Explorant i augmentant el món interior d’una cèl·lula


Cell Rover: explorant i augmentant el món interior de la cèl·lula

Una interpretació artística del Cell Rover, una antena intracel·lular per explorar i augmentar el món interior de la cèl·lula. Crèdit: Irakli Zurabishvili per a Deblina Sarkar, amb models d’IronWeber i Lauri Purhonen.

Els investigadors del MIT Media Lab han dissenyat una antena en miniatura que pot funcionar sense fil a l’interior d’una cèl·lula viva, obrint possibilitats de diagnòstic i tractament mèdic i altres processos científics a causa del potencial de l’antena per controlar i fins i tot dirigir l’activitat cel·lular en temps real.

“L’aspecte més emocionant d’aquesta investigació és que som capaços de crear cyborgs a escala cel·lular”, diu Deblina Sarkar, professora assistent i càtedra de desenvolupament professional d’AT&T al MIT Media Lab i cap del Nano-Cybernetic Biotrek Lab. “Som capaços de fusionar la versatilitat de la tecnologia de la informació a nivell de cèl·lules, els blocs de construcció de la biologia”.

Un article que descriu la investigació es va publicar avui a la revista Comunicacions de la natura.

La tecnologia, anomenada Cell Rover pels investigadors, representa la primera demostració d’un antena que pot operar dins d’una cèl·lula i és compatible amb sistemes biològics 3D. Les interfícies bioelectròniques típiques, diu Sarkar, tenen una mida de mil·límetres o fins i tot centímetres, i no només són altament invasives, sinó que tampoc proporcionen la resolució necessària per interactuar amb cèl·lules simples sense fil, sobretot tenint en compte que els canvis fins i tot a una cèl·lula poden afectar tot un organisme.

L’antena desenvolupada per l’equip de Sarkar és molt més petita que una cèl·lula. De fet, en la investigació de l’equip amb cèl·lules d’oòcits, l’antena representava menys del 0,05 per cent del volum de la cèl·lula, situant-la molt per sota d’una mida que interferiria i danyaria la cèl·lula.

Trobar una manera de construir una antena d’aquesta mida per funcionar dins d’una cèl·lula va ser un repte clau.

Això es deu al fet que les antenes convencionals han de ser comparables en mida a la longitud d’ona de les ones electromagnètiques que transmeten i reben. Aquestes longituds d’ona són molt grans: representen la velocitat de la llum dividida per la freqüència de l’ona. Al mateix temps, augmentar la freqüència per reduir aquesta relació i la mida de l’antena és contraproduent perquè les freqüències altes produeixen calor perjudicial per als teixits vius.

L’antena desenvolupada pels investigadors del Media Lab converteix les ones electromagnètiques en ones acústiques, les longituds d’ona de les quals són cinc ordres de magnitud més petites (que representen la velocitat del so dividida per la freqüència de l’ona) que les del ones electromagnètiques.

Aquesta conversió d’ones electromagnètiques a acústiques s’aconsegueix mitjançant la fabricació d’antenes en miniatura utilitzant un material anomenat magnetostrictiu. Quan s’aplica un camp magnètic a l’antena, alimentant-la i activant-la, els dominis magnètics dins del material magnetostrictiu s’alineen amb el camp, creant tensió en el material, de la mateixa manera que els trossos de metall teixits en un tros de tela podrien reaccionar a un imant fort, provocant el drap per contorsionar-se.

Quan s’aplica un camp magnètic altern a l’antena, la tensió i la tensió (pressió) variables produïdes en el material són el que crea les ones acústiques a l’antena, diu Baju Joy, estudiant del laboratori de Sarkar i autor principal d’aquest treball. “També hem desenvolupat una nova estratègia utilitzant un no uniforme camp magnètic introduir els rovers a les cel·les”, afegeix Joy.

Configurada d’aquesta manera, l’antena es podria utilitzar per explorar els fonaments de la biologia a mesura que es produeixen els processos naturals, diu Sarkar. En lloc de destruir les cèl·lules per examinar el seu citoplasma com es fa habitualment, el Cell Rover podria controlar el desenvolupament o la divisió d’una cèl·lula, detectant diferents productes químics i biomolècules, com ara enzims, o canvis físics com la pressió cel·lular, tot en temps real i in vivo.

Segons els investigadors, els materials com els polímers que pateixen un canvi de massa o d’estrès com a resposta a canvis químics o biomoleculars —ja s’utilitzen en investigacions mèdiques i altres— podrien integrar-se amb el funcionament del Cell Rover. Aquesta integració podria proporcionar coneixements que no ofereixen les tècniques d’observació actuals que impliquen la destrucció de la cèl·lula.

Amb aquestes capacitats, els Cell Rovers podrien ser valuosos en la investigació del càncer i les malalties neurodegeneratives, per exemple. Tal com explica Sarkar, la tecnologia es podria utilitzar per detectar i controlar els canvis bioquímics i elèctrics associats a la malaltia durant la seva progressió en cèl·lules individuals. Aplicada en el camp del descobriment de fàrmacs, la tecnologia podria il·luminar les reaccions de les cèl·lules vives a diferents fàrmacs.

A causa de la sofisticació i l’escala dels dispositius nanoelectrònics com els transistors i els interruptors, “que representen cinc dècades d’enormes avenços en el camp de la tecnologia de la informació”, diu Sarkar, el Cell Rover, amb la seva mini antena, podria dur a terme funcions que abasten tot el camí. a la informàtica intracel·lular i al processament de la informació per a l’exploració i modulació autònomes de la cèl·lula. La investigació va demostrar que es poden connectar múltiples Cell Rovers, fins i tot dins d’una sola cèl·lula, per comunicar-se entre ells i fora de les cèl·lules.

“El Cell Rover és un concepte innovador, ja que pot incorporar tecnologia de detecció, comunicació i informació dins d’un cèl·lula viva“, diu Anantha P. Chandrakasan, degana de l’Escola d’Enginyeria del MIT i professor d’Enginyeria Elèctrica i Informàtica de Vannevar Bush. “Això obre oportunitats sense precedents per a diagnòstics, terapèutica i descobriment de fàrmacs extremadament precisos, a més de crear un nou direcció a la intersecció entre la biologia i els dispositius electrònics”.

Els investigadors van anomenar la seva tecnologia d’antena intracel·lular Cell Rover per invocar, com la d’un rover de Mart, la seva missió d’explorar una nova frontera.

“Podeu pensar en el Cell Rover”, diu Sarkar, “com en una expedició, explorant el món interior de la cèl·lula”.


Nova antena basada en membrana molt més petita que les convencionals


Més informació:
Baju Joy et al, Cell Rover: una antena magnetoestrictiva miniaturitzada per al funcionament sense fil dins de cèl·lules vives, Comunicacions de la natura (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-32862-4

Aquesta història es torna a publicar per cortesia de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un lloc popular que cobreix notícies sobre recerca, innovació i ensenyament del MIT.

Citació: Cell Rover: Exploring and augmenting the inner world of a cell (2022, 22 de setembre) recuperat el 23 de setembre de 2022 de https://phys.org/news/2022-09-cell-rover-exploring-augmenting-world.html

Aquest document està subjecte a drets d’autor. A part de qualsevol tracte just amb finalitats d’estudis o investigacions privats, no es pot reproduir cap part sense el permís per escrit. El contingut es proporciona només amb finalitats informatives.