Utforske og utvide den indre verdenen til en celle

Forskere ved MIT Media Lab har designet en miniatyrantenne som kan operere trådløst inne i en levende celle, og åpner opp muligheter innen medisinsk diagnostikk og behandling og andre vitenskapelige prosesser på grunn av antennens potensial for å overvåke og til og med styre cellulær aktivitet i sanntid.

“Det mest spennende aspektet ved denne forskningen er at vi er i stand til å lage cyborgs i cellulær skala,” sier Deblina Sarkar, assisterende professor og AT&T Career Development Chair ved MIT Media Lab og leder av Nano-Cybernetic Biotrek Lab. “Vi er i stand til å smelte sammen allsidigheten til informasjonsteknologi på cellenivå, byggesteinene i biologi.”

En artikkel som beskriver forskningen ble publisert i dag i tidsskriftet Naturkommunikasjon.

Teknologien, kalt Cell Rover av forskerne, representerer den første demonstrasjonen av en antenne som kan operere inne i en celle og er kompatibel med biologiske 3D-systemer. Typiske bioelektroniske grensesnitt, sier Sarkar, er millimeter eller til og med centimeter store, og er ikke bare svært invasive, men klarer heller ikke å gi oppløsningen som trengs for å samhandle med enkeltceller trådløst – spesielt med tanke på at endringer i til og med én celle kan påvirke en hel organisme.

Antennen utviklet av Sarkars team er mye mindre enn en celle. Faktisk, i teamets forskning med oocyttceller, representerte antennen mindre enn 0,05 prosent av cellevolumet, og plasserte den godt under en størrelse som ville trenge inn på og skade cellen.

Å finne en måte å bygge en antenne av den størrelsen for å fungere inne i en celle var en nøkkelutfordring.

Dette er fordi konvensjonelle antenner må være sammenlignbare i størrelse med bølgelengden til de elektromagnetiske bølgene de sender og mottar. Slike bølgelengder er veldig store – de representerer lyshastigheten delt på bølgefrekvensen. Samtidig er det kontraproduktivt å øke frekvensen for å redusere dette forholdet og størrelsen på antennen fordi høye frekvenser produserer varmeskade for levende vev.

Antennen utviklet av Media Lab-forskerne konverterer elektromagnetiske bølger til akustiske bølger, hvis bølgelengder er fem størrelsesordener mindre – som representerer lydhastigheten delt på bølgefrekvensen – enn de til elektromagnetiske bølger.

Denne konverteringen fra elektromagnetiske til akustiske bølger oppnås ved å fremstille miniatyrantennene ved å bruke materiale som omtales som magnetostriktiv. Når et magnetfelt påføres antennen og aktiverer den, justeres magnetiske domener i det magnetostriktive materialet etter feltet, noe som skaper belastning i materialet, slik metallbiter vevd inn i et tøystykke kan reagere på en sterk magnet, og forårsake kluten til å vri seg.

Når et vekslende magnetfelt påføres antennen, er den varierende tøyningen og spenningen (trykket) som produseres i materialet det som skaper de akustiske bølgene i antennen, sier Baju Joy, en student ved Sarkars laboratorium og hovedforfatter av dette arbeidet. “Vi har også utviklet en ny strategi ved å bruke en ikke-uniform magnetfelt å introdusere rovere i cellene,” legger Joy til.

Konfigurert på denne måten kan antennen brukes til å utforske grunnleggende biologi når naturlige prosesser oppstår, sier Sarkar. I stedet for å ødelegge celler for å undersøke cytoplasmaet deres, slik det vanligvis gjøres, kan Cell Rover overvåke utviklingen eller delingen av en celle, oppdage forskjellige kjemikalier og biomolekyler som enzymer, eller fysiske endringer som i celletrykk – alt i sanntid og in vivo.

Materialer som polymerer som gjennomgår endring i masse eller stress som svar på kjemiske eller biomolekylære endringer – som allerede er brukt i medisinsk og annen forskning – kan integreres med driften av Cell Rover, ifølge forskerne. En slik integrasjon kan gi innsikt som ikke er gitt av dagens observasjonsteknikker som involverer ødeleggelse av cellen.

Med slike evner kan Cell Rovers være verdifulle i kreft og nevrodegenerativ sykdomsforskning, for eksempel. Som Sarkar forklarer, kan teknologien brukes til å oppdage og overvåke biokjemiske og elektriske endringer forbundet med sykdommen over dens progresjon i individuelle celler. Anvendt innen legemiddeloppdagelse, kan teknologien belyse reaksjonene til levende celler på forskjellige medikamenter.

På grunn av sofistikeringen og skalaen til nanoelektroniske enheter som transistorer og brytere – “som representerer fem tiår med enorme fremskritt innen informasjonsteknologi,” sier Sarkar – kan Cell Rover, med sin miniantenne, utføre funksjoner som strekker seg hele veien til intracellulær databehandling og informasjonsbehandling for autonom utforskning og modulering av cellen. Forskningen viste at flere Cell Rovers kan engasjeres, selv innenfor en enkelt celle, for å kommunisere seg imellom og utenfor cellene.

“Cell Rover er et innovativt konsept ettersom den kan bygge inn sansing, kommunikasjon og informasjonsteknologi i en levende celle,” sier Anantha P. Chandrakasan, dekan ved MIT School of Engineering og Vannevar Bush-professor i elektroteknikk og informatikk. “Dette åpner for enestående muligheter for ekstremt presis diagnostikk, terapi og legemiddeloppdagelse, i tillegg til å skape en ny retning i skjæringspunktet mellom biologi og elektroniske enheter.”

Forskerne kalte sin intracellulære antenneteknologi Cell Rover for å påkalle, som en Mars-rover, oppdraget til å utforske en ny grense.

“Du kan tenke på Cell Rover,” sier Sarkar, “som å være på en ekspedisjon og utforske cellens indre verden.”

---

---

Denne historien er publisert på nytt med tillatelse av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært nettsted som dekker nyheter om MIT-forskning, innovasjon og undervisning.