Jaringan komunikasi berbasis bio dapat mengontrol sel-sel dalam tubuh untuk menangani kondisi – Sains Terkini

Seperti perangkat elektronik, sel biologis mengirim dan menerima pesan, tetapi mereka berkomunikasi melalui mekanisme yang sangat berbeda. Sekarang, para ilmuwan melaporkan kemajuan pada jaringan komunikasi kecil yang mengatasi hambatan bahasa ini, memungkinkan elektronik untuk menguping sel dan mengubah perilakunya – dan sebaliknya. Sistem ini dapat mengaktifkan aplikasi termasuk perangkat yang dapat dikenakan yang dapat mendiagnosis dan mengobati infeksi bakteri atau kapsul yang dapat ditelan untuk melacak gula darah dan membuat insulin bila diperlukan.

Para peneliti akan mempresentasikan hasil mereka hari ini di Pertemuan Virtual & Expo American Chemical Society (ACS) Fall 2020.


"Kami ingin memperluas pemrosesan informasi elektronik untuk memasukkan biologi," kata peneliti utama William E. Bentley, Ph.D. "Tujuan kami adalah memasukkan sel biologis dalam proses pengambilan keputusan komputasi."

Teknologi baru yang dikembangkan tim Bentley bergantung pada mediator redoks, yang memindahkan elektron di sekitar sel. Molekul kecil ini melakukan aktivitas seluler dengan menerima atau melepaskan elektron melalui reaksi reduksi atau oksidasi. Karena mereka juga dapat bertukar elektron dengan elektroda, sehingga menghasilkan arus, mediator redoks dapat menjembatani celah antara perangkat keras dan jaringan hidup. Dalam pekerjaan yang sedang berlangsung, tim, yang mencakup penyelidik bersama Gregory F. Payne, Ph.D., sedang mengembangkan antarmuka untuk mengaktifkan pertukaran informasi ini, membuka jalan untuk kontrol elektronik dari perilaku seluler, serta umpan balik seluler yang dapat beroperasi. elektronik.

"Dalam satu proyek yang kami laporkan pada pertemuan tersebut, kami merekayasa sel untuk menerima informasi yang dihasilkan secara elektronik dan mengirimkannya sebagai isyarat molekuler," kata Eric VanArsdale, mahasiswa pascasarjana di lab Bentley di University of Maryland, yang mempresentasikan hasil pada pertemuan tersebut. Sel-sel tersebut dirancang untuk mendeteksi dan merespons hidrogen peroksida. Ketika ditempatkan di dekat elektroda bermuatan yang menghasilkan mediator redoks ini, sel-sel menghasilkan jumlah yang sesuai dari molekul penginderaan kuorum yang digunakan bakteri untuk memberi sinyal satu sama lain dan memodulasi perilaku dengan mengubah ekspresi gen.

Dalam proyek terbaru lainnya, tim tersebut merekayasa dua jenis sel untuk menerima informasi molekuler dari bakteri patogen Pseudomonas aeruginosa dan mengubahnya menjadi sinyal elektronik untuk diagnostik dan aplikasi lainnya. Satu kelompok sel menghasilkan tirosin asam amino, dan kelompok lain membuat tirosinase, yang mengubah tirosin menjadi molekul yang disebut L-DOPA. Sel-selnya direkayasa sehingga mediator redoks ini hanya akan diproduksi jika bakteri melepaskan molekul penginderaan kuorum dan toksin yang terkait dengan tahap virulen. P. aeruginosa pertumbuhan. Ukuran arus yang dihasilkan oleh L-DOPA menunjukkan jumlah bakteri dan toksin yang ada dalam sampel. Jika digunakan dalam tes darah, teknik ini dapat mengungkapkan infeksi dan juga mengukur tingkat keparahannya. Karena informasi ini akan dalam bentuk elektronik, itu dapat dikirimkan secara nirkabel ke kantor dokter dan ponsel pasien untuk memberi tahu mereka tentang infeksi tersebut, kata Bentley. "Pada akhirnya, kami dapat merekayasa itu sehingga perangkat yang dapat dikenakan akan dipicu untuk memberi pasien terapi setelah infeksi terdeteksi."

Para peneliti membayangkan akhirnya mengintegrasikan jaringan komunikasi ke dalam sistem otonom di dalam tubuh. Misalnya, pasien diabetes bisa menelan kapsul berisi sel yang memantau gula darah. Perangkat tersebut akan menyimpan data gula darah ini dan secara berkala mengirimkannya ke ponsel, yang akan menafsirkan data tersebut dan mengirimkan kembali sinyal elektronik yang mengarahkan sel lain di dalam kapsul untuk membuat insulin sesuai kebutuhan. Sebagai langkah menuju tujuan ini, VanArsdale mengembangkan analog biologis memori komputer yang menggunakan pigmen melanin alami untuk menyimpan informasi dan pensinyalan seluler langsung.


Dalam pekerjaan lain, tim Bentley dan kolaborator termasuk Reza Ghodssi, Ph.D., baru-baru ini merancang sistem untuk memantau kondisi di dalam bioreaktor industri yang menampung ribuan galon kultur sel untuk produksi obat. Saat ini, pabrikan melacak tingkat oksigen, yang penting untuk produktivitas sel, dengan satu probe di sisi setiap bejana. Wahana itu tidak dapat memastikan kondisi seragam di mana-mana di bioreaktor, sehingga para peneliti mengembangkan "kelereng pintar" yang akan beredar di seluruh bejana yang mengukur oksigen. Kelereng mengirimkan data melalui Bluetooth ke ponsel yang dapat menyesuaikan kondisi pengoperasian. Di masa depan, kelereng pintar ini dapat berfungsi sebagai antarmuka komunikasi untuk mendeteksi sinyal kimiawi dalam bioreaktor, mengirimkan informasi tersebut ke komputer, dan kemudian mengirimkan sinyal elektronik untuk mengarahkan perilaku sel yang direkayasa dalam bioreaktor. Tim ini bekerja dengan pembuat instrumen yang tertarik untuk mengkomersialkan desain, yang dapat diadaptasi untuk pemantauan lingkungan dan penggunaan lainnya.

Referensi:

Bahan disediakan oleh American Chemical Society. Catatan: Konten dapat diedit untuk gaya dan panjangnya.

You may also like...

Leave a Reply

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.