Nowe badanie może umożliwić naukowcom tworzenie cyborgów na skalę komórkową dzięki: MIT Media Lab do zaprojektowania miniaturowej anteny, która może działać bezprzewodowo wewnątrz żywej komórki. Może to mieć zastosowanie w diagnostyce medycznej, leczeniu i innych procesach naukowych ze względu na potencjał anteny do monitorowania i kierowania w czasie rzeczywistym aktywność komórkowa.
Naukowcy nazwali tę technologię Cell Rover. Jest to pierwsza demonstracja anteny, która może działać wewnątrz komórki i jest kompatybilna z systemami biologicznymi 3D.
Deblina Sarkar, adiunkt i kierownik Katedry Rozwoju Kariery AT&T w MIT Media Lab i kierownik Nano-Cybernetic Biotrek Lab, powiedziała: „Typowe interfejsy bioelektroniczne mają rozmiar milimetrów, a nawet centymetrów i są nie tylko wysoce inwazyjne, ale także nie zapewniają rozdzielczości potrzebnej do bezprzewodowej interakcji z pojedynczymi komórkami — zwłaszcza biorąc pod uwagę, że zmiany w nawet jednej komórce mogą mieć wpływ na cały organizm”.
Wielkość nowo opracowanej anteny jest znacznie mniejsza niż komórki. Antena stanowiła mniej niż 05 procenta objętości komórki w badaniach z komórkami oocytowymi. To się konwertuje fale elektromagnetyczne na fale akustyczne, których długości fal są o pięć rzędów wielkości mniejsze, reprezentując prędkość dźwięku podzieloną przez częstotliwość fali — niż fale elektromagnetyczne.
Miniaturowe anteny są skonstruowane przy użyciu substancji znanej jako magnetostrykcyjna, aby osiągnąć tę konwersję z fal elektromagnetycznych na fale akustyczne. Domeny magnetyczne w materiale magnetostrykcyjnym dopasowują się do pola, gdy a Pole magnetyczne jest przykładany do anteny, zasilając ją i aktywując. Powoduje to naprężenie materiału, podobnie jak metalowe nici wplecione w tkaninę mogą reagować na silny magnes poprzez skręcanie.
Baju Joy, student w laboratorium Sarkara i główny autor tej pracy, powiedział: „Kiedy do anteny przykładane jest zmienne pole magnetyczne, zmienne naprężenie i naprężenie (ciśnienie) wytwarzane w materiale jest tym, co tworzy fale akustyczne w antenie. Opracowaliśmy również nowatorską strategię wykorzystującą niejednorodne pole magnetyczne do wprowadzania łazików do komórek”.
Sarkar powiedział: „Skonfigurowana w ten sposób antena może zostać wykorzystana do zbadania podstaw biologii w miarę zachodzących procesów naturalnych. Zamiast niszczyć komórki w celu zbadania ich cytoplazmy, jak to się zwykle robi, Cell Rover może monitorować rozwój lub podział komórki, wykrywając różne substancje chemiczne i biomolekuły, takie jak enzymy, lub zmiany fizyczne, takie jak ciśnienie komórkowe — wszystko w czasie rzeczywistym i in vivo ”.
Naukowcy twierdzą, że materiały takie jak polimery, które są już wykorzystywane w badaniach medycznych i innych, można by zintegrować z działaniem Cell Rovera. Na przykład polimery zmieniają masę lub naprężenia w odpowiedzi na zmiany chemiczne lub biomolekularne. Taka kombinacja może ujawnić informacje, których nie dają obecnie stosowane metody obserwacji niszczące komórki.
Sarkar wyjaśnił: „Dzięki takim możliwościom Cell Rovery mogą być cenne w rak i badania nad chorobami neurodegeneracyjnymi, na przykład. Technologia może wykrywać i monitorować zmiany biochemiczne i elektryczne związane z chorobą na przestrzeni jej progresji w poszczególnych komórkach. Zastosowana w dziedzinie odkrywania leków technologia może naświetlić reakcje żywych komórek na różne leki”.
„Ze względu na wyrafinowanie i skalę urządzeń nanoelektronicznych, takich jak tranzystory i przełączniki — „reprezentujących pięć dekad ogromnych postępów w dziedzinie technologii informatycznych. Cell Rover ze swoją minianteną może wykonywać różne funkcje, od obliczeń wewnątrzkomórkowych i przetwarzania informacji po autonomiczną eksplorację i modulację komórki. Badania wykazały, że wiele łazików Cell może być zaangażowanych, nawet w jednej komórce, do komunikacji między sobą i poza komórkami”.
Anantha P. Chandrakasan, dziekan Wydziału Inżynierii MIT oraz profesor inżynierii elektrycznej i informatyki Vannevara Busha, powiedziany, „Cell Rover to innowacyjna koncepcja, ponieważ może osadzić technologię wykrywania, komunikacji i informacji w żywej komórce. Otwiera to bezprecedensowe możliwości dokładnej diagnostyki, terapii i odkrywania leków, a także nowy kierunek na przecięciu biologii i urządzeń elektronicznych”.
Referencje czasopisma:
- Joy, B., Cai, Y., Bono, DC i in. Cell Rover — miniaturowa antena magnetostrykcyjna do bezprzewodowego działania wewnątrz żywych komórek. Nat Commun 13 5210 (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-32862-4
