Pesquisadores do MIT Media Lab projetaram uma antena em miniatura que pode operar sem fio dentro de uma célula viva, abrindo possibilidades em diagnósticos e tratamentos médicos e outros processos científicos devido ao potencial da antena para monitorar e até direcionar a atividade celular em tempo real.
“O aspecto mais empolgante desta pesquisa é que somos capazes de criar ciborgues em escala celular”, diz Deblina Sarkar, professora assistente e presidente de desenvolvimento de carreira da AT&T no MIT Media Lab e chefe do Nano-Cybernetic Biotrek Lab. "Somos capazes de fundir a versatilidade da tecnologia da informação no nível das células, os blocos de construção da biologia".

Um artigo descrevendo a pesquisa foi publicado hoje na revista Nature Communications .

A tecnologia, batizada de Cell Rover pelos pesquisadores, representa a primeira demonstração de uma antena que pode operar dentro de uma célula e é compatível com sistemas biológicos 3D. As interfaces bioeletrônicas típicas, diz Sarkar, têm milímetros ou mesmo centímetros de tamanho, e não são apenas altamente invasivas, mas também não fornecem a resolução necessária para interagir com células únicas sem fio – especialmente considerando que alterações em até mesmo uma célula podem afetar um organismo inteiro.

A antena desenvolvida pela equipe de Sarkar é bem menor que uma célula. De fato, na pesquisa da equipe com células oocitárias, a antena representou menos de 0,05% do volume da célula, colocando-a bem abaixo de um tamanho que poderia invadir e danificar a célula.

Encontrar uma maneira de construir uma antena desse tamanho para funcionar dentro de uma célula foi um desafio fundamental.

Isso ocorre porque as antenas convencionais precisam ser comparáveis ​​em tamanho ao comprimento de onda das ondas eletromagnéticas que transmitem e recebem. Esses comprimentos de onda são muito grandes - eles representam a velocidade da luz dividida pela frequência da onda. Ao mesmo tempo, aumentar a frequência para reduzir essa proporção e o tamanho da antena é contraproducente porque altas frequências produzem calor prejudicial ao tecido vivo.

A antena desenvolvida pelos pesquisadores do Media Lab converte ondas eletromagnéticas em ondas acústicas, cujos comprimentos de onda são cinco ordens de magnitude menores – representando a velocidade do som dividida pela frequência da onda – do que as ondas eletromagnéticas.

Esta conversão de ondas eletromagnéticas para ondas acústicas é realizada fabricando as antenas em miniatura usando material que é conhecido como magnetostritivo. Quando um campo magnético é aplicado à antena, alimentando-a e ativando-a, os domínios magnéticos dentro do material magnetostritivo se alinham ao campo, criando tensão no material, da mesma forma que pedaços de metal entrelaçados em um pedaço de pano podem reagir a um ímã forte, causando o pano para se contorcer.

Quando um campo magnético alternado é aplicado à antena, a variação de tensão e tensão (pressão) produzida no material é o que cria as ondas acústicas na antena, diz Baju Joy, estudante do laboratório de Sarkar e principal autor deste trabalho. "Nós também desenvolvemos uma nova estratégia usando um campo magnético não uniforme para introduzir os rovers nas células", acrescenta Joy.

Configurada dessa maneira, a antena pode ser usada para explorar os fundamentos da biologia à medida que os processos naturais ocorrem, diz Sarkar. Em vez de destruir células para examinar seu citoplasma, como normalmente é feito, o Cell Rover poderia monitorar o desenvolvimento ou divisão de uma célula, detectando diferentes substâncias químicas e biomoléculas, como enzimas, ou mudanças físicas, como na pressão celular - tudo em tempo real e na Vivo.

Materiais como polímeros que sofrem alteração de massa ou estresse em resposta a alterações químicas ou biomoleculares – já usados ​​em pesquisas médicas e outras – podem ser integrados à operação do Cell Rover, segundo os pesquisadores. Tal integração poderia fornecer insights não oferecidos pelas atuais técnicas observacionais que envolvem a destruição da célula.

Com essas capacidades, os Cell Rovers podem ser valiosos na pesquisa de câncer e doenças neurodegenerativas, por exemplo. Como explica Sarkar, a tecnologia pode ser usada para detectar e monitorar alterações bioquímicas e elétricas associadas à doença ao longo de sua progressão em células individuais. Aplicada no campo da descoberta de medicamentos, a tecnologia pode iluminar as reações de células vivas a diferentes medicamentos.

Por causa da sofisticação e escala de dispositivos nanoeletrônicos como transistores e interruptores - "representando cinco décadas de tremendos avanços no campo da tecnologia da informação", diz Sarkar - o Cell Rover, com sua mini antena, pode realizar funções que vão desde para computação intracelular e processamento de informações para exploração autônoma e modulação da célula. A pesquisa demonstrou que vários Cell Rovers podem ser engajados, mesmo dentro de uma única célula, para se comunicar entre si e fora das células.

"O Cell Rover é um conceito inovador, pois pode incorporar tecnologia de sensoriamento, comunicação e informação dentro de uma célula viva", diz Anantha P. Chandrakasan, reitor da Escola de Engenharia do MIT e Professor Vannevar Bush de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação. “Isso abre oportunidades sem precedentes para diagnósticos, terapias e descoberta de medicamentos extremamente precisos, além de criar uma nova direção na interseção entre biologia e dispositivos eletrônicos”.

Os pesquisadores nomearam sua tecnologia de antena intracelular Cell Rover para invocar, como a de um rover de Marte, sua missão de explorar uma nova fronteira.

"Você pode pensar no Cell Rover", diz Sarkar, "como uma expedição, explorando o mundo interior da célula". + Explorar mais

Nova antena baseada em membrana muito menor que as convencionais

Esta história foi republicada como cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisa, inovação e ensino do MIT.