'ทีมวิจัยที่มุ่งเน้น' ใช้โอกาสที่เกิดขึ้นใหม่ในด้านเทคโนโลยีชีวภาพและหุ่นยนต์

ในความคิดริเริ่มที่จะส่งเสริมความร่วมมือในเรื่องที่ใหม่เกินกว่าจะพอดีกับแผนกและศูนย์ที่มีอยู่, คณะวิศวกรรมศาสตร์และวิทยาศาสตร์ประยุกต์ได้จัดทำโครงการเพื่อให้ทุนแก่ขนาดเล็ก, กลุ่มนักวิจัยข้ามสาขาวิชาที่เรียกว่า Focused Research Teams. โรงเรียนได้ตั้งชื่อทีมเริ่มต้นไว้สามทีม, สองสาขาในด้านเทคโนโลยีชีวภาพที่เกิดขึ้นใหม่และอีกหนึ่งสาขาในด้านหุ่นยนต์และระบบ "กายภาพทางไซเบอร์". แต่ละคนจะได้รับ $250,000 ต่อปีเป็นเวลาสามปี, หลังจากนั้นพวกเขาจะได้รับการประเมินเพื่อพิจารณาว่าความคิดริเริ่มควรดำเนินต่อไปหรือไม่, พัฒนาไปสู่ความพยายามที่มากขึ้นหรือสรุปผล.

“ความเร็วในการค้นพบและระดับความคิดสร้างสรรค์ของคณาจารย์ของเรานั้นน่าทึ่งมาก,เอมิลี่ คาร์เตอร์ กล่าว, คณบดีคณะวิศวกรรมศาสตร์. “และงานนี้ส่วนใหญ่เกิดขึ้นเมื่อผู้คนจากหลากหลายสาขาเริ่มต้นทำงานร่วมกันและสร้างแรงบันดาลใจซึ่งกันและกัน. ในกระบวนการวางแผนเชิงกลยุทธ์ล่าสุดของเรา, เราระบุถึงความจำเป็นในการบ่มเพาะและเร่งพื้นที่ใหม่ที่น่าตื่นเต้นที่สุด เพื่อให้เราสามารถนำผลประโยชน์เหล่านั้นมาสู่สังคมได้รวดเร็วยิ่งขึ้น.

“ผมประทับใจมากกับคุณภาพของข้อเสนอที่เราได้รับ และตื่นเต้นมากที่ได้ก่อตั้งทีมสามทีมแรกนี้,"คาร์เตอร์กล่าว, ศาสตราจารย์ Gerhard Andlinger ด้านพลังงานและสิ่งแวดล้อม.

Carter และรองคณบดี Antoine Kahn เลือกทีมจากการส่งผลงานจำนวนมาก, ปฏิบัติตามกระบวนการทบทวนโดยผู้ทรงคุณวุฒิ.

ทีมวิจัยที่เน้นการสถาปนาได้แก่:

ยาปฏิชีวนะที่แม่นยำ

ในข้อเสนอของพวกเขา, ทีมงานชุดนี้ตั้งข้อสังเกตว่ายาปฏิชีวนะเป็นเสาหลักของการแพทย์แผนปัจจุบัน แต่ประสบปัญหาสำคัญสองประการ: ความสามารถที่เพิ่มขึ้นของแบคทีเรียที่เป็นอันตรายในการต้านทานแม้แต่ยาปฏิชีวนะที่ทรงพลังที่สุด และแนวโน้มที่ยาปฏิชีวนะส่วนใหญ่จะกำจัดแบคทีเรียที่เป็นประโยชน์และแบคทีเรียที่เป็นอันตรายออกไป. ทีมงานของคณาจารย์ทั้ง 3 คนพยายามต่อสู้กับปัญหาทั้งสองโดยการพัฒนายาปฏิชีวนะรุ่นใหม่ที่กำหนดเป้าหมายแบคทีเรียเฉพาะเจาะจงได้แม่นยำกว่ายาปฏิชีวนะทั่วไป.

นักวิจัยหลักของทีมคือ A. เจมส์ ลิงค์, ศาสตราจารย์ของ วิศวกรรมเคมีและชีวภาพ; มาร์ค ไบรนิลด์เซ่น, รองศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเคมีและชีวภาพ; และโมฮาเหม็ด โดเนีย, ผู้ช่วยศาสตราจารย์ของ อณูชีววิทยา. กลุ่มนี้เสนอแนวทางหลักสองวิธีในการระบุสารประกอบยาปฏิชีวนะที่กำหนดเป้าหมายอย่างแม่นยำ. อันดับแรก, พวกเขาจะดูสารประกอบทางเคมีที่ผลิตโดยไมโครไบโอมของมนุษย์อยู่แล้ว ซึ่งเป็นแบคทีเรียที่มีประโยชน์มากมายที่อาศัยอยู่ในร่างกายและช่วยในการย่อยอาหารและการทำงานอื่น ๆ. แบคทีเรียที่มีประโยชน์เหล่านี้ผลิตสารเคมีที่ปัดเป่าสิ่งที่ไม่พึงประสงค์เข้าสู่ชุมชนแบคทีเรีย. ทีมงานจะมองว่าสารเคมีป้องกันเหล่านี้เป็นตัวเลือกในการกำหนดเป้าหมายผู้บุกรุกที่เป็นอันตรายโดยทิ้งแบคทีเรียที่มีประโยชน์ไว้เพียงอย่างเดียว.

แนวทางที่สองคือการมุ่งเน้นไปที่กระบวนการที่แบคทีเรียที่เป็นอันตรายใช้เพื่อก่อให้เกิดผลกระทบที่เป็นพิษ, แต่ไม่จำเป็นที่แบคทีเรียจะมีชีวิตอยู่ได้. ตัวอย่างเช่น, แบคทีเรียที่ทำให้เกิดการติดเชื้อ Staph ทั่วไปจะผลิตเม็ดสีที่ทำให้สารเคมีที่ผลิตโดยเซลล์ภูมิคุ้มกันของมนุษย์เป็นกลาง, จึงช่วยให้แบคทีเรีย Staph หลบเลี่ยงการทำลายล้างได้. ยาที่โจมตีเม็ดสีป้องกันนี้อาจทำให้แบคทีเรีย Staph อ่อนแอลงมากพอที่จะทำให้มันไม่เป็นอันตราย แต่ไม่เพียงพอที่จะบังคับให้มันพัฒนาความต้านทานต่อยาปฏิชีวนะ. นักวิจัยจะรวมทั้งสองแนวทางเข้าด้วยกัน, มองหาสารประกอบต้านไวรัสในชีวนิเวศน์ธรรมชาติ.

“การดื้อยาปฏิชีวนะที่เพิ่มขึ้นในแบคทีเรียถือเป็นหนึ่งในความท้าทายด้านสุขภาพที่สำคัญในศตวรรษที่ 21,” ลิงค์ กล่าว. "ในเวลาเดียวกัน, มีความซาบซึ้งเพิ่มขึ้นว่าแบคทีเรียเกือบทั้งหมดที่อาศัยอยู่บนเรา, ไมโครไบโอมของเรา, ไม่เป็นอันตรายหรือมีประโยชน์ด้วยซ้ำ. พวกเราแต่ละคนในทีมวิจัยที่มุ่งเน้นนี้มีแนวทางที่แตกต่างกันแต่ทับซ้อนกันในการจัดการกับความท้าทายนี้. ด้วยรางวัลอันทรงเกียรตินี้จากคณะวิศวกรรมศาสตร์, เราสามารถรวมความพยายามของเราและร่วมมือกันเพื่อสร้างผลกระทบสำคัญในด้านยาปฏิชีวนะได้”

งานของทีมนี้จะได้รับการสนับสนุนจากกองทุนที่ก่อตั้งโดย Helen Shipley Hunt, ผู้สำเร็จการศึกษาระดับปริญญาโทสาขาคณิตศาสตร์จากเมืองพรินซ์ตัน 1971.

ออร์แกเนลล์ที่มีชีวิตทางวิศวกรรม

เช่นเดียวกับอวัยวะที่เป็นส่วนหนึ่งของร่างกายที่ทำหน้าที่เฉพาะกิจ, ออร์แกเนลล์เป็นหน่วยภายในเซลล์ที่ทำหน้าที่สำคัญเช่นกัน - และในทั้งสองกรณี, ปัญหาเกี่ยวกับส่วนประกอบเหล่านี้ทำให้เกิดโรคที่สำคัญ. ทีมนักวิจัยของ Princeton จาก 3 แผนกกำลังทำงานเพื่อทำความเข้าใจว่าออร์แกเนลล์เซลล์ย่อยมีการพัฒนาอย่างไร และจะออกแบบโครงสร้างเหล่านี้เพื่อแก้ไขปัญหาหรือสร้างฟังก์ชันใหม่ได้อย่างไร. การทำเช่นนี้อาจมีประโยชน์ตั้งแต่การรักษาโรคไปจนถึงการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพ.

นักวิจัยหลักของทีมคือ José Avalos, ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเคมีและชีวภาพ และศูนย์พลังงานและสิ่งแวดล้อม Andlinger; คลิฟฟอร์ด แบรงวินน์, รองศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเคมีและชีวภาพ; มิกโกะ ฮาทาจา, ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลและการบินและอวกาศ; และจาเร็ด ทอตต์เชอร์, ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านอณูชีววิทยา.

ทีมงานวางแผนที่จะสร้างกระแสการค้นพบล่าสุดและเครื่องมือใหม่ที่ Princeton ซึ่งเผยให้เห็นข้อมูลเชิงลึกที่น่าประหลาดใจเกี่ยวกับวิธีการสร้างออร์แกเนลล์และวิธีจัดการพวกมัน. ตัวอย่างเช่น, ทีมงานได้บุกเบิกความเข้าใจใหม่เกี่ยวกับออร์แกเนลล์ที่ไม่มีเมมเบรน ซึ่งเป็นโครงสร้างที่ไม่ได้ผูกติดกับผนัง แต่เป็นกลุ่มโมเลกุลที่ประกอบขึ้นเองซึ่งลอยอย่างอิสระในของเหลวภายในเซลล์. ความผิดปกติของโครงสร้างดังกล่าวถือว่าเกี่ยวข้องกับความผิดปกติต่างๆ, รวมถึงเส้นโลหิตตีบด้านข้าง amyotrophic หรือโรค Lou Gehrig. เมื่อเร็วๆ นี้ Brangwynne ได้รับการยอมรับจากผลงานของเขาในด้านนี้โดยได้รับเกียรติสองรางวัลใหญ่: เลือกเป็น 2018 แมคอาเธอร์ เฟลโลว์, และได้รับการแต่งตั้งเป็นเวลาเจ็ดปีในตำแหน่งนักสืบทางการแพทย์ของ Howard Hughes, หนึ่งในเกียรติสูงสุดในสาขาวิทยาศาสตร์เพื่อชีวิต.

พร้อมด้วยข้อมูลเชิงลึกพื้นฐานเหล่านี้, ทีมงานพยายามที่จะประยุกต์ใช้สาขาออพโตเจเนติกส์ที่เกิดขึ้นใหม่, ความสามารถในการควบคุมพฤติกรรมของยีนโดยใช้แสง. สมาชิกในทีมหลายคนเพิ่งแนะนำชุดห้องปฏิบัติการและวิธีการคำนวณสำหรับการใช้แสงเพื่อควบคุมการก่อตัวของออร์แกเนลล์ที่ไม่มีเมมเบรน. ในอีกตัวอย่างหนึ่ง, Avalos และเพื่อนร่วมงานเพิ่งใช้แสงเพื่อควบคุมการเผาผลาญของเซลล์ยีสต์, การเดินสายเซลล์ใหม่เพื่อผลิตเชื้อเพลิงอันมีค่าซึ่งโดยปกติจะฆ่าเซลล์ได้.

การก้าวไปข้างหน้าต้องใช้ชีววิทยาของเซลล์ผสมผสานกัน, เทคนิคทางวิศวกรรม, ฟิสิกส์และวัสดุศาสตร์, แบรงวินน์กล่าว. “ฉันค่อนข้างมั่นใจว่านี่เป็นสาขาที่เราควรสร้างขึ้น, และเราควรกำหนดให้พรินซ์ตันเป็นสถานที่ชั้นนำที่สามารถเกิดขึ้นได้," เขาพูดว่า.

งานของทีมนี้จะได้รับการสนับสนุนจากกองทุนที่ก่อตั้งโดยลิเดียและวิลเลียม แอดดี้. William Addy สำเร็จการศึกษาระดับปริญญาตรีสาขาวิศวกรรมเคมีจาก Princeton ใน 1982.

หุ่นยนต์และระบบกายภาพไซเบอร์

ระบบหุ่นยนต์มีความก้าวหน้าอย่างมากในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา, รวมถึงการใช้รถยนต์ไร้คนขับที่กำลังเติบโต. อย่างไรก็ตาม, ช่องว่างขนาดใหญ่ยังคงอยู่ในความพยายามที่จะใช้งานหุ่นยนต์ที่ทำงานเคียงข้างมนุษย์หรือกระจายออกไปอย่างแพร่หลาย, กลุ่มที่เชื่อมต่อถึงกัน. ทีมงานคณาจารย์สี่คนในสามแผนกกำลังพยายามเติมเต็มช่องว่างเหล่านั้นโดยนำความเชี่ยวชาญที่หลากหลายมารับมือกับความท้าทายโดยเฉพาะ: สร้างทีมหุ่นยนต์เก็บขยะร่วมกัน. ทีมงานกล่าวว่างานนี้รวบรวมความท้าทายหลายประการที่ระบบหุ่นยนต์เผชิญอยู่ในปัจจุบัน, รวมถึงความจำเป็นที่หุ่นยนต์แต่ละตัวจะรับรู้, จัดการและนำทางสภาพแวดล้อม, และเพื่อให้กลุ่มโดยรวมประสานงานและจัดสรรทรัพยากรเพื่อให้บรรลุภารกิจได้อย่างมีประสิทธิภาพมากที่สุด.

ผู้สืบสวนหลักของทีมคือโธมัส ฟังค์เฮาส์เซอร์, เดวิด เอ็ม. Siegel '83 ศาสตราจารย์ด้านวิทยาการคอมพิวเตอร์; นาโอมิ ลีโอนาร์ด, เอ็ดวิน เอส. วิลซีย์ ศาสตราจารย์สาขาวิศวกรรมเครื่องกลและการบินและอวกาศ; อนิรุธา มาจุมดาร์, ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลและการบินและอวกาศ; และนาวีน เวอร์มา, รองศาสตราจารย์สาขาวิศวกรรมไฟฟ้า.

โดยเน้นโครงการเก็บขยะ, ทีมงานคาดว่าจะสร้างศูนย์กลางสำหรับการวิจัยและการทำงานร่วมกันเพิ่มเติม. “ความสามารถเหล่านี้และความท้าทายที่เกี่ยวข้องมีความเกี่ยวข้องในวงกว้างกับวิทยาการหุ่นยนต์ และไม่เชื่อมโยงกับงานเก็บขยะโดยเฉพาะ,"มาจุมดาร์กล่าว.

งานนี้นอกเหนือไปจากวิทยาการหุ่นยนต์แบบเดิมๆ ไปสู่สาขาระบบไซเบอร์กายภาพที่กำลังเกิดใหม่, ซึ่งหมายถึงอาร์เรย์แบบกระจายของอุปกรณ์หรือระบบอัตโนมัติ, มักจะเชื่อมต่อหรือประสานงานผ่านเครือข่าย, เช่นอินเทอร์เน็ต.

"ตัวอย่างเช่น, ทีมหุ่นยนต์เคลื่อนที่ขนาดเล็กสามารถให้การสนับสนุนที่สำคัญสำหรับปฏิบัติการค้นหาและกู้ภัยหลังเกิดแผ่นดินไหวหรือน้ำท่วม; พวกเขาสามารถจัดส่งยาสำคัญให้กับผู้คนในพื้นที่ห่างไกลหรือพื้นที่อันตรายของโลกได้; พวกเขาสามารถติดตามการเปลี่ยนแปลงสภาพแวดล้อมของเราโดยการติดตามประชากรพืชและสัตว์เมื่อเวลาผ่านไป,” นักวิจัยเขียน.

นอกจากความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีแล้ว, ทีมงานต้องการความพยายามที่จะช่วยตอบคำถามทางสังคมเกี่ยวกับการปรับใช้หุ่นยนต์ในสภาพแวดล้อมทางสังคมและผลกระทบภายในชุมชนที่ด้อยโอกาส.

"โดยรวม, เรารู้สึกว่าโครงการนี้มีศักยภาพที่จะส่งผลกระทบอย่างแท้จริงต่อความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ในด้านวิทยาการหุ่นยนต์ โดยการรวบรวมความเชี่ยวชาญที่หลากหลาย, การริเริ่มความร่วมมือใหม่ทั่วทั้งมหาวิทยาลัย, เสริมสร้างความเข้มแข็งที่มีอยู่, และดึงดูดนักศึกษาและ postdocs,"มาจุมดาร์กล่าว.

แหล่งที่มา:

www.princeton.edu/news, โดย สตีเว่น ชูลท์ซ