I ricercatori del MIT Media Lab hanno progettato un'antenna in miniatura che può funzionare in modalità wireless all'interno di una cellula vivente, aprendo possibilità nella diagnostica e nel trattamento medico e in altri processi scientifici grazie al potenziale dell'antenna di monitorare e persino dirigere l'attività cellulare in tempo reale.

"L'aspetto più interessante di questa ricerca è che siamo in grado di creare cyborg su scala cellulare", afferma Deblina Sarkar, assistente professore e AT&T Career Development Chair presso il MIT Media Lab e capo del Nano-Cybernetic Biotrek Lab. "Siamo in grado di fondere la versatilità della tecnologia dell'informazione a livello di cellule, i mattoni della biologia."

Un documento che descrive la ricerca è stato pubblicato oggi sulla rivista Nature Communications .

La tecnologia, denominata dai ricercatori Cell Rover, rappresenta la prima dimostrazione di un'antenna in grado di operare all'interno di una cellula ed è compatibile con i sistemi biologici 3D. Le tipiche interfacce bioelettroniche, afferma Sarkar, sono di dimensioni millimetriche o addirittura centimetriche e non solo sono altamente invasive, ma non forniscono nemmeno la risoluzione necessaria per interagire con le singole cellule in modalità wireless, soprattutto considerando che le modifiche anche a una cellula possono influenzare un intero organismo.

L'antenna sviluppata dal team di Sarkar è molto più piccola di una cellula. In effetti, nella ricerca del team con le cellule degli ovociti, l'antenna rappresentava meno dello 0,05 percento del volume cellulare, posizionandolo ben al di sotto di una dimensione che si intrometterebbe e danneggerebbe la cellula.

Trovare un modo per costruire un'antenna di quelle dimensioni per funzionare all'interno di una cella è stata una sfida fondamentale.

Questo perché le antenne convenzionali devono essere di dimensioni paragonabili alla lunghezza d'onda delle onde elettromagnetiche che trasmettono e ricevono. Tali lunghezze d'onda sono molto grandi:rappresentano la velocità della luce divisa per la frequenza dell'onda. Allo stesso tempo, aumentare la frequenza per ridurre quel rapporto e la dimensione dell'antenna è controproducente perché le alte frequenze producono calore dannoso per i tessuti viventi.

L'antenna sviluppata dai ricercatori di Media Lab converte le onde elettromagnetiche in onde acustiche, le cui lunghezze d'onda sono cinque ordini di grandezza più piccole, che rappresentano la velocità del suono divisa per la frequenza dell'onda, rispetto a quelle delle onde elettromagnetiche.

Questa conversione da onde elettromagnetiche a onde acustiche si ottiene fabbricando le antenne in miniatura utilizzando materiale che viene definito magnetostrittivo. Quando un campo magnetico viene applicato all'antenna, alimentandola e attivandola, i domini magnetici all'interno del materiale magnetostrittivo si allineano al campo, creando tensione nel materiale, il modo in cui i frammenti di metallo intrecciati in un pezzo di stoffa potrebbero reagire a un forte magnete, causando il tessuto da contorcere.

Quando un campo magnetico alternato viene applicato all'antenna, la deformazione e lo stress (pressione) variabili prodotti nel materiale sono ciò che crea le onde acustiche nell'antenna, afferma Baju Joy, uno studente nel laboratorio di Sarkar e autore principale di questo lavoro. "Abbiamo anche sviluppato una nuova strategia utilizzando un campo magnetico non uniforme per introdurre i rover nelle cellule", aggiunge Joy.

Configurata in questo modo, l'antenna potrebbe essere utilizzata per esplorare i fondamenti della biologia quando si verificano i processi naturali, afferma Sarkar. Invece di distruggere le cellule per esaminare il loro citoplasma come avviene di solito, il Cell Rover potrebbe monitorare lo sviluppo o la divisione di una cellula, rilevando diverse sostanze chimiche e biomolecole come enzimi o cambiamenti fisici come nella pressione cellulare, il tutto in tempo reale e in vivo.

Secondo i ricercatori, materiali come i polimeri che subiscono variazioni di massa o stress in risposta a cambiamenti chimici o biomolecolari, già utilizzati nella ricerca medica e di altro tipo, potrebbero essere integrati con il funzionamento del Cell Rover. Tale integrazione potrebbe fornire spunti non offerti dalle attuali tecniche di osservazione che comportano la distruzione della cellula.

Con tali capacità, i Cell Rover potrebbero essere preziosi nella ricerca sul cancro e sulle malattie neurodegenerative, ad esempio. Come spiega Sarkar, la tecnologia potrebbe essere utilizzata per rilevare e monitorare i cambiamenti biochimici ed elettrici associati alla malattia durante la sua progressione nelle singole cellule. Applicata nel campo della scoperta di farmaci, la tecnologia potrebbe illuminare le reazioni delle cellule vive a diversi farmaci.

A causa della sofisticatezza e della scala dei dispositivi nanoelettronici come transistor e interruttori, "che rappresentano cinque decenni di enormi progressi nel campo della tecnologia dell'informazione", afferma Sarkar, il Cell Rover, con la sua mini antenna, potrebbe svolgere funzioni che vanno fino in fondo al calcolo intracellulare e all'elaborazione delle informazioni per l'esplorazione e la modulazione autonoma della cellula. La ricerca ha dimostrato che più Cell Rover possono essere coinvolti, anche all'interno di una singola cellula, per comunicare tra loro e all'esterno delle cellule.

"Il Cell Rover è un concetto innovativo in quanto può incorporare sensori, comunicazioni e tecnologie dell'informazione all'interno di una cellula vivente", afferma Anantha P. Chandrakasan, preside della MIT School of Engineering e Vannevar Bush Professor of Electrical Engineering and Computer Science. "Ciò apre opportunità senza precedenti per diagnostica, terapia e scoperta di farmaci estremamente precisi, oltre a creare una nuova direzione all'intersezione tra biologia e dispositivi elettronici".

I ricercatori hanno chiamato la loro tecnologia di antenna intracellulare Cell Rover per invocare, come quella di un rover su Marte, la sua missione di esplorare una nuova frontiera.

"Puoi pensare al Cell Rover", dice Sarkar, "come se fosse impegnato in una spedizione, esplorando il mondo interiore della cellula". + Esplora ulteriormente

Nuova antenna a membrana molto più piccola di quelle convenzionali

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca, l'innovazione e l'insegnamento del MIT.