I "team di ricerca focalizzati" sfruttano le opportunità emergenti nel campo della biotecnologia e della robotica

In un'iniziativa per rafforzare le collaborazioni su argomenti troppo nuovi per adattarsi a dipartimenti e centri esistenti, la Scuola di Ingegneria e Scienze Applicate ha creato un programma per finanziare i piccoli, gruppi interdisciplinari di ricercatori chiamati Focused Research Teams. La scuola ha nominato tre squadre iniziali, due nelle aree emergenti della biotecnologia e una nella robotica e nei sistemi “cyber-fisici”.. Ognuno riceverà $250,000 all'anno per tre anni, dopo di che saranno valutati per determinare se l'iniziativa debba continuare, evolvere in uno sforzo maggiore o concludere.

“Il ritmo di scoperta e il livello di creatività tra i nostri docenti è sorprendente,disse Emily Carter, decano di ingegneria. “E gran parte di questo lavoro avviene quando persone di diverse discipline iniziano a lavorare insieme e ad ispirarsi a vicenda. Nel nostro recente processo di pianificazione strategica, abbiamo identificato la necessità di incubare e accelerare le nuove aree più interessanti in modo da poter portare più rapidamente i loro benefici alla società.

“Sono rimasto molto colpito dalla qualità delle proposte che abbiamo ricevuto e sono entusiasta di creare queste prime tre squadre,disse Carter, il Gerhard Andlinger Professore di Energia e Ambiente.

Carter e il vice preside Antoine Kahn hanno selezionato le squadre tra le numerose proposte, a seguito di un processo di revisione tra pari.

I primi Focused Research Teams sono:

Antibiotici di precisione

Nella loro proposta, questo team osserva che gli antibiotici sono un pilastro della medicina moderna ma devono affrontare due problemi principali: la crescente capacità dei batteri pericolosi di resistere anche agli antibiotici più potenti e la tendenza della maggior parte degli antibiotici a spazzare via i batteri utili e dannosi. Il team di tre docenti cerca di combattere entrambi i problemi sviluppando una nuova generazione di antibiotici che colpiscono batteri specifici in modo molto più preciso rispetto agli antibiotici convenzionali.

I principali ricercatori del gruppo sono A. Giacomo Link, Sotto pressione ingegneria chimica e biologica; Marco Brynildsen, professore associato di ingegneria chimica e biologica; e Mohamed Donia, assistente professore di biologia molecolare. Il gruppo propone due approcci principali per identificare composti antibiotici mirati con precisione. Primo, esamineranno i composti chimici già prodotti dal microbioma umano, la serie di batteri benefici che abitano il corpo e aiutano con la digestione e altre funzioni. Questi batteri utili producono sostanze chimiche che respingono aggiunte indesiderate alla comunità batterica. Il team considererebbe queste sostanze chimiche difensive come candidate per prendere di mira gli invasori dannosi lasciando soli i batteri benefici.

Un secondo approccio sarà quello di concentrarsi sui processi che i batteri nocivi utilizzano per causare i loro effetti tossici, ma che non sono necessari per la vita dei batteri. Per esempio, i batteri che causano le comuni infezioni da stafilococco producono un pigmento che neutralizza le sostanze chimiche prodotte dalle cellule immunitarie umane, aiutando così i batteri dello stafilococco a sfuggire alla distruzione. Un farmaco che ha attaccato questo pigmento protettivo potrebbe indebolire lo stafilococco abbastanza da renderlo innocuo ma non abbastanza da costringerlo a sviluppare resistenza agli antibiotici. I ricercatori combineranno anche i due approcci, alla ricerca di composti antivirulenti nel bioma naturale.

“L'aumento della resistenza agli antibiotici nei batteri è una delle principali sfide per la salute del 21° secolo,” ha detto Link. "Allo stesso tempo, c'è un maggiore apprezzamento che quasi tutti i batteri che vivono su di noi, il nostro microbioma, sono innocui o addirittura benefici. Ognuno di noi in questo gruppo di ricerca focalizzato ha approcci diversi ma sovrapposti per affrontare questa sfida. Con questo generoso premio della Scuola di Ingegneria, possiamo consolidare i nostri sforzi e collaborare per avere un grande impatto nel campo degli antibiotici”.

Il lavoro di questa squadra sarà sostenuto da un fondo istituito da Helen Shipley Hunt, che ha conseguito un master in matematica a Princeton in 1971.

Ingegneria degli organelli viventi

Proprio come gli organi sono parti del corpo che svolgono ruoli speciali, gli organelli sono unità all'interno delle cellule che svolgono anche funzioni essenziali, e in entrambi i casi, problemi con questi componenti sono responsabili di malattie importanti. Un team di ricercatori di Princeton di tre dipartimenti sta lavorando per capire come si sviluppano gli organelli subcellulari e come ingegnerizzarli per correggere problemi o creare nuove funzioni. Ciò potrebbe avere usi dal trattamento delle malattie alla produzione di biocarburanti.

I principali ricercatori del team sono José Avalos, assistente professore di ingegneria chimica e biologica e l'Andlinger Center for Energy and the Environment; Clifford Brangwynne, professore associato di ingegneria chimica e biologica; Mikko Haataja, professore di ingegneria meccanica e aerospaziale; e Jared Toettcher, assistente universitario di biologia molecolare.

Il team prevede di basarsi su una marea di recenti scoperte e nuovi strumenti a Princeton che stanno rivelando intuizioni sorprendenti su come si formano gli organelli e su come potrebbero essere manipolati. Per esempio, il team ha aperto la strada a una nuova comprensione degli organelli privi di membrana, strutture che non sono vincolate da un muro ma piuttosto sono gruppi di molecole autoassemblati che galleggiano liberamente nel liquido all'interno delle cellule. Si ritiene che i difetti di tali strutture siano associati a vari disturbi, compresa la sclerosi laterale amiotrofica o la malattia di Lou Gehrig. Brangwynne è stato recentemente riconosciuto per il suo lavoro in quest'area con due importanti riconoscimenti: selezione come a 2018 MacArthur Fellow, e una nomina di sette anni come investigatore medico Howard Hughes, uno dei massimi riconoscimenti nelle scienze della vita.

Insieme a queste intuizioni fondamentali, il team cerca di applicare il campo emergente dell'optogenetica, la capacità di controllare il comportamento dei geni usando la luce. Diversi membri del team hanno recentemente introdotto una serie di metodi di laboratorio e computazionali per utilizzare la luce per controllare la formazione di organelli privi di membrana. In un altro esempio, Avalos e colleghi hanno recentemente utilizzato la luce per controllare il metabolismo delle cellule di lievito, ricablare le celle per produrre un combustibile prezioso che normalmente ucciderebbe le celle.

Andare avanti richiede una combinazione di biologia cellulare, tecniche ingegneristiche, fisica e scienza dei materiali, disse Brangwynne. “Sono abbastanza convinto che questo sia un campo che dovremmo creare, e dovremmo impostare Princeton come il luogo principale in cui questo può accadere," Egli ha detto.

Il lavoro di questa squadra sarà sostenuto da un fondo istituito da Lydia e William Addy. William Addy ha conseguito una laurea in ingegneria chimica a Princeton in 1982.

Robotica e sistemi cyber-fisici

I sistemi robotici sono avanzati notevolmente negli ultimi anni, compreso l'uso in erba di auto a guida autonoma. tuttavia, permangono grandi lacune negli sforzi per fare un uso diffuso di robot che lavorano insieme agli esseri umani o in distribuzione, gruppi interconnessi. Il team di quattro docenti in tre dipartimenti sta cercando di colmare queste lacune portando una serie di competenze per affrontare una sfida particolare: creando un team collaborativo di robot che raccolgono i rifiuti. Il team ha affermato che questo compito incarna molte delle sfide che i sistemi robotici devono affrontare oggi, inclusa la necessità che ogni robot percepisca, manipolare e navigare nel suo ambiente, e per il gruppo nel suo insieme di coordinare e allocare le proprie risorse per svolgere il compito nel modo più efficiente possibile.

I principali investigatori della squadra sono Thomas Funkhouser, il David M. Siegel '83 Professore di Informatica; Noemi Leonard, l'Edwin S. Wilsey Professore di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale; Anirudha Majumdar, assistente universitario di ingegneria meccanica e aerospaziale; e Naveen Verma, professore associato di ingegneria elettrica.

Concentrandosi sul progetto di raccolta dei rifiuti, il team prevede di creare un hub per ulteriori ricerche e collaborazioni. "Queste capacità e le sfide associate sono ampiamente rilevanti in tutta la robotica e non sono legate alle specifiche dell'attività di raccolta dei rifiuti,disse Majumdar.

Il lavoro va oltre la robotica convenzionale al campo emergente dei sistemi cyber-fisici, che si riferisce a matrici distribuite di dispositivi o sistemi automatizzati, spesso connesso o coordinato su una rete, come internet.

"Per esempio, squadre di piccoli robot mobili potrebbero fornire un supporto fondamentale per le operazioni di ricerca e salvataggio dopo un terremoto o un'alluvione; potrebbero fornire farmaci critici a persone in regioni remote o pericolose del mondo; potrebbero monitorare i cambiamenti nel nostro ambiente monitorando nel tempo le popolazioni di piante e animali,”, hanno scritto i ricercatori.

Oltre ai progressi tecnologici, il team desidera lo sforzo per aiutare ad affrontare le questioni sociali relative all'impiego di robot negli ambienti sociali e al loro impatto all'interno delle comunità svantaggiate.

"Complessivamente, riteniamo che questo progetto abbia il potenziale per avere un impatto reale su alcune delle grandi sfide della robotica riunendo una vasta gamma di competenze, avviare nuove collaborazioni in tutto il campus, rafforzare quelli esistenti, e coinvolgere studenti e dottorandi,disse Majumdar.

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