Saúde

Redes de comunicação de base biológica podem controlar células do corpo para tratar doenças
Agora, os cientistas relatam o progresso em pequenas redes de comunicação que superam essa barreira da linguagem, permitindo que os eletrônicos espionem as células e alterem seu comportamento - e vice-versa.
Por American Chemical Society - 17/08/2020


Domínio público

Como os dispositivos eletrônicos, 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 eletrônicos espionem as células e alterem seu comportamento - e vice-versa. Esses sistemas podem permitir aplicativos, incluindo um dispositivo vestível que pode diagnosticar e tratar uma infecção bacteriana ou uma cápsula que pode ser engolida para monitorar o açúcar no sangue e produzir insulina quando necessário.

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

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

A nova tecnologia desenvolvida pela equipe de Bentley depende de mediadores redox, que movem elétrons ao redor das células. Essas pequenas moléculas realizam atividades celulares aceitando ou liberando elétrons por meio de reações de redução ou oxidação. Como eles também podem trocar elétrons 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., está desenvolvendo interfaces para permitir essa troca de informações , abrindo caminho para o controle eletrônico do comportamento celular, bem como feedback celular que poderia operar eletrônicos.

"Em um projeto sobre o qual estamos relatando na reunião, 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 está apresentando os mais recentes resultados na reunião. As células foram projetadas para detectar e responder ao peróxido de hidrogênio. Quando colocadas perto de um eletrodo carregado que gerou esse mediador redox, as células produziram uma quantidade correspondente de uma molécula sensora de quorum que as bactérias usam para sinalizar umas às 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 bactéria patogênica Pseudomonas aeruginosa e convertê-las em um sinal eletrônico para diagnóstico e outras aplicações. Um grupo de células produziu o aminoácido tirosina e outro grupo produziu a tirosinase, que converte a tirosina em uma molécula chamada L-DOPA. As células foram projetadas para que esse mediador redox fosse produzido apenas se a bactéria liberasse uma molécula sensora de quorum e uma toxina associada a um estágio virulento de P. aeruginosacrescimento. O tamanho da corrente resultante gerada pelo L-DOPA indicou a quantidade de bactérias 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 eletrônico, poderiam ser transmitidas sem fio para o consultório médico e o telefone celular do paciente para informá-los sobre a infecção, diz Bentley. "Em última análise, poderíamos projetá-lo de forma que um dispositivo vestível 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 autônomos do corpo. Por exemplo, um paciente com diabetes pode engolir uma cápsula 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 eletrônico direcionando outras células da cápsula para produzir insulina conforme necessário. Como um passo em direção a esse objetivo, VanArsdale desenvolveu um análogo biológico 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 galões de cultura de células para a produção de drogas. Atualmente, os fabricantes rastreiam os níveis de oxigênio, 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 vão circular por todo o navio medindo oxigênio. 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 está trabalhando com fabricantes de instrumentos interessados ​​em comercializar o projeto, que pode ser adaptado para monitoramento ambiental e outros usos.

 

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