Изследване и разширяване на вътрешния свят на клетката


Cell Rover: Изследване и разширяване на вътрешния свят на клетката

Художествено представяне на Cell Rover, вътреклетъчна антена за изследване и разширяване на вътрешния свят на клетката. Кредит: Иракли Зурабишвили за Деблина Саркар, с модели на IronWeber и Lauri Purhonen.

Изследователи от MIT Media Lab са проектирали миниатюрна антена, която може да работи безжично в жива клетка, отваряйки възможности за медицинска диагностика и лечение и други научни процеси поради потенциала на антената за наблюдение и дори насочване на клетъчната активност в реално време.

„Най-вълнуващият аспект на това изследване е, че можем да създаваме киборги в клетъчен мащаб“, казва Деблина Саркар, асистент и председател на AT&T за кариерно развитие в Media Lab на MIT и ръководител на Nano-Cybernetic Biotrek Lab. „Ние сме в състояние да обединим гъвкавостта на информационните технологии на ниво клетки, градивните елементи на биологията.“

Документ, описващ изследването, беше публикуван днес в списанието Nature Communications.

Технологията, наречена Cell Rover от изследователите, представлява първата демонстрация на антена който може да работи вътре в клетка и е съвместим с 3D биологични системи. Типичните биоелектронни интерфейси, казва Саркар, са с размери милиметри или дори сантиметри и са не само силно инвазивни, но и не успяват да осигурят разделителната способност, необходима за взаимодействие с единични клетки безжично – особено като се има предвид, че промените дори в една клетка могат да засегнат цял ​​организъм.

Антената, разработена от екипа на Саркар, е много по-малка от клетка. Всъщност, в изследването на екипа с овоцитни клетки, антената представлява по-малко от 0,05 процента от обема на клетката, което я поставя доста под размер, който би нахлул в клетката и я увредил.

Намирането на начин да се изгради антена с такъв размер, която да работи вътре в клетка, беше ключово предизвикателство.

Това е така, защото конвенционалните антени трябва да бъдат сравними по размер с дължината на вълната на електромагнитните вълни, които предават и приемат. Такива дължини на вълните са много големи – те представляват скоростта на светлината, разделена на честотата на вълната. В същото време увеличаването на честотата, за да се намали това съотношение и размера на антената, е контрапродуктивно, тъй като високите честоти произвеждат топлина, увреждаща живата тъкан.

Антената, разработена от изследователите на Media Lab, преобразува електромагнитните вълни в акустични вълни, чиито дължини на вълните са с пет порядъка по-малки – представляващи скоростта на звука, разделена на честотата на вълната – от тези на електромагнитни вълни.

Това преобразуване от електромагнитни в акустични вълни се осъществява чрез изработване на миниатюрни антени с помощта на материал, който се нарича магнитострикционен. Когато към антената се приложи магнитно поле, което я захранва и активира, магнитните домейни в магнитострикционния материал се подравняват към полето, създавайки напрежение в материала, начинът, по който металните парчета, вплетени в парче плат, могат да реагират на силен магнит, причинявайки кърпата да се изкриви.

Когато към антената се приложи променливо магнитно поле, променливото напрежение и напрежение (налягане), произведени в материала, създават акустичните вълни в антената, казва Баджу Джой, студент в лабораторията на Саркар и водещ автор на тази работа. „Ние също така разработихме нова стратегия, използвайки нееднородна магнитно поле за въвеждане на роувърите в клетките“, добавя Джой.

Конфигурирана по този начин, антената може да се използва за изследване на основите на биологията, когато протичат естествени процеси, казва Саркар. Вместо да унищожава клетките, за да изследва тяхната цитоплазма, както обикновено се прави, Cell Rover може да наблюдава развитието или деленето на клетка, откривайки различни химикали и биомолекули като ензими или физически промени като например клетъчно налягане – всичко това в реално време и in vivo.

Материали като полимери, които претърпяват промяна в масата или стрес в отговор на химични или биомолекулярни промени – вече използвани в медицински и други изследвания – могат да бъдат интегрирани с работата на Cell Rover, според изследователите. Такава интеграция би могла да осигури прозрения, които не се предоставят от настоящите техники за наблюдение, които включват унищожаване на клетката.

С такива възможности Cell Rovers биха могли да бъдат ценни в изследванията на рака и невродегенеративните заболявания, например. Както обяснява Саркар, технологията може да се използва за откриване и наблюдение на биохимични и електрически промени, свързани с болестта, по време на нейното прогресиране в отделните клетки. Приложена в областта на откриването на лекарства, технологията може да освети реакциите на живи клетки към различни лекарства.

Поради сложността и мащаба на наноелектронните устройства като транзистори и превключватели – “представляващи пет десетилетия огромен напредък в областта на информационните технологии”, казва Саркар – Cell Rover, със своята мини антена, може да изпълнява функции, вариращи по целия път до вътреклетъчно изчисление и обработка на информация за автономно изследване и модулиране на клетката. Изследването показа, че множество клетъчни роувъри могат да бъдат ангажирани, дори в рамките на една клетка, за да комуникират помежду си и извън клетките.

„Cell Rover е иновативна концепция, тъй като може да вгради сензорни, комуникационни и информационни технологии в жива клетка“, казва Ананта П. Чандракасан, декан на Инженерния факултет на Масачузетския технологичен институт и професор по електротехника и компютърни науки във Ваневар Буш. „Това отваря безпрецедентни възможности за изключително прецизна диагностика, терапия и откриване на лекарства, както и създаване на нов посока в пресечната точка между биологията и електронните устройства.”

Изследователите нарекоха своята технология за вътреклетъчна антена Cell Rover, за да извикат, подобно на марсохода, мисията му да изследва нова граница.

„Можете да мислите за Cell Rover“, казва Саркар, „като за експедиция, изследваща вътрешния свят на клетката.“


Нова мембранна антена, много по-малка от конвенционалните


Повече информация:
Baju Joy et al, Cell Rover – миниатюрна магнитострикционна антена за безжична работа в живи клетки, Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-32862-4

Тази история е препубликувана с любезното съдействие на MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), популярен сайт, който отразява новини за изследвания, иновации и преподаване на MIT.

Цитат: Cell Rover: Изследване и разширяване на вътрешния свят на клетка (2022 г., 22 септември), извлечено на 23 септември 2022 г. от https://phys.org/news/2022-09-cell-rover-exploring-augmenting-world.html

Този документ е обект на авторско право. Освен всяко честно отношение за целите на частно проучване или изследване, никоя част не може да бъде възпроизвеждана без писмено разрешение. Съдържанието се предоставя само за информационни цели.