'Fokuserte forskningsteam' tar på seg nye muligheter innen bioteknologi og robotikk

I et initiativ for å styrke samarbeid om emner som er for nye til å passe inn i eksisterende avdelinger og sentre, School of Engineering and Applied Science har laget et program for å finansiere små, tverrfaglige grupper av forskere kalt Focused Research Teams. Skolen har kåret tre innledende lag, to innen nye områder innen bioteknologi og en innen robotikk og "cyber-fysiske" systemer. Hver vil motta $250,000 per år i tre år, Deretter vil de bli evaluert for å avgjøre om satsingen skal fortsette, utvikle seg til en større innsats eller konkludere.

"Oppdagelsestempoet og nivået av kreativitet blant fakultetet vårt er forbløffende," sa Emily Carter, dekan for ingeniørfag. "Og mye av dette arbeidet skjer når mennesker fra forskjellige fagområder begynner å jobbe sammen og inspirere hverandre. I vår nylige strategiske planleggingsprosess, vi identifiserte behovet for å inkubere og akselerere de mest spennende nye områdene slik at vi raskere kan bringe fordelene deres til samfunnet.

"Jeg var veldig imponert over kvaliteten på forslagene vi mottok, og er begeistret for å etablere disse tre første lagene," sa Carter, Gerhard Andlinger professor i energi og miljø.

Carter og visedekan Antoine Kahn valgte lagene blant en rekke bidrag, etter en fagfellevurderingsprosess.

De første fokuserte forskningsteamene er:

Presisjonsantibiotika

I deres forslag, dette teamet bemerker at antibiotika er en pilar i moderne medisin, men står overfor to store problemer: den økende evnen til farlige bakterier til å motstå selv de kraftigste antibiotika og tendensen for de fleste antibiotika til å utslette nyttige så vel som skadelige bakterier. Teamet på tre fakultetsmedlemmer søker å bekjempe begge problemene ved å utvikle en ny generasjon antibiotika som retter seg mot spesifikke bakterier mye mer presist enn konvensjonelle antibiotika.

De viktigste forskerne i teamet er A. James Link, professor i kjemisk og biologisk teknikk; Mark Brynildsen, førsteamanuensis i kjemisk og biologisk teknikk; og Mohamed Donia, adjunkt i molekylbiologi. Gruppen foreslår to hovedtilnærminger for å identifisere presisjonsmålrettede antibiotikaforbindelser. Først, de vil se på kjemiske forbindelser som allerede er produsert av det menneskelige mikrobiomet - utvalget av nyttige bakterier som bor i kroppen og hjelper til med fordøyelsen og andre funksjoner. Disse nyttige bakteriene produserer kjemikalier som avverger uvelkomne tillegg til bakteriesamfunnet. Teamet vil se på disse defensive kjemikaliene som kandidater for å målrette mot skadelige inntrengere mens de lar nyttige bakterier være i fred.

En annen tilnærming vil være å fokusere på prosesser som skadelige bakterier bruker for å forårsake sine giftige effekter, men som ikke er nødvendige for at bakteriene skal leve. For eksempel, bakteriene som forårsaker vanlige staph-infeksjoner produserer et pigment som nøytraliserer kjemikalier produsert av menneskelige immunceller, hjelper dermed staph-bakteriene med å unngå ødeleggelse. Et medikament som angriper dette beskyttende pigmentet kan svekke stafylokokker nok til å gjøre det ufarlig, men ikke nok til å tvinge det til å utvikle resistens mot antibiotika. Forskerne vil også kombinere de to tilnærmingene, ser etter antivirulensforbindelser i det naturlige biomet.

– Økningen i antibiotikaresistens hos bakterier er en av de største helseutfordringene i det 21. århundre," sa Link. "Samtidig, det er en økt forståelse for nesten alle bakteriene som lever på oss, vårt mikrobiom, er ufarlige eller til og med fordelaktige. Hver av oss i dette fokuserte forskerteamet har forskjellige, men overlappende tilnærminger for å takle denne utfordringen. Med denne gjeve prisen fra Ingeniørskolen, vi kan konsolidere vår innsats og samarbeide for å gjøre en stor innvirkning på antibiotikafeltet.»

Arbeidet til dette teamet vil bli støttet av et fond etablert av Helen Shipley Hunt, som tok en mastergrad i matematikk fra Princeton i 1971.

Konstruere levende organeller

Akkurat som organer er deler av kroppen som utfører spesielle formål, organeller er enheter i celler som også utfører viktige funksjoner - og i begge tilfeller, problemer med disse komponentene er ansvarlige for store sykdommer. Et team av Princeton-forskere fra tre avdelinger jobber med å forstå hvordan subcellulære organeller utvikler seg og hvordan de kan konstrueres for å rette opp problemer eller skape nye funksjoner. Å gjøre det kan ha bruksområder fra behandling av sykdom til produksjon av biodrivstoff.

De viktigste forskerne i teamet er José Avalos, adjunkt i kjemisk og biologisk teknikk og Andlinger senter for energi og miljø; Clifford Brangwynne, førsteamanuensis i kjemisk og biologisk teknikk; Mikko Haataja, professor i maskin- og romfartsteknikk; og Jared Toettcher, assisterende professor i molekylærbiologi.

Teamet planlegger å bygge på en bølge av nylige oppdagelser og nye verktøy ved Princeton som avslører overraskende innsikt i hvordan organeller dannes og hvordan de kan manipuleres. For eksempel, teamet har utviklet en ny forståelse av membranløse organeller - strukturer som ikke er bundet av en vegg, men snarere er selvmonterte klynger av molekyler som flyter fritt i væsken inne i cellene. Feil med slike strukturer antas å være assosiert med ulike lidelser, inkludert amyotrofisk lateral sklerose eller Lou Gehrigs sykdom. Brangwynne ble nylig anerkjent for sitt arbeid på dette området med to store utmerkelser: utvalg som en 2018 MacArthur-stipendiat, og en syv-års ansettelse som Howard Hughes Medical Investigator, en av de høyeste utmerkelsene innen biovitenskap.

Sammen med disse grunnleggende innsiktene, teamet søker å anvende det nye feltet optogenetikk, evnen til å kontrollere oppførselen til gener ved hjelp av lys. Flere av teammedlemmene introduserte nylig en serie laboratorie- og beregningsmetoder for å bruke lys for å kontrollere dannelsen av membranløse organeller. I et annet eksempel, Avalos og kolleger brukte nylig lys for å kontrollere metabolismen av gjærceller, omledning av celler for å produsere et verdifullt drivstoff som normalt ville drepe cellene.

Å gå videre krever en kombinasjon av cellebiologi, ingeniørteknikker, fysikk og materialvitenskap, sa Brangwynne. «Jeg er ganske overbevist om at dette er et felt vi bør skape, og vi bør sette opp Princeton som det fremste stedet hvor dette kan skje," han sa.

Arbeidet til dette teamet vil bli støttet av et fond etablert av Lydia og William Addy. William Addy tok en bachelorgrad i kjemiteknikk fra Princeton i 1982.

Robotikk og cyberfysiske systemer

Robotsystemer har utviklet seg dramatisk de siste årene, inkludert gryende bruk av selvkjørende biler. derimot, store hull gjenstår i arbeidet med å gjøre utstrakt bruk av roboter som jobber sammen med mennesker eller i distribuert, sammenkoblede grupper. Teamet på fire fakultetsmedlemmer i tre avdelinger søker å fylle disse hullene ved å bringe en rekke ekspertise til å håndtere en spesiell utfordring: lage et samarbeidende team av roboter som samler søppel. Teamet sa at denne oppgaven legemliggjør mange av utfordringene robotsystemer står overfor i dag, inkludert behovet for hver enkelt robot å sanse, manipulere og navigere i miljøet, og at gruppen som helhet skal koordinere og allokere sine ressurser for å oppnå oppgaven så effektivt som mulig.

De viktigste etterforskerne av teamet er Thomas Funkhouser, David M. Siegel ’83 professor i informatikk; Naomi Leonard, Edwin S. Wilsey professor i mekanisk og romfartsteknikk; Anirudha Majumdar, assisterende professor i maskin- og romfartsteknikk; og Naveen Verma, førsteamanuensis i elektroteknikk.

Ved å fokusere på søppelinnsamlingsprosjektet, teamet forventer å etablere et knutepunkt for videre forskning og samarbeid. "Disse egenskapene og tilhørende utfordringer er svært bredt relevante på tvers av robotikk - og ikke knyttet til spesifikasjonene til søppelinnsamlingsoppgaven,sa Majumdar.

Arbeidet går utover konvensjonell robotikk til det nye feltet av cyberfysiske systemer, som refererer til distribuerte arrays av automatiserte enheter eller systemer, ofte koblet eller koordinert over et nettverk, som internett.

"For eksempel, team av små mobile roboter kan gi kritisk støtte for søk og redningsoperasjoner etter et jordskjelv eller flom; de kunne levere kritiske medisiner til mennesker i avsidesliggende eller farlige områder av verden; de kunne overvåke endringer i miljøet vårt ved å spore plante- og dyrepopulasjoner over tid," skrev forskerne.

I tillegg til teknologiske fremskritt, teamet ønsker innsatsen for å bidra til å løse samfunnsspørsmål rundt utplassering av roboter i sosiale miljøer og deres innvirkning i undertjente samfunn.

"Alt i alt, vi føler at dette prosjektet har potensialet til å ha reell innvirkning på noen av de store utfordringene innen robotikk ved å samle et mangfoldig spekter av ekspertise, initiere nye samarbeid på tvers av campus, styrking av eksisterende, og engasjere studenter og postdoktorer,sa Majumdar.

Kilde:

www.princeton.edu/news, av Steven Schultz