Al igual que los dispositivos electrónicos, las células biológicas envían y reciben mensajes, pero se comunican a través de mecanismos muy diferentes. Ahora, los científicos informan del progreso en pequeñas redes de comunicación que superan esta barrera del idioma, lo que permite que los dispositivos electrónicos escuchen las células y alteren su comportamiento, y viceversaviceversa. Estos sistemas podrían habilitar aplicaciones que incluyen un dispositivo portátil que podría diagnosticar y tratar una infección bacteriana o una cápsula que podría tragarse para rastrear el azúcar en sangre y producir insulina cuando sea necesario.
Los investigadores presentarán sus resultados hoy en la Reunión y Exposición Virtual de Otoño de 2020 de la American Chemical Society ACS.
"Queremos expandir el procesamiento de información electrónica para incluir la biología", dice el investigador principal William E. Bentley, Ph.D. "Nuestro objetivo es incorporar células biológicas en el proceso de toma de decisiones computacional".
La nueva tecnología desarrollada por el equipo de Bentley se basa en mediadores redox, que mueven electrones alrededor de las células. Estas pequeñas moléculas llevan a cabo actividades celulares al aceptar o ceder electrones a través de reacciones de reducción u oxidación. Porque también pueden intercambiar electrones con electrodos, produciendo así unLos mediadores redox actuales pueden cerrar la brecha entre el hardware y el tejido vivo. En el trabajo en curso, el equipo, que incluye al co-investigador principal Gregory F. Payne, Ph.D., está desarrollando interfaces para permitir este intercambio de información, abriendo el camino paracontrol electrónico del comportamiento celular, así como retroalimentación celular que podría operar la electrónica.
"En un proyecto sobre el que informamos en la reunión, diseñamos células para recibir información generada electrónicamente y transmitirla como señales moleculares", dice Eric VanArsdale, un estudiante graduado en el laboratorio de Bentley en la Universidad de Maryland, que presentalos últimos resultados de la reunión. Las células fueron diseñadas para detectar y responder al peróxido de hidrógeno. Cuando se colocan cerca de un electrodo cargado que generó este mediador redox, las células produjeron una cantidad correspondiente de una molécula de detección de quórum que las bacterias usan para enviarse señales entre síy modular el comportamiento alterando la expresión génica.
En otro proyecto reciente, el equipo diseñó dos tipos de células para recibir información molecular de las bacterias patógenas Pseudomonas aeruginosa y convertirlo en una señal electrónica para diagnóstico y otras aplicaciones. Un grupo de células produjo el aminoácido tirosina y otro grupo produjo tirosinasa, que convierte la tirosina en una molécula llamada L-DOPA. Las células fueron diseñadas para que este mediador redoxse produciría solo si la bacteria liberara tanto una molécula de detección de quórum como una toxina asociada con una etapa virulenta de P. aeruginosa crecimiento. El tamaño de la corriente resultante generada por L-DOPA indica la cantidad de bacterias y toxinas presentes en una muestra. Si se usa en un análisis de sangre, la técnica podría revelar una infección y también medir su gravedad. Porque esta informaciónestar en forma electrónica, podría transmitirse de forma inalámbrica al consultorio de un médico y al teléfono celular del paciente para informarles sobre la infección, dice Bentley. "En última instancia, podríamos diseñarlo para que se active un dispositivo portátil para brindarle al paciente undespués de que se detecta una infección. "
Los investigadores vislumbran eventualmente integrar las redes de comunicación en sistemas autónomos en el cuerpo. Por ejemplo, un paciente con diabetes podría tragar una cápsula que contiene células que monitorean el azúcar en sangre. El dispositivo almacenaría estos datos de azúcar en sangre y los enviaría periódicamente a un teléfono celular, que interpretaría los datos y enviaría una señal electrónica que indicaría a otras células de la cápsula que produzcan insulina según sea necesario. Como paso hacia este objetivo, VanArsdale desarrolló un análogo biológico de la memoria informática que utiliza el pigmento natural melanina para almacenar información y dirigirseñalización celular.
En otro trabajo, el equipo de Bentley y sus colaboradores, incluido Reza Ghodssi, Ph.D., diseñaron recientemente un sistema para monitorear las condiciones dentro de los biorreactores industriales que contienen miles de galones de cultivo celular para la producción de fármacos. Actualmente, los fabricantes rastrean los niveles de oxígeno, que sonvital para la productividad de las células, con una sola sonda en el costado de cada recipiente. Esa sonda no puede confirmar que las condiciones sean uniformes en todo el biorreactor, por lo que los investigadores desarrollaron "canicas inteligentes" que circularán por todo el recipiente midiendo el oxígeno.transmitir datos a través de Bluetooth a un teléfono celular que podría ajustar las condiciones de funcionamiento. En el futuro, estas canicas inteligentes podrían servir como una interfaz de comunicación para detectar señales químicas dentro de un biorreactor, enviar esa información a una computadora y luego transmitir señales electrónicas para dirigir elcomportamiento de las células manipuladas en el biorreactor. El equipo está trabajando con fabricantes de instrumentos interesados en comercializar el diseño, que podría seradaptado para monitoreo ambiental y otros usos.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Sociedad Química Estadounidense . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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