123RF
Przybliżanie elektroniki do tkanek biologicznych
Redaktor: Monika Stelmach
Data: 16.07.2021
Źródło: Komisja Europejska
Dzięki zastosowaniu tkanek syntetycznych składających się z sieci kropelkowych jeden z badaczy stara się uzyskać konwergencję tkanek biologicznych i nowoczesnej elektroniki. Rezultat może dać nam nowe możliwości w zakresie leczenia poważnych schorzeń.
Biorąc pod uwagę gwałtowne postępy w miniaturyzacji elektroniki i coraz lepsze zrozumienie nauki o mózgu, kwestią czasu jest skrzyżowanie tych dwóch dziedzin. – Integracja elektroniki z żywymi układami, czyli bioelektronika, nie tylko pogłębi nasze zrozumienie podstaw biologii, ale także przedefiniuje diagnostykę medyczną i prowadzenie terapii – mówi Juan Liu, badacz z Uniwersytetu w Oksfordzie oraz stypendysta działania „Maria Skłodowska-Curie”.
Problem polega na tym, że większość urządzeń bioelektronicznych jest zbudowana ze sztywnych, suchych elementów elektronicznych i brakuje im cech właściwych tkankom biologicznym. A to właśnie różnice między tkankami biologicznymi a elektroniką wytworzoną przez człowieka stanowią potężną przeszkodę w stosowaniu urządzeń bioelektronicznych.
Juan Liu zamierza pomóc w połączeniu biologii i elektroniki przy wsparciu finansowanego przez UE projektu ENERGSYNTISSUE.
Wykorzystanie sieci kropelkowych
Według Liu istnieje wiele istotnych różnic między tkankami biologicznymi a elektroniką tworzoną przez człowieka. Na przykład tkanki natywne składają się z komórek znajdujących się w macierzy zewnątrzkomórkowej (ang. extracellular matrix, ECM). Ponieważ komórki i macierz zewnątrzkomórkowa różnią się między sobą w zależności od narządów, charakteryzuje je szeroki zakres sztywności, topografii i złożoności. Co więcej, podczas gdy wytworzona przez człowieka elektronika do przenoszenia informacji wykorzystuje elektrony, bioelektronika organizmu polega na przekazywaniu informacji za pomocą jonów.
– W świetle tych różnic, aby można myśleć o synergii urządzeń i żywych tkanek oraz narządów, bioelektronika musi przyjąć zasady obowiązujące w biologii. Jednym ze sposobów osiągnięcia tego celu jest użycie tkanek syntetycznych wykonanych z sieci kropelkowych zawierających przedziały wodne oddzielone dwuwarstwami lipidowymi. Spośród wszystkich materiałów syntetycznych sieci kropelkowe są najbardziej zbliżone do naturalnych tkanek, szczególnie pod względem ich właściwości mechanicznych – dodaje Juan Liu.
W takich tkankach każda kropelka reprezentuje uproszczoną komórkę, a informacje są wymieniane wewnętrznie między przedziałami oraz ze środowiskiem zewnętrznym.– Na przykład zamknięcie w przedziałach enzymów sprawi, że komórki syntetyczne będą mogły odbierać i przetwarzać sygnały biologiczne – wyjaśnia Juan Liu.
W kierunku wytwarzających energię tkanek syntetycznych
Łącząc osiągnięcia związane z wytwarzaniem syntetycznych komórek opartych na sieciach kropelkowych, Liu opracował podobne do tkanek układy elektroniczne wytwarzające energię. – Udało się nam zaprojektować i skonstruować pierwszą zrównoważoną biobaterię opartą na sieciach kropelkowych, w których obwody elektryczne i funkcje elektroniczne są realizowane za pomocą komponentów biologicznych – zauważa Juan Liu.
Co więcej, Liu udowodnił, że dwie reakcje enzymatyczne przeprowadzone w różnych kropelkach mogą generować prąd rzędu nA i potencjał 720 mV, przy czym najprostsza bateria składa się tylko z dwóch kropelek o wymiarach zaledwie 480 × 680 μm2. Ponadto potencjał elektryczny między dwiema kropelkami może sterować ruchami kierunkowymi cząsteczek, co przypuszczalnie pomoże w tworzeniu ortogonalnej i złożonej sygnalizacji w tkankach syntetycznych oraz podniesie złożoność układu i poprawi jego działanie.
– Ta bateria kropelkowa jest w stanie generować zarówno prądy jonowe, jak i elektronowe. Oferuje też możliwość wytwarzania różnych sygnałów elektrycznych w zależności od warunków otoczenia, takich jak temperatura i poziom NADH – mówi Juan Liu.
Według Liu ten przełom ma szansę utworzyć pomost między aktywnością biologiczną a konwencjonalną elektroniką. – W ten sposób otwieramy drzwi do opracowywania nowych metod diagnozowania i leczenia takich schorzeń, jak choroby układu krążenia, choroby neurodegeneracyjne, ślepota, nowotwory, cukrzyca i astma – podsumowuje Liu.
Problem polega na tym, że większość urządzeń bioelektronicznych jest zbudowana ze sztywnych, suchych elementów elektronicznych i brakuje im cech właściwych tkankom biologicznym. A to właśnie różnice między tkankami biologicznymi a elektroniką wytworzoną przez człowieka stanowią potężną przeszkodę w stosowaniu urządzeń bioelektronicznych.
Juan Liu zamierza pomóc w połączeniu biologii i elektroniki przy wsparciu finansowanego przez UE projektu ENERGSYNTISSUE.
Wykorzystanie sieci kropelkowych
Według Liu istnieje wiele istotnych różnic między tkankami biologicznymi a elektroniką tworzoną przez człowieka. Na przykład tkanki natywne składają się z komórek znajdujących się w macierzy zewnątrzkomórkowej (ang. extracellular matrix, ECM). Ponieważ komórki i macierz zewnątrzkomórkowa różnią się między sobą w zależności od narządów, charakteryzuje je szeroki zakres sztywności, topografii i złożoności. Co więcej, podczas gdy wytworzona przez człowieka elektronika do przenoszenia informacji wykorzystuje elektrony, bioelektronika organizmu polega na przekazywaniu informacji za pomocą jonów.
– W świetle tych różnic, aby można myśleć o synergii urządzeń i żywych tkanek oraz narządów, bioelektronika musi przyjąć zasady obowiązujące w biologii. Jednym ze sposobów osiągnięcia tego celu jest użycie tkanek syntetycznych wykonanych z sieci kropelkowych zawierających przedziały wodne oddzielone dwuwarstwami lipidowymi. Spośród wszystkich materiałów syntetycznych sieci kropelkowe są najbardziej zbliżone do naturalnych tkanek, szczególnie pod względem ich właściwości mechanicznych – dodaje Juan Liu.
W takich tkankach każda kropelka reprezentuje uproszczoną komórkę, a informacje są wymieniane wewnętrznie między przedziałami oraz ze środowiskiem zewnętrznym.– Na przykład zamknięcie w przedziałach enzymów sprawi, że komórki syntetyczne będą mogły odbierać i przetwarzać sygnały biologiczne – wyjaśnia Juan Liu.
W kierunku wytwarzających energię tkanek syntetycznych
Łącząc osiągnięcia związane z wytwarzaniem syntetycznych komórek opartych na sieciach kropelkowych, Liu opracował podobne do tkanek układy elektroniczne wytwarzające energię. – Udało się nam zaprojektować i skonstruować pierwszą zrównoważoną biobaterię opartą na sieciach kropelkowych, w których obwody elektryczne i funkcje elektroniczne są realizowane za pomocą komponentów biologicznych – zauważa Juan Liu.
Co więcej, Liu udowodnił, że dwie reakcje enzymatyczne przeprowadzone w różnych kropelkach mogą generować prąd rzędu nA i potencjał 720 mV, przy czym najprostsza bateria składa się tylko z dwóch kropelek o wymiarach zaledwie 480 × 680 μm2. Ponadto potencjał elektryczny między dwiema kropelkami może sterować ruchami kierunkowymi cząsteczek, co przypuszczalnie pomoże w tworzeniu ortogonalnej i złożonej sygnalizacji w tkankach syntetycznych oraz podniesie złożoność układu i poprawi jego działanie.
– Ta bateria kropelkowa jest w stanie generować zarówno prądy jonowe, jak i elektronowe. Oferuje też możliwość wytwarzania różnych sygnałów elektrycznych w zależności od warunków otoczenia, takich jak temperatura i poziom NADH – mówi Juan Liu.
Według Liu ten przełom ma szansę utworzyć pomost między aktywnością biologiczną a konwencjonalną elektroniką. – W ten sposób otwieramy drzwi do opracowywania nowych metod diagnozowania i leczenia takich schorzeń, jak choroby układu krążenia, choroby neurodegeneracyjne, ślepota, nowotwory, cukrzyca i astma – podsumowuje Liu.
