Granice między biologią a technologią zacierają się. Naukowcom z uniwersytetów w Linköping, Lund i Göteborgu w Szwecji udało się wyhodować elektrody w żywej tkance, wykorzystując molekuły organizmu jako wyzwalacze. Wynik, opublikowany w czasopiśmie Science, toruje drogę do tworzenia w pełni zintegrowanych obwodów elektronicznych w organizmach żywych.
„Przez kilka dziesięcioleci próbowaliśmy stworzyć elektronikę naśladującą biologię. Teraz pozwalamy biologii stworzyć elektronikę za nas”, mówi profesor Magnus Berggren z Laboratorium Elektroniki Organicznej LOE na Uniwersytecie w Linköping.
Powiązanie elektroniki z tkanką biologiczną jest ważne dla zrozumienia złożonych funkcji biologicznych, zwalczania chorób mózgu i opracowania przyszłych interfejsów między człowiekiem a maszyną. Jednak konwencjonalna bioelektronika, rozwijana równolegle z przemysłem półprzewodników, ma stałą i statyczną konstrukcję, która jest trudna, jeśli nie niemożliwa, do połączenia z żywymi biologicznymi systemami sygnałowymi.
Aby wypełnić lukę między biologią a technologią, naukowcy opracowali metodę tworzenia miękkich, pozbawionych substratów, przewodzących elektrony materiałów w żywej tkance. Wstrzykując żel zawierający enzymy jako „cząsteczki montażowe”, naukowcy byli w stanie wyhodować elektrody w tkance danio pręgowanego i pijawek lekarskich.
„Kontakt z substancjami znajdującymi się w organizmie zmienia strukturę żelu i sprawia, że przewodzi on prąd elektryczny, czego nie ma przed wstrzyknięciem. W zależności od tkanki możemy również dostosować skład żelu, aby uruchomić proces elektryczny” – mówi Xenofon. Strakosas, badacz z LOE i Uniwersytetu w Lund oraz jeden z głównych autorów badania.
Endogenne cząsteczki organizmu wystarczą, aby wywołać tworzenie się elektrod. Nie ma potrzeby modyfikacji genetycznych ani sygnałów zewnętrznych, takich jak światło czy energia elektryczna, co było konieczne w poprzednich eksperymentach. Szwedzcy naukowcy jako pierwsi na świecie odnieśli sukces.
Ich badanie toruje drogę nowemu paradygmatowi w bioelektronice. Tam, gdzie wcześniej trzeba było wszczepiać fizyczne obiekty, aby rozpocząć procesy elektroniczne w organizmie, w przyszłości wystarczy wstrzyknięcie lepkiego żelu.
W swoich badaniach naukowcy pokazują ponadto, że metoda może kierować materiał przewodzący elektrony do określonych podstruktur biologicznych, a tym samym tworzyć odpowiednie interfejsy do stymulacji nerwów. W dłuższej perspektywie możliwe może być wytwarzanie w pełni zintegrowanych obwodów elektronicznych w organizmach żywych.
W eksperymentach przeprowadzonych na Uniwersytecie w Lund zespołowi udało się utworzyć elektrody w mózgu, sercu i płetwach ogonowych danio pręgowanego oraz wokół tkanki nerwowej pijawek lekarskich. Zwierzęta nie ucierpiały w wyniku wstrzyknięcia żelu i poza tym formowanie się elektrody nie miało na nie wpływu. Jednym z wielu wyzwań w tych badaniach było uwzględnienie układu odpornościowego zwierząt.
„Dokonując inteligentnych zmian w chemii, byliśmy w stanie opracować elektrody akceptowane przez tkankę mózgową i układ odpornościowy. Danio pręgowany jest doskonałym modelem do badania elektrod organicznych w mózgach” – mówi profesor Roger Olsson z Wydziału Lekarskiego na Uniwersytecie w Lund, który ma również laboratorium chemiczne na Uniwersytecie w Göteborgu.
Inicjatywę badań podjął profesor Roger Olsson, po przeczytaniu o elektronicznej róży opracowanej przez naukowców z Linköping University w 2015 roku. Jednym z problemów badawczych i istotną różnicą między roślinami a zwierzętami była różnica w budowie komórek. Podczas gdy rośliny mają sztywne ściany komórkowe, które pozwalają na tworzenie elektrod, komórki zwierzęce bardziej przypominają miękką masę. Stworzenie żelu o wystarczającej strukturze i odpowiedniej kombinacji substancji do tworzenia elektrod w takim otoczeniu było wyzwaniem, którego rozwiązanie zajęło wiele lat.
„Nasze wyniki otwierają zupełnie nowe sposoby myślenia o biologii i elektronice. Nadal mamy szereg problemów do rozwiązania, ale to badanie jest dobrym punktem wyjścia do przyszłych badań”, mówi Hanne Biesmans, doktorantka w LOE i jedna z główni autorzy.