En ny studie kan göra det möjligt för forskare att skapa cyborgs i cellulär skala, tack vare MIT Media Lab för design av en miniatyrantenn som kan fungera trådlöst inuti en levande cell. Detta kan ha tillämpningar inom medicinsk diagnostik, behandling och andra vetenskapliga processer på grund av antennens potential för övervakning och styrning i realtid cellulär aktivitet.
Forskare döpte denna teknik till Cell Rover. Den representerar den första demonstrationen av en antenn som kan fungera inuti en cell och är kompatibel med biologiska 3D-system.
Deblina Sarkar, biträdande professor och AT&T karriärutvecklingsordförande vid MIT Media Lab och chef för Nano-Cybernetic Biotrek Lab, sa: "Typiska bioelektroniska gränssnitt är millimeter eller till och med centimeter stora och är inte bara mycket invasiva utan ger inte heller den upplösning som behövs för att interagera med enstaka celler trådlöst - speciellt med tanke på att förändringar till ens en cell kan påverka en hel organism."
Storleken på den nyutvecklade antennen är mycket mindre än en cell. Antennen representerade mindre än 05 procent av cellvolymen i forskning med oocytceller. Det konverterar elektromagnetiska vågor till akustiska vågor, vars våglängder är fem storleksordningar mindre, vilket representerar ljudets hastighet dividerat med vågfrekvensen - än de för de elektromagnetiska vågorna.
Miniatyrantennerna är konstruerade med användning av ett ämne som kallas magnetostriktiva för att uppnå denna omvandling från elektromagnetiska till akustiska vågor. Magnetiska domäner inom det magnetostriktiva materialet anpassas till fältet när en Magnetfältet appliceras på antennen, strömförsörjer och aktiverar den. Detta orsakar spänningar i materialet, ungefär som hur metalltrådar vävda i tyg kan reagera på en kraftfull magnet genom att vrida sig.
Baju Joy, en student i Sarkars labb och huvudförfattaren till detta arbete, sa: "När ett växelmagnetiskt fält appliceras på antennen är det den varierande töjningen och spänningen (trycket) som produceras i materialet som skapar akustiska vågor i antennen. Vi har också utvecklat en ny strategi som använder ett ojämnt magnetfält för att introducera rovers i cellerna."
Sarkar sa, "Konfigurerad på detta sätt kan antennen användas för att utforska grunderna för biologi när naturliga processer inträffar. Istället för att förstöra celler för att undersöka deras cytoplasma som vanligtvis görs, kunde Cell Rover övervaka utvecklingen eller delningen av en cell, detektera olika kemikalier och biomolekyler som enzymer eller fysiska förändringar som celltryck - allt i realtid och in vivo .”
Forskarna hävdar att material som polymerer, som redan används i medicinsk och annan forskning, skulle kunna integreras med driften av Cell Rover. Polymerer, till exempel, förändras i massa eller stress som svar på kemiska eller biomolekylära förändringar. En kombination som denna kan avslöja information som de cellförstörande observationsmetoderna som för närvarande används inte gör det.
Sarkar förklarade, "Med sådana möjligheter kan Cell Rovers vara värdefulla cancer och forskning om neurodegenerativa sjukdomar, till exempel. Tekniken skulle kunna upptäcka och övervaka biokemiska och elektriska förändringar associerade med sjukdomen över dess progression i enskilda celler. Tillämpad inom området läkemedelsupptäckt, kan tekniken belysa reaktionerna från levande celler på olika läkemedel."
"På grund av sofistikeringen och skalan hos nanoelektroniska enheter som transistorer och switchar - "representerar fem decennier av enorma framsteg inom informationsteknologin. Cell Rover, med sin miniantenn, kunde utföra funktioner som sträcker sig från intracellulär beräkning och informationsbehandling till autonom utforskning och modulering av cellen. Forskningen visade att flera Cell Rovers kan engageras, även inom en enda cell, för att kommunicera sinsemellan och utanför cellerna."
Anantha P. Chandrakasan, dekanus för MIT School of Engineering och Vannevar Bush professor i elektroteknik och datavetenskap, sade, "Cell Rover är ett innovativt koncept eftersom den kan bädda in avkännings-, kommunikations- och informationsteknologi i en levande cell. Detta öppnar upp för oöverträffade möjligheter för exakt diagnostik, terapi och läkemedelsupptäckt, såväl som en ny riktning i skärningspunkten mellan biologi och elektroniska enheter."
Tidskriftsreferens:
- Joy, B., Cai, Y., Bono, DC et al. Cell Rover – en miniatyriserad magnetostriktiv antenn för trådlös drift inuti levande celler. Nat Commun 13, 5210 (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-32862-4
