Un nuovo studio potrebbe consentire agli scienziati di creare cyborg su scala cellulare, grazie a CON Media Lab per la progettazione di un'antenna in miniatura in grado di funzionare in modalità wireless all'interno di una cellula vivente. Ciò potrebbe avere applicazioni nella diagnostica medica, nel trattamento e in altri processi scientifici grazie al potenziale dell'antenna per il monitoraggio e la direzione in tempo reale attività cellulare.
Gli scienziati hanno chiamato questa tecnologia Cell Rover. Rappresenta la prima dimostrazione di un'antenna in grado di operare all'interno di una cellula ed è compatibile con i sistemi biologici 3D.
Deblina Sarkar, assistente professore e presidente della AT&T Career Development presso il MIT Media Lab e capo del Nano-Cybernetic Biotrek Lab, ha affermato: “Le tipiche interfacce bioelettroniche hanno dimensioni millimetriche o addirittura centimetri e non solo sono altamente invasive, ma non riescono nemmeno a fornire la risoluzione necessaria per interagire con le singole cellule in modalità wireless, soprattutto considerando che i cambiamenti anche a una sola cellula possono influenzare un intero organismo”.
La dimensione dell'antenna di nuova concezione è molto più piccola di una cella. L'antenna rappresentava meno dello 05% del volume cellulare nella ricerca con cellule ovocitarie. Si converte onde elettromagnetiche in onde acustiche, le cui lunghezze d'onda sono cinque ordini di grandezza più piccole, che rappresentano la velocità del suono divisa per la frequenza dell'onda, rispetto a quelle delle onde elettromagnetiche.
Le antenne in miniatura sono costruite utilizzando una sostanza nota come magnetostrittiva per ottenere questa conversione dalle onde elettromagnetiche a quelle acustiche. I domini magnetici all'interno del materiale magnetostrittivo si allineano al campo quando a campo magnetico viene applicato all'antenna, alimentandola ed attivandola. Ciò provoca tensione nel materiale, proprio come i fili metallici intrecciati nel tessuto potrebbero reagire a un potente magnete ruotando.
Baju Joy, uno studente del laboratorio di Sarkar e autore principale di questo lavoro, ha detto: "Quando all'antenna viene applicato un campo magnetico alternato, la variazione di deformazione e sollecitazione (pressione) prodotta nel materiale è ciò che crea il onde acustiche nell'antenna. Abbiamo anche sviluppato una nuova strategia che utilizza un campo magnetico non uniforme per introdurre i rover nelle cellule”.
Sarkar ha detto: “Configurata in questo modo, l’antenna potrebbe essere utilizzata per esplorare i fondamenti della biologia mentre si verificano i processi naturali. Invece di distruggere le cellule per esaminarne il citoplasma come avviene normalmente, il Cell Rover potrebbe monitorare lo sviluppo o la divisione di una cellula, rilevando diverse sostanze chimiche e biomolecole come enzimi o cambiamenti fisici come la pressione cellulare, il tutto in tempo reale e in vivo .”
I ricercatori sostengono che materiali come i polimeri, già utilizzati nella ricerca medica e di altro tipo, potrebbero essere integrati con il funzionamento del Cell Rover. I polimeri, ad esempio, cambiano di massa o di stress in risposta a cambiamenti chimici o biomolecolari. Una combinazione come questa potrebbe rivelare informazioni che i metodi di osservazione che distruggono le cellule attualmente in uso non forniscono.
Sarkar ha spiegato, “Con tali capacità, i Cell Rover potrebbero essere preziosi cancro e la ricerca sulle malattie neurodegenerative, per esempio. La tecnologia potrebbe rilevare e monitorare i cambiamenti biochimici ed elettrici associati alla malattia durante la sua progressione nelle singole cellule. Applicata nel campo della scoperta di farmaci, la tecnologia potrebbe illuminare le reazioni delle cellule vive a diversi farmaci”.
“A causa della sofisticazione e della portata dei dispositivi nanoelettronici come transistor e interruttori – “che rappresentano cinque decenni di enormi progressi nel campo della tecnologia dell’informazione. Il Cell Rover, con la sua mini antenna, potrebbe svolgere funzioni che vanno dal calcolo intracellulare e dall'elaborazione delle informazioni all'esplorazione e modulazione autonoma della cellula. La ricerca ha dimostrato che più Cell Rover possono essere coinvolti, anche all’interno di una singola cellula, per comunicare tra loro e all’esterno delle cellule”.
Anantha P. Chandrakasan, preside della Facoltà di Ingegneria del MIT e professore di ingegneria elettrica e informatica Vannevar Bush, disse, “Il Cell Rover è un concetto innovativo in quanto può incorporare la tecnologia di rilevamento, comunicazione e informazione all’interno di una cellula vivente. Ciò apre opportunità senza precedenti per la diagnostica esatta, le terapie e la scoperta di farmaci, nonché una nuova direzione all’intersezione tra biologia e dispositivi elettronici”.
Riferimento della Gazzetta:
- Joy, B., Cai, Y., Bono, DC et al. Cell Rover: un'antenna magnetostrittiva miniaturizzata per il funzionamento wireless all'interno delle cellule viventi. Nat Comun 13, 5210 (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-32862-4
