‚Fokussierte Forschungsgruppen‘ nehmen auf neue Chancen in der Biotechnologie und Robotik

In einer Initiative zur Förderung der Zusammenarbeit zu Themen, die zu neu sind, um in bestehende Abteilungen und Zentren zu passen, Die Fakultät für Ingenieurwissenschaften und angewandte Wissenschaft hat ein Programm zur Finanzierung kleinerer Projekte ins Leben gerufen, interdisziplinäre Gruppen von Forschern, sogenannte Focused Research Teams. Die Schule hat drei erste Teams benannt, zwei in aufstrebenden Bereichen der Biotechnologie und eines in Robotik und „cyber-physikalischen“ Systemen. Jeder wird empfangen $250,000 pro Jahr für drei Jahre, Anschließend werden sie ausgewertet, um festzustellen, ob die Initiative fortgesetzt werden soll, sich zu einer größeren Anstrengung entwickeln oder abschließen.

„Das Entdeckungstempo und die Kreativität unserer Fakultät sind erstaunlich,“, sagte Emily Carter, Dekan der Ingenieurwissenschaften. „Und ein großer Teil dieser Arbeit geschieht, wenn Menschen aus unterschiedlichen Disziplinen beginnen zusammenarbeiten und sie inspirieren. In unserem jüngsten strategischen Planungsprozess, identifizierten wir die Notwendigkeit, die aufregendste neue Bereiche brüten und zu beschleunigen, so dass wir schneller ihre Vorteile für die Gesellschaft bringen kann.

„Ich war sehr beeindruckt von der Qualität der Vorschläge, die wir erhalten und bin begeistert, diese ersten drei Teams zu etablieren,“Sagte Carter, der Gerhard Andlinger Professor für Energie und Umwelt.

Carter und Vizedekan Antoine Kahn wählten die Teams aus zahlreichen Einsendungen aus, nach einem Peer-Review-Prozess.

Die ersten Focused Research Teams sind:

Präzisionsantibiotika

In ihrem Vorschlag, Dieses Team stellt fest, dass Antibiotika eine Säule der modernen Medizin sind, aber mit zwei großen Problemen konfrontiert sind: die zunehmende Fähigkeit gefährlicher Bakterien, selbst den stärksten Antibiotika zu widerstehen, und die Tendenz der meisten Antibiotika, sowohl hilfreiche als auch schädliche Bakterien auszulöschen. Das Team aus drei Fakultätsmitgliedern möchte beiden Problemen entgegenwirken, indem es eine neue Generation von Antibiotika entwickelt, die bestimmte Bakterien viel gezielter angreifen als herkömmliche Antibiotika.

Die Hauptforscher des Teams sind A. James Link, Professor der Chemie- und Biotechnik; Mark Brynildsen, außerordentlicher Professor für Chemie- und Bioingenieurwesen; und Mohamed Donia, Assistant Professor für Molekularbiologie. Die Gruppe schlägt zwei Hauptansätze zur Identifizierung präziser Antibiotikaverbindungen vor. Zuerst, Sie werden sich mit chemischen Verbindungen befassen, die bereits vom menschlichen Mikrobiom produziert werden – der Reihe nützlicher Bakterien, die den Körper bewohnen und bei der Verdauung und anderen Funktionen helfen. Diese hilfreichen Bakterien produzieren Chemikalien, die unerwünschte Neuzugänge in der Bakteriengemeinschaft abwehren. Das Team würde diese Abwehrchemikalien als Kandidaten für die Bekämpfung schädlicher Eindringlinge betrachten und gleichzeitig nützliche Bakterien in Ruhe lassen.

Ein zweiter Ansatz besteht darin, sich auf Prozesse zu konzentrieren, die schädliche Bakterien nutzen, um ihre toxischen Wirkungen hervorzurufen, die aber für das Leben der Bakterien nicht notwendig sind. Beispielsweise, Die Bakterien, die häufige Staphylokokkeninfektionen verursachen, produzieren ein Pigment, das von menschlichen Immunzellen produzierte Chemikalien neutralisiert, Dies hilft den Staphylokokken, der Zerstörung zu entgehen. Ein Medikament, das dieses schützende Pigment angreift, könnte Staphylokokkenbakterien so stark schwächen, dass sie unschädlich werden, aber nicht so stark, dass sie eine Resistenz gegen Antibiotika entwickeln. Die Forscher werden auch die beiden Ansätze kombinieren, auf der Suche nach Antivirulenzverbindungen im natürlichen Biom.

„Die Zunahme der Antibiotikaresistenz bei Bakterien ist eine der größten gesundheitlichen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts,“, sagte Link. "Gleichzeitig, Es gibt eine zunehmende Wertschätzung für fast alle Bakterien, die auf uns leben, Unser Mikrobiom, harmlos oder sogar nützlich sind. Jeder von uns in diesem fokussierten Forschungsteam hat unterschiedliche, aber sich überschneidende Ansätze zur Bewältigung dieser Herausforderung. Mit dieser großzügigen Auszeichnung der School of Engineering, Wir können unsere Bemühungen bündeln und zusammenarbeiten, um im Antibiotika-Bereich einen großen Einfluss zu erzielen.“

Die Arbeit dieses Teams wird durch einen von Helen Shipley Hunt eingerichteten Fonds unterstützt, der einen Master-Abschluss in Mathematik in Princeton erwarb 1971.

Entwicklung lebender Organellen

Genauso wie Organe Teile des Körpers sind, die besondere Aufgaben erfüllen, Organellen sind Einheiten innerhalb von Zellen, die auch wesentliche Funktionen erfüllen – und zwar in beiden Fällen, Probleme mit diesen Komponenten sind für schwere Krankheiten verantwortlich. Ein Team aus Princeton-Forschern aus drei Abteilungen arbeitet daran, zu verstehen, wie sich subzelluläre Organellen entwickeln und wie man sie manipuliert, um Probleme zu beheben oder neue Funktionen zu schaffen. Dies könnte von der Behandlung von Krankheiten bis hin zur Herstellung von Biokraftstoffen von Nutzen sein.

Die Hauptforscher des Teams sind José Avalos, Assistenzprofessor für Chemie- und Biotechnik und das Andlinger Center for Energy and the Environment; Clifford Brangwynne, außerordentlicher Professor für Chemie- und Bioingenieurwesen; Mikko Haataja, Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik; und Jared Toettcher, Assistenzprofessor für Molekularbiologie.

Das Team plant, auf einer Flut neuer Entdeckungen und neuer Werkzeuge in Princeton aufzubauen, die überraschende Erkenntnisse darüber liefern, wie Organellen entstehen und wie sie manipuliert werden könnten. Beispielsweise, Das Team hat ein neues Verständnis von membranlosen Organellen entwickelt – Strukturen, die nicht durch eine Wand gebunden sind, sondern selbstorganisierte Molekülcluster sind, die frei in der Flüssigkeit im Inneren von Zellen schweben. Es wird angenommen, dass Störungen solcher Strukturen mit verschiedenen Störungen verbunden sind, einschließlich Amyotropher Lateralsklerose oder Lou-Gehrig-Krankheit. Brangwynne wurde kürzlich für seine Arbeit auf diesem Gebiet mit zwei großen Auszeichnungen gewürdigt: Auswahl als 2018 MacArthur Fellow, und eine siebenjährige Anstellung als Howard Hughes Medical Investigator, eine der höchsten Auszeichnungen in den Lebenswissenschaften.

Zusammen mit diesen grundlegenden Erkenntnissen, Das Team möchte das aufstrebende Gebiet der Optogenetik anwenden, die Fähigkeit, das Verhalten von Genen mithilfe von Licht zu steuern. Mehrere Teammitglieder haben kürzlich eine Reihe von Labor- und Computermethoden zur Verwendung von Licht zur Steuerung der Bildung membranloser Organellen eingeführt. In einem anderen Beispiel, Avalos und Kollegen nutzten kürzlich Licht, um den Stoffwechsel von Hefezellen zu steuern, Zellen neu verdrahten, um einen wertvollen Brennstoff zu produzieren, der normalerweise die Zellen töten würde.

Für die Zukunft ist eine Kombination aus Zellbiologie erforderlich, Ingenieurtechniken, Physik und Materialwissenschaften, sagte Brangwynne. „Ich bin ziemlich davon überzeugt, dass dies ein Bereich ist, den wir schaffen sollten, und wir sollten Princeton zum besten Ort machen, an dem dies geschehen kann," er sagte.

Die Arbeit dieses Teams wird durch einen von Lydia und William Addy eingerichteten Fonds unterstützt. William Addy erwarb einen Bachelor-Abschluss in Chemieingenieurwesen in Princeton 1982.

Robotik und Cyber-Physische Systeme

Robotersysteme haben in den letzten Jahren dramatische Fortschritte gemacht, einschließlich des aufkeimenden Einsatzes selbstfahrender Autos. jedoch, Es bestehen weiterhin große Lücken bei den Bemühungen, Roboter, die neben Menschen oder verteilt arbeiten, weit verbreitet einzusetzen, miteinander verbundene Gruppen. Das Team aus vier Fakultätsmitgliedern in drei Abteilungen versucht, diese Lücken zu schließen, indem es eine Reihe von Fachkenntnissen einbringt, um eine bestimmte Herausforderung anzugehen: Bildung eines kollaborativen Teams von Robotern, die Müll sammeln. Das Team sagte, diese Aufgabe verkörpere viele der Herausforderungen, denen sich Robotersysteme heute gegenübersehen, einschließlich der Notwendigkeit, dass jeder Roboter spüren muss, seine Umgebung manipulieren und navigieren, und dass die Gruppe als Ganzes ihre Ressourcen koordinieren und zuweisen kann, um die Aufgabe so effizient wie möglich zu erfüllen.

Die Hauptermittler des Teams sind Thomas Funkhouser, der David M. Siegel ’83 Professor für Informatik; Naomi Leonard, der Edwin S. Wilsey Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik; Anirudha Majumdar, Assistenzprofessor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik; und Naveen Verma, außerordentlicher Professor für Elektrotechnik.

Indem wir uns auf das Müllsammelprojekt konzentrieren, Das Team hofft, eine Drehscheibe für weitere Forschung und Zusammenarbeit zu schaffen. „Diese Fähigkeiten und die damit verbundenen Herausforderungen sind in der gesamten Robotik von großer Bedeutung – und nicht an die Besonderheiten der Müllsammelaufgabe gebunden,“, sagte Majumdar.

Die Arbeit geht weit über herkömmliche Robotik dem aufstrebenden Gebiet der Cyber-Physical Systems, die sich auf verteilte Anordnungen von automatisierten Geräten oder Systemen, oft verbunden oder über ein Netzwerk koordiniert, wie das Internet.

"Zum Beispiel, Teams von kleinen mobilen Roboter könnten kritische Unterstützung für Such- und Rettungsmaßnahmen nach einem Erdbeben oder Hochwasser bieten; sie könnten wichtige Medikamente für Menschen in entlegenen oder gefährlichen Regionen der Welt liefern; Sie könnten Veränderungen in unserer Umwelt überwachen, indem sie Pflanzen- und Tierpopulationen im Laufe der Zeit verfolgen,“Schrieben die Forscher.

Neben technologischen Fortschritten, Das Team möchte dazu beitragen, gesellschaftliche Fragen im Zusammenhang mit dem Einsatz von Robotern in sozialen Umgebungen und deren Auswirkungen auf unterversorgte Gemeinschaften zu beantworten.

"Gesamt, Wir glauben, dass dieses Projekt das Potenzial hat, durch die Zusammenführung vielfältiger Fachkenntnisse echte Auswirkungen auf einige der großen Herausforderungen der Robotik zu haben, Initiierung neuer Kooperationen auf dem Campus, Stärkung der bestehenden, und Eingriff Studenten und Postdocs,“, sagte Majumdar.

Quelle:

www.princeton.edu/news, von Steven Schultz