Tecnologia Científica

Pesquisadores criam dispositivo molecular que pode gravar e alterar campos bioelétricos das células sem causar danos
Agora, pela primeira vez, pesquisadores da Escola de Engenharia USC Viterbi criaram um dispositivo molecular que pode fazer as duas coisas: registrar e manipular seu campo bioelétrico circundante.
Por Universidade do Sul da Califórnia - 11/01/2022


Um desenho conceitual do novo dispositivo molecular. Para experimentos fora do corpo humano (in vitro), o dispositivo se aninharia na membrana da célula: uma molécula “repórter” detectaria o campo elétrico local quando ativada pela luz vermelha; uma molécula “modificadora” anexada alteraria esse campo elétrico quando ativada pela luz azul. Crédito: Katya Kadyshevskaya, USC

A bioeletricidade, a corrente que flui entre nossas células, é fundamental para nossa capacidade de pensar, falar e andar.

Além disso, há um crescente corpo de evidências de que registrar e alterar os campos bioelétricos de células e tecidos desempenha um papel vital na cicatrização de feridas e até mesmo no combate a doenças como câncer e doenças cardíacas.

Agora, pela primeira vez, pesquisadores da Escola de Engenharia USC Viterbi criaram um dispositivo molecular que pode fazer as duas coisas: registrar e manipular seu campo bioelétrico circundante.

O dispositivo em forma de triângulo é feito de duas moléculas pequenas e conectadas – muito menores que um vírus e semelhantes ao diâmetro de uma fita de DNA.

É um material completamente novo para "ler e escrever" o campo elétrico sem danificar células e tecidos próximos. Cada uma das duas moléculas, ligadas por uma pequena cadeia de átomos de carbono, tem sua própria função separada: uma molécula atua como um "sensor" ou detector que mede o campo elétrico local quando acionado pela luz vermelha; uma segunda molécula, "o modificador", gera elétrons adicionais quando exposta à luz azul. Notavelmente, cada função é controlada independentemente por diferentes comprimentos de onda de luz.

Embora não seja destinado ao uso em humanos, o dispositivo orgânico ficaria parcialmente dentro e fora da membrana da célula para experimentos in vitro.

O trabalho, publicado no Journal of Materials Chemistry C , foi liderado pelos professores da USC Viterbi Andrea Armani e Rehan Kapadia. Os principais autores incluem Yingmu Zhang, pesquisador de pós-doutorado no Departamento de Engenharia Química e Ciência dos Materiais de Mork; e Jinghan He, um Ph.D. candidato no Departamento de Química da USC. Os coautores incluem Patrick Saris, pesquisador de pós-doutorado USC Viterbi; e Hyun Uk Chae e Subrata Das, Ph.D. candidatos no Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação Ming Hsieh. O Armani Lab foi responsável por criar a nova molécula orgânica, enquanto o Kapadia Lab desempenhou um papel fundamental em testar a eficiência com que o "modificador" gerava eletricidade quando ativado pela luz.

Como a molécula repórter pode se inserir no tecido, ela tem a possibilidade de medir campos elétricos de forma não invasiva, fornecendo imagens ultrarrápidas, 3D e de alta resolução de redes neurais. Isso pode desempenhar um papel crucial para outros pesquisadores testando os efeitos de novas drogas ou mudanças em condições como pressão e oxigênio. Ao contrário de muitas outras ferramentas anteriores, ele fará isso sem danificar células ou tecidos saudáveis ou exigir manipulação genética do sistema.
 
"Este agente de imagem multifuncional já é compatível com os microscópios existentes", disse Armani, presidente da Ray Irani em Engenharia Química e Ciência de Materiais, "portanto, permitirá que uma ampla gama de pesquisadores - da biologia à neurociência e à fisiologia - perguntem a novos tipos de perguntas sobre sistemas biológicos e suas respostas a diferentes estímulos: Drogas e fatores ambientais. As novas fronteiras são infinitas."

Além disso, a molécula modificadora, alterando o campo elétrico das células próximas , pode danificar com precisão um único ponto, permitindo que futuros pesquisadores determinem os efeitos em cascata em, digamos, uma rede inteira de células cerebrais ou células cardíacas.

"Se você tem uma rede sem fio em sua casa, o que acontece se um desses nós ficar instável?" disse Armani. "Como isso afeta todos os outros nós em sua casa? Eles ainda funcionam? Uma vez que entendemos um sistema biológico como o corpo humano, podemos prever melhor sua resposta - ou alterar sua resposta, como fazer medicamentos melhores para evitar comportamentos indesejáveis ."

"A principal coisa", disse Kapadia, Colleen e Roberto Padovani, Presidente de Carreira Inicial em Engenharia Elétrica e de Computação, "é que podemos usar isso tanto para interrogar quanto para manipular. E podemos fazer as duas coisas em resoluções muito altas - tanto espacial e temporalmente”.

A chave para o novo dispositivo orgânico foi a capacidade de eliminar "crosstalk". Como fazer com que essas duas moléculas tão diferentes se unam e não interfiram uma na outra como dois sinais de rádio embaralhados? No início, observa Armani, "não era totalmente óbvio que isso seria possível". A solução? Separe ambos por uma longa cadeia alquílica, o que não afeta as habilidades fotofísicas de cada um.

Os próximos passos para esta nova molécula multifuncional incluem testes em neurônios e até bactérias. O cientista da USC Moh El-Naggar, um colaborador, demonstrou anteriormente a capacidade das comunidades microbianas de transferir elétrons entre células e em distâncias relativamente longas – com enormes implicações para a colheita de biocombustíveis.

 

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