Нове дослідження може дозволити вченим створювати кіборгів у клітинному масштабі, завдяки MIT Media Lab для розробки мініатюрної антени, яка може працювати без проводів у живій клітині. Це може мати застосування в медичній діагностиці, лікуванні та інших наукових процесах через потенціал антени для моніторингу та спрямування в реальному часі. клітинна активність.
Цю технологію вчені назвали Cell Rover. Це перша демонстрація антени, яка може працювати всередині клітини та сумісна з 3D-біологічними системами.
Дебліна Саркар, доцент і керівник кар’єрного розвитку AT&T медіа-лабораторії MIT і керівник нанокібернетичної лабораторії Biotrek, сказала: «Типові біоелектронні інтерфейси мають розміри в міліметри або навіть сантиметри і є не тільки дуже інвазивними, але й не забезпечують роздільну здатність, необхідну для бездротової взаємодії з окремими клітинами — особливо враховуючи, що зміни навіть однієї клітини можуть вплинути на весь організм».
Розмір нещодавно розробленої антени набагато менший за комірку. Антена становила менше 05 відсотка об'єму клітини в дослідженнях з ооцитами. Це перетворює електромагнітні хвилі на акустичні хвилі, чия довжина хвилі на п’ять порядків менша, що відповідає поділенню швидкості звуку на частоту хвилі, ніж у електромагнітних хвиль.
Мініатюрні антени сконструйовано з використанням речовини, відомої як магнітострикційна речовина, щоб досягти такого перетворення електромагнітних хвиль в акустичні. Магнітні домени всередині магнітострикційного матеріалу вирівнюються відповідно до поля, коли a магнітне поле прикладається до антени, живлячи та активуючи її. Це спричиняє деформацію матеріалу, подібно до того, як металеві нитки, вплетені в тканину, можуть реагувати на потужний магніт шляхом скручування.
Баджу Джой, студент лабораторії Саркара та провідний автор цієї роботи, сказав: «Коли до антени прикладається змінне магнітне поле, змінна деформація та напруга (тиск), створювана в матеріалі, створює акустичні хвилі в антені. Ми також розробили нову стратегію, використовуючи неоднорідне магнітне поле для введення роверів у клітини».
Саркар сказав, «Налаштована таким чином антена може бути використана для вивчення основ біології під час природних процесів. Замість того, щоб знищувати клітини для дослідження їхньої цитоплазми, як це зазвичай робиться, Cell Rover може стежити за розвитком або поділом клітини, виявляючи різні хімічні речовини та біомолекули, такі як ферменти, або фізичні зміни, такі як клітинний тиск — усе в режимі реального часу та in vivo .”
Дослідники стверджують, що такі матеріали, як полімери, які вже використовуються в медичних та інших дослідженнях, можуть бути інтегровані в роботу Cell Rover. Полімери, наприклад, змінюють масу або стрес у відповідь на хімічні або біомолекулярні зміни. Подібна комбінація може виявити інформацію, яку не дають методи спостереження, що руйнують клітини, які зараз використовуються.
Саркар пояснив, «З такими можливостями Cell Rovers можуть бути цінними рак і дослідження нейродегенеративних захворювань, наприклад. Технологія може виявляти та контролювати біохімічні та електричні зміни, пов’язані з хворобою, протягом її прогресування в окремих клітинах. Застосовувана в області відкриття ліків, технологія може просвітити реакції живих клітин на різні ліки».
«Завдяки витонченості та масштабу наноелектронних пристроїв, таких як транзистори та перемикачі, які представляють собою п’ять десятиліть величезного прогресу в галузі інформаційних технологій. Cell Rover зі своєю міні-антеною може виконувати різноманітні функції від внутрішньоклітинних обчислень і обробки інформації до автономного дослідження та модуляції клітини. Дослідження показало, що кілька роверів стільникового зв’язку можуть бути задіяні, навіть у межах однієї клітини, для спілкування між собою та за межами клітин».
Ананта П. Чандракасан, декан інженерної школи Массачусетського технологічного інституту та професор електротехніки та комп’ютерних наук Ванневара Буша, сказав, «Cell Rover — це інноваційна концепція, оскільки вона може вбудовувати датчики, комунікаційні та інформаційні технології в живу клітину. Це відкриває безпрецедентні можливості для точної діагностики, терапії та відкриття ліків, а також новий напрямок на перетині біології та електронних пристроїв».
Довідка з журналу:
- Джой, Б., Кай, Ю., Боно, DC та ін. Cell Rover — мініатюрна магнітострикційна антена для бездротової роботи в живих клітинах. Nat Commun 13, 5210 (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-32862-4
