'Focused Research Teams' pakken nieuwe kansen in biotechnologie en robotica aan

In een initiatief om samenwerkingen te stimuleren over onderwerpen die te nieuw zijn om in bestaande afdelingen en centra te passen, de School of Engineering and Applied Science heeft een programma opgezet om kleine projecten te financieren, interdisciplinaire groepen van onderzoekers genaamd Focused Research Teams. De school heeft drie eerste teams genoemd, twee in opkomende gebieden van biotechnologie en één in robotica en "cyberfysieke" systemen. Ieder zal ontvangen $250,000 per jaar gedurende drie jaar, waarna ze worden geëvalueerd om te bepalen of het initiatief moet worden voortgezet, evolueren naar een grotere inspanning of eindigen.

“Het tempo van ontdekkingen en het niveau van creativiteit bij onze faculteit is verbazingwekkend,' zei Emily Carter, decaan van techniek. “En veel van dit werk gebeurt wanneer mensen uit verschillende disciplines gaan samenwerken en elkaar inspireren. In ons recente strategische planningsproces, we hebben de noodzaak vastgesteld om de meest opwindende nieuwe gebieden te incuberen en te versnellen, zodat we hun voordelen sneller naar de samenleving kunnen brengen.

“Ik was erg onder de indruk van de kwaliteit van de voorstellen die we hebben ontvangen en ben verheugd om deze eerste drie teams op te richten," zei Carter, de Gerhard Andlinger Hoogleraar Energie en Milieu.

Carter en vice-decaan Antoine Kahn selecteerden de teams uit talloze inzendingen, na een peer review-proces.

De inaugurele Focused Research Teams zijn:

Precisie antibiotica

In hun voorstel, dit team merkt op dat antibiotica een pijler van de moderne geneeskunde zijn, maar met twee grote problemen worden geconfronteerd: het toenemende vermogen van gevaarlijke bacteriën om zelfs de krachtigste antibiotica te weerstaan en de neiging van de meeste antibiotica om zowel nuttige als schadelijke bacteriën uit te roeien. Het team van drie faculteitsleden probeert beide problemen te bestrijden door een nieuwe generatie antibiotica te ontwikkelen die specifieke bacteriën veel preciezer aanpakken dan conventionele antibiotica.

De belangrijkste onderzoekers van het team zijn A. James Link, Professor van chemische en biologische technologie; Mark Brynildsen, universitair hoofddocent chemische en biologische technologie; en Mohammed Donia, assistent professor in de moleculaire biologie. De groep stelt twee hoofdbenaderingen voor om op precisie gerichte antibioticaverbindingen te identificeren. Eerste, ze zullen kijken naar chemische verbindingen die al zijn geproduceerd door het menselijke microbioom - de reeks nuttige bacteriën die het lichaam bewonen en helpen bij de spijsvertering en andere functies. Deze behulpzame bacteriën produceren chemicaliën die ongewenste toevoegingen aan de bacteriële gemeenschap afweren. Het team zou naar deze defensieve chemicaliën kijken als kandidaten om zich op schadelijke indringers te richten, terwijl de nuttige bacteriën met rust worden gelaten.

Een tweede benadering zal zijn om te focussen op processen die schadelijke bacteriën gebruiken om hun toxische effecten te veroorzaken, maar die niet nodig zijn om de bacteriën te laten leven. Bijvoorbeeld, de bacteriën die gewone stafylokokbesmettingen veroorzaken, produceren een pigment dat chemicaliën neutraliseert die door menselijke immuuncellen worden geproduceerd, waardoor de stafylokok bacteriën worden geholpen om vernietiging te voorkomen. Een medicijn dat dit beschermende pigment aantast, kan stafylokokken voldoende verzwakken om het onschadelijk te maken, maar niet genoeg om het te dwingen resistentie tegen antibiotica te ontwikkelen. De onderzoekers gaan ook beide benaderingen combineren, op zoek naar antivirulentieverbindingen in het natuurlijke bioom.

“De toename van antibioticaresistentie bij bacteriën is een van de grootste gezondheidsuitdagingen in de 21e eeuw,' zei Link. "Tegelijkertijd, er is een toegenomen waardering voor bijna alle bacteriën die op ons leven, ons microbioom, zijn onschadelijk of zelfs heilzaam. Ieder van ons in dit gerichte onderzoeksteam heeft verschillende maar overlappende benaderingen om deze uitdaging aan te gaan. Met deze genereuze onderscheiding van de School of Engineering, we kunnen onze inspanningen consolideren en samenwerken om een grote impact te hebben op het gebied van antibiotica.”

Het werk van dit team zal worden ondersteund door een fonds dat is opgericht door Helen Shipley Hunt, die een mastergraad in wiskunde behaalde aan Princeton in 1971.

Engineering levende organellen

Net zoals organen delen van het lichaam zijn die speciale rollen vervullen, organellen zijn eenheden binnen cellen die ook essentiële functies vervullen - en in beide gevallen, problemen met deze componenten zijn verantwoordelijk voor ernstige ziekten. Een team van Princeton-onderzoekers van drie afdelingen probeert te begrijpen hoe subcellulaire organellen zich ontwikkelen en hoe ze kunnen worden ontworpen om problemen op te lossen of nieuwe functies te creëren. Dit kan toepassingen hebben van het behandelen van ziekten tot het produceren van biobrandstoffen.

De belangrijkste onderzoekers van het team zijn José Avalos, assistent professor in de chemische en biologische engineering en de Andlinger Centrum voor Energie en Milieu; Clifford Brangwynne, universitair hoofddocent chemische en biologische technologie; Mikko Haataja, professor in de mechanische en luchtvaart- en ruimtevaarttechniek; en Jared Toettcher, assistent professor in de moleculaire biologie.

Het team is van plan om voort te bouwen op een golf van recente ontdekkingen en nieuwe instrumenten op Princeton die zijn onthullend verrassende inzichten in hoe organellen vormen en hoe ze kunnen worden gemanipuleerd. Bijvoorbeeld, het team heeft een nieuw begrip van membraanloze organellen gepionierd - structuren die niet door een muur worden begrensd, maar zelf-geassembleerde clusters van moleculen zijn die vrij in de vloeistof in cellen zweven. Fouten met dergelijke structuren worden verondersteld verband te houden met verschillende aandoeningen, waaronder amyotrofische laterale sclerose of de ziekte van Lou Gehrig. Brangwynne werd onlangs erkend voor zijn werk op dit gebied met twee grote onderscheidingen: selectie als een 2018 MacArthur-fellow, en een aanstelling van zeven jaar als Howard Hughes Medical Investigator, een van de hoogste onderscheidingen in de levenswetenschappen.

Samen met deze fundamentele inzichten, het team probeert het opkomende gebied van optogenetica toe te passen, het vermogen om het gedrag van genen te controleren met behulp van licht. Verschillende teamleden hebben onlangs een reeks laboratorium- en computermethoden geïntroduceerd om licht te gebruiken om de vorming van membraanloze organellen te beheersen. In een ander voorbeeld, Avalos en collega's gebruikten onlangs licht om het metabolisme van gistcellen te beheersen, herbedrading van cellen om een waardevolle brandstof te produceren die normaal gesproken de cellen zou doden.

Vooruitgaan vereist een combinatie van celbiologie, technische technieken, natuurkunde en materiaalkunde, zei Brangwynne. “Ik ben er vrij zeker van dat dit een veld is dat we moeten creëren, en we zouden Princeton moeten instellen als de belangrijkste plaats waar dit kan gebeuren," hij zei.

Het werk van dit team zal worden ondersteund door een fonds dat is opgericht door Lydia en William Addy. William Addy behaalde een bachelordiploma in chemische technologie aan Princeton in 1982.

Robotica en cyber-fysieke systemen

Robotsystemen hebben de afgelopen jaren een enorme ontwikkeling doorgemaakt, inclusief het ontluikende gebruik van zelfrijdende auto's. Echter, er blijven grote hiaten in de pogingen om op grote schaal gebruik te maken van robots die naast of gedistribueerd met mensen werken, onderling verbonden groepen. Het team van vier faculteitsleden in drie afdelingen probeert die hiaten op te vullen door een scala aan expertise in te zetten voor een bepaalde uitdaging: het creëren van een samenwerkend team van robots die afval verzamelen. Het team zei dat deze taak veel van de uitdagingen belichaamt waarmee robotsystemen tegenwoordig worden geconfronteerd, inclusief de noodzaak voor elke robot om te voelen, zijn omgeving manipuleren en navigeren, en voor de groep als geheel om haar middelen te coördineren en toe te wijzen om de taak zo efficiënt mogelijk te volbrengen.

De belangrijkste onderzoekers van het team zijn Thomas Funkhouser, de David M. Siegel '83 Hoogleraar informatica; Naomi Leonard, de Edwin S. Wilsey hoogleraar Werktuigbouwkunde en Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek; Anirudha Majumdar, universitair docent werktuigbouwkunde en ruimtevaarttechniek; en Naveen Verma, universitair hoofddocent elektrotechniek.

Door in te zetten op het afvalinzamelingsproject, het team verwacht een hub op te richten voor verder onderzoek en samenwerking. "Deze mogelijkheden en bijbehorende uitdagingen zijn zeer breed relevant in de hele robotica - en niet gebonden aan de specifieke kenmerken van de afvalinzamelingstaak,zei Majumdar..

Het werk gaat verder dan conventionele robotica naar het opkomende gebied van cyber-fysieke systemen, wat verwijst naar gedistribueerde arrays van geautomatiseerde apparaten of systemen, vaak verbonden of gecoördineerd via een netwerk, zoals internet.

"Bijvoorbeeld, teams van kleine mobiele robots zouden cruciale ondersteuning kunnen bieden bij zoek- en reddingsoperaties na een aardbeving of overstroming; ze zouden kritieke medicijnen kunnen leveren aan mensen in afgelegen of gevaarlijke regio's van de wereld; ze konden veranderingen in onze omgeving volgen door planten- en dierenpopulaties in de loop van de tijd te volgen,”Schreef de onderzoekers.

Naast technologische vooruitgang, het team wil de moeite nemen om maatschappelijke vragen rond de inzet van robots in sociale omgevingen en hun impact binnen achtergestelde gemeenschappen aan te pakken.

"Algemeen, we denken dat dit project het potentieel heeft om echte impact te hebben op enkele van de grote uitdagingen in de robotica door een breed scala aan expertise samen te brengen, het initiëren van nieuwe samenwerkingen over de campus, versterken van bestaande, en het betrekken van studenten en postdocs,zei Majumdar..

Bron: