Μια νέα μελέτη θα μπορούσε να επιτρέψει στους επιστήμονες να δημιουργήσουν cyborgs σε κυτταρική κλίμακα, χάρη σε MIT Media Lab για το σχεδιασμό μιας μικροσκοπικής κεραίας που μπορεί να λειτουργεί ασύρματα μέσα σε ένα ζωντανό κελί. Αυτό θα μπορούσε να έχει εφαρμογές στην ιατρική διάγνωση, τη θεραπεία και άλλες επιστημονικές διαδικασίες λόγω της δυνατότητας της κεραίας για παρακολούθηση και κατεύθυνση σε πραγματικό χρόνο κυτταρική δραστηριότητα.
Οι επιστήμονες ονόμασαν αυτή την τεχνολογία Cell Rover. Αντιπροσωπεύει την πρώτη επίδειξη μιας κεραίας που μπορεί να λειτουργήσει μέσα σε μια κυψέλη και είναι συμβατή με τρισδιάστατα βιολογικά συστήματα.
Η Deblina Sarkar, επίκουρη καθηγήτρια και πρόεδρος AT&T Career Development στο MIT Media Lab και επικεφαλής του Nano-Cybernetic Biotrek Lab, είπε: «Οι τυπικές βιοηλεκτρονικές διεπαφές έχουν μέγεθος χιλιοστών ή και εκατοστών και όχι μόνο είναι εξαιρετικά επεμβατικές, αλλά επίσης αποτυγχάνουν να παρέχουν την ανάλυση που απαιτείται για την ασύρματη αλληλεπίδραση με μεμονωμένα κύτταρα – ειδικά αν σκεφτεί κανείς ότι οι αλλαγές έστω και σε ένα κύτταρο μπορούν να επηρεάσουν έναν ολόκληρο οργανισμό».
Το μέγεθος της κεραίας που αναπτύχθηκε πρόσφατα είναι πολύ μικρότερο από μια κυψέλη. Η κεραία αντιπροσώπευε λιγότερο από 05 τοις εκατό του όγκου των κυττάρων στην έρευνα με κύτταρα ωοκυττάρων. Μετατρέπει ηλεκτρομαγνητικά κύματα σε ακουστικά κύματα, των οποίων τα μήκη κύματος είναι πέντε τάξεις μεγέθους μικρότερα, αντιπροσωπεύοντας την ταχύτητα του ήχου διαιρούμενη με τη συχνότητα κύματος — από αυτά των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.
Οι μικροσκοπικές κεραίες κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας μια ουσία γνωστή ως μαγνητοσυστολή για να επιτευχθεί αυτή η μετατροπή από ηλεκτρομαγνητικά σε ακουστικά κύματα. Οι μαγνητικές περιοχές εντός του μαγνητοσυσταλτικού υλικού ευθυγραμμίζονται με το πεδίο όταν α μαγνητικό πεδίο εφαρμόζεται στην κεραία, τροφοδοτώντας και ενεργοποιώντας την. Αυτό προκαλεί καταπόνηση στο υλικό, όπως το πώς τα μεταλλικά νήματα που υφαίνονται στο ύφασμα μπορεί να αντιδράσουν σε έναν ισχυρό μαγνήτη με συστροφή.
Ο Baju Joy, ένας μαθητής στο εργαστήριο του Sarkar και ο κύριος συγγραφέας αυτού του έργου, είπε: «Όταν εφαρμόζεται ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο στην κεραία, η μεταβαλλόμενη τάση και η πίεση (πίεση) που παράγονται στο υλικό είναι αυτό που δημιουργεί ακουστικά κύματα στην κεραία. Έχουμε επίσης αναπτύξει μια νέα στρατηγική χρησιμοποιώντας ένα μη ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο για την εισαγωγή των ρόβερ στις κυψέλες».
Ο Σαρκάρ είπε, «Διαμορφωμένη με αυτόν τον τρόπο, η κεραία θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να εξερευνήσει τα θεμελιώδη στοιχεία της βιολογίας καθώς συμβαίνουν φυσικές διεργασίες. Αντί να καταστρέφει τα κύτταρα για να εξετάσει το κυτταρόπλασμά τους, όπως γίνεται συνήθως, το Cell Rover θα μπορούσε να παρακολουθεί την ανάπτυξη ή τη διαίρεση ενός κυττάρου, ανιχνεύοντας διαφορετικές χημικές ουσίες και βιομόρια όπως ένζυμα ή φυσικές αλλαγές όπως η κυτταρική πίεση — όλα σε πραγματικό χρόνο και in vivo .»
Οι ερευνητές ισχυρίζονται ότι υλικά όπως τα πολυμερή, που χρησιμοποιούνται ήδη στην ιατρική και σε άλλες έρευνες, θα μπορούσαν να ενσωματωθούν στη λειτουργία του Cell Rover. Τα πολυμερή, για παράδειγμα, αλλάζουν τη μάζα ή την τάση ως απόκριση σε χημικές ή βιομοριακές αλλαγές. Ένας συνδυασμός όπως αυτός μπορεί να αποκαλύψει πληροφορίες που δεν το κάνουν οι μέθοδοι παρατήρησης που καταστρέφουν τα κύτταρα που χρησιμοποιούνται αυτήν τη στιγμή.
Ο Sarkar εξήγησε, «Με τέτοιες δυνατότητες, τα Cell Rovers θα μπορούσαν να είναι πολύτιμα Καρκίνος και έρευνα νευροεκφυλιστικών ασθενειών, για παράδειγμα. Η τεχνολογία θα μπορούσε να ανιχνεύει και να παρακολουθεί βιοχημικές και ηλεκτρικές αλλαγές που σχετίζονται με την ασθένεια σε σχέση με την εξέλιξή της σε μεμονωμένα κύτταρα. Εφαρμοσμένη στον τομέα της ανακάλυψης φαρμάκων, η τεχνολογία θα μπορούσε να φωτίσει τις αντιδράσεις των ζωντανών κυττάρων σε διαφορετικά φάρμακα».
«Λόγω της πολυπλοκότητας και της κλίμακας των νανοηλεκτρονικών συσκευών όπως τα τρανζίστορ και οι διακόπτες — «που αντιπροσωπεύουν πέντε δεκαετίες τεράστιων προόδων στον τομέα της τεχνολογίας πληροφοριών. Το Cell Rover, με τη μίνι κεραία του, θα μπορούσε να εκτελεί λειτουργίες που κυμαίνονται από τον ενδοκυτταρικό υπολογισμό και την επεξεργασία πληροφοριών έως την αυτόνομη εξερεύνηση και διαμόρφωση της κυψέλης. Η έρευνα έδειξε ότι πολλά Cell Rover μπορούν να δεσμευτούν, ακόμη και μέσα σε ένα μόνο κελί, για να επικοινωνήσουν μεταξύ τους και έξω από τα κύτταρα».
Anantha P. Chandrakasan, κοσμήτορας της Σχολής Μηχανικών του MIT και του Vannevar Bush Καθηγήτρια Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Επιστήμης Υπολογιστών, είπε, «Το Cell Rover είναι μια καινοτόμος ιδέα καθώς μπορεί να ενσωματώσει αισθητήρια, επικοινωνία και τεχνολογία πληροφοριών μέσα σε ένα ζωντανό κύτταρο. Αυτό ανοίγει άνευ προηγουμένου ευκαιρίες για ακριβή διάγνωση, θεραπεία και ανακάλυψη φαρμάκων, καθώς και μια νέα κατεύθυνση στη διασταύρωση μεταξύ βιολογίας και ηλεκτρονικών συσκευών».
Αναφορά στο περιοδικό:
- Joy, Β., Cai, Υ., Bono, DC et al. Cell Rover—μια μικροσκοπική μαγνητοσυσταλτική κεραία για ασύρματη λειτουργία μέσα σε ζωντανά κύτταρα. Nat Commun 13, 5210 (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-32862-4
