مختلف از جمله محققان دانشگاهی، مهدکودک‌ها، حافظان محیط زیست و شرکت‌ها توسعه داده است.

در یک مشارکت جدید، Foray با مهد کودک West Coast Chestnut کار می‌کند تا نسخه مقاوم‌تری از درختان شاه بلوط را که زمانی جنگل‌های سراسر شرق ایالات متحده را پر می‌کرد اما از آن زمان از بین رفته‌اند، مقاوم‌تر کند. این پروژه تنها نمونه‌ای از این است که چگونه می‌توان از هوش مصنوعی و علوم گیاهی برای محافظت از جمعیت‌های گیاهی استفاده کرد که ارزش زیادی برای انسان و کره زمین به ارمغان می‌آورد.

بکویث می‌گوید: «سیستم‌های گیاهی زیربنای هر جنبه‌ای از زندگی روزمره ما هستند، از هوایی که تنفس می‌کنیم تا غذایی که می‌خوریم، لباس‌هایی که می‌پوشیم، خانه‌هایی که در آن زندگی می‌کنیم و موارد دیگر». اما این سیستم‌های گیاهی شکننده هستند و در حال زوال هستند.

از سلول های انسانی گرفته تا گیاهان

بکویث به عنوان دانشجوی کارشناسی ارشد در گروه مهندسی مکانیک MIT بر روی زیست شناسی و ساخت مواد متمرکز شد. تحقیقات او شامل ساخت سکوهایی برای فعال کردن درمان های دقیق برای بیماری های انسانی بود. پس از فارغ التحصیلی، او در یک مزرعه احیا کننده و خودکفا که اکوسیستم های طبیعی را تقلید می کرد، کار کرد و به فکر استفاده از کار خود برای رسیدگی به شکنندگی سیستم های گیاهی افتاد.

بکویث برای دکترای خود به MIT بازگشت تا ایده سیستم‌های گیاهی احیاکننده را بررسی کند و در آزمایشگاه دانشمند پژوهشی لوئیس فرناندو ولاسکوئز-گارسیا در دپارتمان مهندسی برق و علوم کامپیوتر تحصیل کرد.

بکویث می‌گوید: «برای رفع کمبود عضو برای پیوند، دانشمندان آرزوی رشد کلیه‌هایی را دارند که لازم نیست با استفاده از مهندسی بافت از انسان برداشت شوند». “اگر ما بتوانیم کاری مشابه برای سیستم های گیاهی خود انجام دهیم چه؟”

بکویث در ادامه مقالاتی را منتشر کرد که نشان می داد او می تواند مواد گیاهی چوب مانند را در آزمایشگاه پرورش دهد. با تنظیم برخی از مواد شیمیایی، محققان می توانند به طور دقیق خواصی مانند سفتی و چگالی را کنترل کنند.

بکویث به یاد می‌آورد: «به این فکر می‌کردم که چگونه محصولاتی مانند چوب را از سلول به بالا به جای استخراج از بالا به پایین بسازیم. “این منجر به برخی تظاهرات بنیادی شد که زیربنای کار ما در فورای امروز انجام می‌شود، اما این پرسش‌ها را نیز مطرح کرد: این رویکردهای جدید به چه فوریت بیشتری نیاز دارند؟ برای استفاده سریع از این ابزارها در جایی که مورد نیاز هستند، چه چیزی لازم است؟”

Beckwith شروع به بررسی ایده راه اندازی یک شرکت در سال 2021 کرد، با شرکت در برنامه های شتاب دهنده که توسط E14 Fund و The Engine اجرا می شود – هر دو ابتکارات وابسته به MIT که برای حمایت از سرمایه گذاری های علمی موفق طراحی شده اند. او رسماً Foray را در فوریه 2022 پس از اتمام دکترای خود تأسیس کرد.

او می‌گوید: «تحقیقات اولیه ما نشان داد که می‌توانیم مواد چوب مانند را مستقیماً از سلول‌های گیاهی پرورش دهیم. ما اکنون می‌توانیم نه تنها چوب را بدون درخت رشد دهیم، بلکه مولکول‌ها، مواد و حتی دانه‌های بدون برداشت را با هدایت سلول‌های منفرد تولید می‌کنیم تا دقیقاً به محصولاتی که نیاز داریم بدون نیاز به رشد کل گیاه تبدیل شوند.»

بکویث نوآوری چوبی خود را که در آزمایشگاه رشد کرده است، مشابه اوبر توصیف می‌کند، در صورتی که اینترنت وجود نداشت – یک ایده قدرتمند بدون ستون فقرات دیجیتال برای مقیاس. برای ایجاد پایه داده و اکوسیستم برای مقیاس نوآوری گیاهی، Foray اکنون در حال ساخت پلت فرم Pando AI است تا امکان کشف و استقرار سریع این راه حل های جدید گیاهی را فراهم کند.

Beckwith می‌گوید: «پاندو مانند نقشه‌های گوگل برای رشد گیاهان عمل می‌کند. “این به دانشمندان کمک می کند تا در زمینه بسیار پیچیده ای از متغیرها پیمایش کنند و به طور موثر به یک مقصد تحقیقاتی برسند – زیرا برای هدایت یک سلول به سمت تولید یک محصول خاص، ممکن است 50 متغیر مختلف برای دستکاری وجود داشته باشد. کشف هر یک از آنها یک عمر طول می کشد، و این یکی از دلایلی است که امروزه تحقیقات گیاهی بسیار کند است.”

سیستم عامل علوم گیاهی

تیم Foray شامل کارشناسان زیست‌شناسی گیاهی، هوش مصنوعی، یادگیری ماشینی، زیست‌شناسی محاسباتی و مهندسی فرآیند است.

بکویث می گوید: «این یک مشکل بسیار متقاطع است. یکی از هیجان‌انگیزترین چیزها برای من، ساختن این تیم بسیار توانا است که قادر به ارائه راه‌حل‌هایی است که هرگز نمی‌توان در یک سیلو ایجاد کرد.»

پس از یک سال همکاری آزمایشی با محققان منتخب، Foray در حال آماده شدن برای راه اندازی عمومی گسترده تر پلت فرم Pando خود در اوایل امسال است.

در طی چندین سال آینده، Beckwith امیدوار است که Foray به عنوان یک موتور نوآوری برای محققان و شرکت‌هایی که در زمینه کشاورزی، مواد، داروسازی و حفاظت فعالیت می‌کنند، عمل کند. Foray در حال حاضر از Pando به صورت داخلی برای ایجاد راه حل های گیاهی استفاده می کند که بر محدودیت های تولید طبیعی غلبه می کند.

بکویث می‌گوید: «دانه‌های ساخته شده یکی از قابلیت‌هایی هستند که ما واقعاً در مورد آن هیجان‌زده هستیم». “توانایی رشد بذر از سلول‌ها به شما امکان می‌دهد منابع بذر واقعا به موقع و مقیاس‌پذیر را برای رفع شکاف‌های بازسازی، یا کوتاه‌تر کردن مسیر بازار برای انواع محصولات جدید و انعطاف‌پذیر ایجاد کنید. با سازگاری بیشتر سیستم‌های گیاهی ما چیزهای زیادی می‌توان به دست آورد.”

بکویث می‌گوید: «ما می‌خواهیم زمان‌بندی توسعه کارخانه را کوتاه کنیم، بنابراین می‌توان راه‌حل‌ها را در ماه‌ها ایجاد کرد، نه دهه‌ها». ما از ساخت ابزارهایی که نشان دهنده یک تغییر گام در روش تولید کارخانه هستند، هیجان زده هستیم.

از آنجایی که محصولات Foray مقیاس می‌شوند و محققان بیشتری از پلت فرم آن استفاده می‌کنند، این شرکت امیدوار است به صنعت علوم گیاهی کمک کند تا به برخی از چالش‌های مهم سیاره ما پاسخ دهد.

Beckwith می‌گوید: «در حال حاضر، ما روی گیاهان در آزمایشگاه‌ها تمرکز کرده‌ایم. در پنج سال آینده، هدف ما این است که سیستم عامل همه علوم گیاهی باشیم و ساخت هر چیزی را از یک سلول گیاهی ممکن کنیم.