En ny studie kan tillate forskere å lage cyborgs i cellulær skala, takket være MIT Media Lab for å designe en miniatyrantenne som kan operere trådløst inne i en levende celle. Dette kan ha applikasjoner i medisinsk diagnostikk, behandling og andre vitenskapelige prosesser på grunn av antennens potensial for sanntidsovervåking og styring cellulær aktivitet.
Forskere kalte denne teknologien Cell Rover. Den representerer den første demonstrasjonen av en antenne som kan operere inne i en celle og er kompatibel med biologiske 3D-systemer.
Deblina Sarkar, assisterende professor og AT&T Career Development Chair ved MIT Media Lab og leder for Nano-Cybernetic Biotrek Lab, sa: "Typiske bioelektroniske grensesnitt er millimeter eller til og med centimeter store og er ikke bare svært invasive, men klarer heller ikke å gi den oppløsningen som trengs for å samhandle med enkeltceller trådløst - spesielt med tanke på at endringer til og med én celle kan påvirke en hel organisme."
Størrelsen på den nyutviklede antennen er mye mindre enn en celle. Antennen representerte mindre enn 05 prosent av cellevolumet i forskning med oocyttceller. Den konverterer elektromagnetiske bølger til akustiske bølger, hvis bølgelengder er fem størrelsesordener mindre, og representerer lydhastigheten delt på bølgefrekvensen - enn de for de elektromagnetiske bølgene.
Miniatyrantennene er konstruert ved å bruke et stoff kjent som magnetostriktiv for å oppnå denne konverteringen fra elektromagnetiske til akustiske bølger. Magnetiske domener i det magnetostriktive materialet justerer seg etter feltet når en magnetfelt påføres antennen, gir strøm og aktiverer den. Dette forårsaker belastning i materialet, omtrent som hvordan metalltråder vevd inn i stoffet kan reagere på en kraftig magnet ved å vri seg.
Baju Joy, en student i Sarkars laboratorium og hovedforfatteren av dette arbeidet, sa: "Når et vekslende magnetfelt påføres antennen, er den varierende tøyningen og spenningen (trykket) som produseres i materialet det som skaper akustiske bølger i antennen. Vi har også utviklet en ny strategi som bruker et uensartet magnetfelt for å introdusere rovere i cellene."
Sarkar sa, "Konfigurert på denne måten kan antennen brukes til å utforske grunnleggende biologi når naturlige prosesser oppstår. I stedet for å ødelegge cellene for å undersøke cytoplasmaet, slik det vanligvis gjøres, kan Cell Rover overvåke utviklingen eller delingen av en celle, oppdage forskjellige kjemikalier og biomolekyler som enzymer eller fysiske endringer som celletrykk - alt i sanntid og in vivo ."
Forskerne hevder at materialer som polymerer, som allerede brukes i medisinsk og annen forskning, kan integreres med driften av Cell Rover. Polymerer, for eksempel, endres i masse eller stress som svar på kjemiske eller biomolekylære endringer. En kombinasjon som dette kan avsløre informasjon som de celleødeleggende observasjonsmetodene som er i bruk ikke gjør det.
Sarkar forklarte, "Med slike evner kan Cell Rovers være verdifulle kreft og forskning på nevrodegenerativ sykdom, for eksempel. Teknologien kan oppdage og overvåke biokjemiske og elektriske endringer forbundet med sykdommen over dens progresjon i individuelle celler. Brukt innen legemiddeloppdagelse, kan teknologien belyse reaksjonene til levende celler på forskjellige medikamenter."
"På grunn av sofistikeringen og skalaen til nanoelektroniske enheter som transistorer og brytere - "representerer fem tiår med enorme fremskritt innen informasjonsteknologi. Cell Rover, med sin miniantenne, kunne utføre funksjoner som spenner fra intracellulær databehandling og informasjonsbehandling til autonom utforskning og modulering av cellen. Forskningen viste at flere Cell Rovers kan engasjeres, selv innenfor en enkelt celle, for å kommunisere seg imellom og utenfor cellene."
Anantha P. Chandrakasan, dekan ved MIT School of Engineering og Vannevar Bush professor i elektroteknikk og informatikk, sa, "Cell Rover er et innovativt konsept ettersom den kan bygge inn sansing, kommunikasjon og informasjonsteknologi i en levende celle. Dette åpner for enestående muligheter for eksakt diagnostikk, terapi og medikamentoppdagelse, så vel som en ny retning i skjæringspunktet mellom biologi og elektroniske enheter."
Tidsreferanse:
- Joy, B., Cai, Y., Bono, DC et al. Cell Rover – en miniatyrisert magnetostriktiv antenne for trådløs drift inne i levende celler. Nat Commun 13, 5210 (2022). GJØR JEG: 10.1038/s41467-022-32862-4
