Como os dispositivos eletra´nicos, as células biológicas enviam e recebem mensagens, mas se comunicam por mecanismos muito diferentes. Agora, os cientistas relatam o progresso em pequenas redes de comunicação que superam essa barreira da linguagem, permitindo que os eletra´nicos espionem as células e alterem seu comportamento - e vice-versa. Esses sistemas podem permitir aplicativos, incluindo um dispositivo vesta­vel que pode diagnosticar e tratar uma infecção bacteriana ou uma ca¡psula que pode ser engolida para monitorar o açúcar no sangue e produzir insulina quando necessa¡rio.

Os pesquisadores apresentara£o seus resultados hoje no Encontro Virtual Outono 2020 da American Chemical Society (ACS) e Expo.

"Queremos expandir o processamento eletra´nico de informações para incluir a biologia", disse o pesquisador principal William E. Bentley, Ph.D. "Nosso objetivo éincorporar células biológicas no processo de tomada de decisão computacional."

A nova tecnologia desenvolvida pela equipe de Bentley depende de mediadores redox, que movem elanãtrons ao redor das células. Essas pequenas moléculas realizam atividades celulares aceitando ou liberando elanãtrons por meio de reações de redução ou oxidação. Como eles também podem trocar elanãtrons com eletrodos, produzindo assim uma corrente, os mediadores redox podem preencher a lacuna entre o hardware e o tecido vivo. No trabalho em andamento, a equipe, que inclui o co-investigador principal Gregory F. Payne, Ph.D., estãodesenvolvendo interfaces para permitir essa troca de informações , abrindo caminho para o controle eletra´nico do comportamento celular, bem como feedback celular que poderia operar eletra´nicos.

"Em um projeto sobre o qual estamos relatando na reunia£o, projetamos células para receber informações geradas eletronicamente e transmiti-las como pistas moleculares", disse Eric VanArsdale, um estudante de pós-graduação no laboratório de Bentley na Universidade de Maryland, que estãoapresentando os mais recentes resultados na reunia£o. As células foram projetadas para detectar e responder ao pera³xido de hidrogaªnio. Quando colocadas perto de um eletrodo carregado que gerou esse mediador redox, as células produziram uma quantidade correspondente de uma molanãcula sensora de quorum que as bactanãrias usam para sinalizar umas a s outras e modular o comportamento alterando a expressão do gene .

Em outro projeto recente, a equipe projetou dois tipos de células para receber informações moleculares da bactanãria patogaªnica Pseudomonas aeruginosa e convertaª-las em um sinal eletra´nico para diagnóstico e outras aplicações. Um grupo de células produziu o aminoa¡cido tirosina e outro grupo produziu a tirosinase, que converte a tirosina em uma molanãcula chamada L-DOPA. As células foram projetadas para que esse mediador redox fosse produzido apenas se a bactanãria liberasse uma molanãcula sensora de quorum e uma toxina associada a um esta¡gio virulento de P. aeruginosacrescimento. O tamanho da corrente resultante gerada pelo L-DOPA indicou a quantidade de bactanãrias e toxinas presentes em uma amostra. Se usada em um exame de sangue, a técnica pode revelar uma infecção e também avaliar sua gravidade. Como essas informações seriam em formato eletra´nico, poderiam ser transmitidas sem fio para o consulta³rio médico e o telefone celular do paciente para informa¡-los sobre a infecção, diz Bentley. "Em última análise, podera­amos projeta¡-lo de forma que um dispositivo vesta­vel fosse acionado para dar ao paciente uma terapia após a detecção de uma infecção."

Os pesquisadores imaginam eventualmente integrar as redes de comunicação em sistemas auta´nomos do corpo. Por exemplo, um paciente com diabetes pode engolir uma ca¡psula contendo células que monitoram o açúcar no sangue . O dispositivo armazenaria esses dados de açúcar no sangue e os enviaria periodicamente para um telefone celular, que interpretaria os dados e enviaria de volta um sinal eletra´nico direcionando outras células da ca¡psula para produzir insulina conforme necessa¡rio. Como um passo em direção a esse objetivo, VanArsdale desenvolveu um ana¡logo biola³gico da memória do computador que usa o pigmento natural melanina para armazenar informações e direcionar a sinalização celular.

Em outro trabalho, a equipe de Bentley e colaboradores, incluindo Reza Ghodssi, Ph.D., projetaram recentemente um sistema para monitorar as condições dentro de biorreatores industriais que armazenam milhares de galaµes de cultura de células para a produção de drogas. Atualmente, os fabricantes rastreiam os na­veis de oxigaªnio, que são vitais para a produtividade das células, com uma única sonda na lateral de cada vaso. Essa sonda não pode confirmar que as condições são uniformes em todo o biorreator, então os pesquisadores desenvolveram "bolas de gude inteligentes" que va£o circular por todo o navio medindo oxigaªnio. As bolas de gude transmitem dados via Bluetooth para um telefone celular que pode ajustar as condições de operação. No futuro, essas bolas de gude inteligentes podem servir como uma interface de comunicação para detectar sinais químicos dentro de um biorreator, enviar essas informações para um computador,células no biorreator. A equipe estãotrabalhando com fabricantes de instrumentos interessados ​​em comercializar o projeto, que pode ser adaptado para monitoramento ambiental e outros usos.