Como uma criança, o físico Seth Fraden amou o filme "Fantastic Voyage, "sobre um submarino microscópico viajando pela corrente sanguínea humana. Quase 10 anos atrás, Fraden começou uma busca para criar uma enguia robótica que ele pudesse enviar em uma jornada semelhante, embora não fosse para entretenimento. A enguia seria projetada para entregar uma droga às células ou genes. E para capturar a flexibilidade da verdadeira criatura marinha, teria a forma de um gel que poderia deslizar pela água.

Esta Primavera, Fraden anunciou que havia dado os primeiros passos para realizar sua visão. No jornal Lab on a Chip , ele relatou que ele e sua equipe criaram um modelo usando produtos químicos e recipientes microscópicos de uma rede de neurônios. É esta rede a principal responsável pelo movimento de natação em zigue-zague, marca registrada da enguia.

Em seguida, Fraden planeja incorporar sua rede neural em um gel. Se tudo correr como planejado, o gel realmente se moverá da mesma forma que uma enguia enquanto nada.

Por que uma enguia?

A enguia robótica é parte de um esforço maior de Fraden para construir máquinas feitas de produtos químicos e outros materiais sintéticos que se comportam como organismos vivos. "Animando matéria inanimada" é como ele a descreve. Ele não está trazendo matéria inorgânica à vida. Ele está construindo dispositivos que agem muito como aspectos e características de criaturas vivas - roupas que se consertam usando o mesmo processo que nossas células usam para fechar uma ferida, por exemplo, ou nanobots que nadam como peixes em canos de água, carregando materiais para reparar danos na tubulação. A rede neural artificial de Fraden é apenas o começo.

Comparado com a maioria das criaturas marinhas, a enguia tem um sistema de natação relativamente simples. Sua espinha percorre toda a extensão do corpo e é cercada em ambos os lados por uma coluna de neurônios. Quando os neurônios disparam sequencialmente por uma das colunas, eles causam uma onda de contração muscular, fazendo a curva da coluna vertebral. Quando os neurônios na outra coluna disparam, a coluna se curva na direção oposta. O resultado é um movimento suave da coluna para a frente e para trás enquanto a enguia nada.

Fraden está seguindo um processo de três etapas para construir sua enguia de entrega de drogas.

Etapa 1:crie um neurônio.

Os neurônios oscilam entre dois estados - excitatórios e inibitórios. No modo excitatório, eles fazem com que outros neurônios disparem. Quando eles são inibitórios, eles evitam que outros neurônios disparem.

Como acontece, existe uma classe de reações químicas que oscila entre dois estados, comparáveis ​​aos de um neurônio. Observado pela primeira vez nas décadas de 1950 e 60 pelos cientistas russos Boris Belousov e Anatol Zhabotinsky, a reação BZ, como é chamado, vai e volta entre os estados de atividade e inatividade.

Irv Epstein, o professor de química Henry F. Fischbach, é um dos maiores especialistas do mundo na reação BZ. Ele trabalhou lado a lado com Zhabotinsky, que veio para Brandeis como professor adjunto de química após o colapso da União Soviética. Era Epstein, junto com vários outros pesquisadores, que apontou que o padrão ativo / inativo da reação BZ era análogo ao comportamento exibidor / inibidor das células nervosas. Isso levou Fraden a usar reações BZ para criar seus neurônios artificiais.

Agora que ele encontrou seus "neurônios, "Fraden e seu laboratório projetaram um contêiner para contê-los. Parecia uma bandeja de cubos de gelo com duas colunas, cada um dividido em compartimentos de cubos de gelo individuais.

Etapa 2:construir uma rede neural.

Como Fraden imaginou, cada compartimento de cubo de gelo era um neurônio individual. Isso tornou as colunas comparáveis ​​às linhas de neurônios de cada lado da espinha dorsal da enguia.

Fraden encheu cada uma das câmaras de cubos de gelo com uma solução líquida contendo os produtos químicos necessários para a reação BZ. A primeira reação BZ aconteceu no container no topo de uma das colunas. Quando se tornou ativo (excitatório), ele liberou uma molécula que entrou no recipiente de cubos de gelo diretamente abaixo dele, ativando o

Próximo, a reação BZ tornou-se inativa (inibitória). Em seguida, ele liberou uma molécula que viajou para o recipiente de cubos de gelo diretamente em frente a ele, suprimindo efetivamente, ou colocando em espera, a reação BZ nesse recipiente.

Um padrão surgiu. Um por um, as reações BZ em uma coluna foram ativadas, enquanto as reações BZ na outra coluna foram colocadas em modo de pausa. Quando todas as reações BZ na primeira coluna foram concluídas, as reações na segunda coluna saíram do hiato e começaram.

As reações da segunda coluna também ocorreram uma após a outra, para baixo. E agora também suprimiram as reações da primeira coluna. Assim, a primeira coluna reiniciou somente depois que as reações da segunda coluna foram concluídas.

Notavelmente, as reações BZ foram interconectadas e comunicadas umas com as outras na mesma ordem que os neurônios espinhais da enguia, saindo um de cada vez, uma coluna após a outra. Fraden uniu as reações BZ para que elas, na prática, agiram juntos como uma única entidade.

Por que as moléculas ativadoras viajaram apenas verticalmente e as desativadoras apenas horizontalmente? Isso ocorreu por causa do design das divisórias entre os recipientes. Os divisores nas colunas permitiam apenas a passagem de moléculas ativadoras. Divisores entre as colunas permitiam apenas desativadores.

A terceira etapa:a rede neural entra em um gel.

Fraden selecionou um gel de mudança de forma com resposta química, no qual implantará seu aparelho de bandeja de cubos de gelo. "Esperamos que o material se comporte da mesma forma que o corpo de uma enguia em resposta aos disparos de seus neurônios, "ele diz." Vai deslizar para longe. "