Granice między biologią a technologią coraz bardziej się zacierają. Naukowcy z uniwersytetów w Linköping, Lund i Göteborgu w Szwecji z powodzeniem wyhodowali elektrody w żywej tkance. Wyniki badań torują drogę dla nowych terapii, opartych o obwody elektroniczne w pełni zintegrowane z żywymi organizmami.
– Przez kilka dekad próbowaliśmy stworzyć elektronikę, która naśladuje biologię. Teraz pozwalamy biologii tworzyć elektronikę za nas – tłumaczy prof. Magnus Berggren z Laboratory for Organic Electronics, które działa przy Uniwersytecie w Linköping.
Połączenie elektroniki z żywymi tkankami to ogromny postęp, który może pomóc w zrozumieniu złożonych funkcji biologicznych organizmu, zwalczaniu chorób mózgu i rozwoju przyszłych technologii spajających człowieka i maszyny.
Wyniki i opis badań opublikowano w czasopiśmie „Science” (DOI: 10.1126/science.adc9998).
Problem bioelektroniki
Konwencjonalna bioelektronika charakteryzowała się stałą i statyczną konstrukcją, którą trudno było połączyć z żywymi tkankami i systemami sygnałowymi. Aby wypełnić tę lukę między biologią a technologią, naukowcy opracowali metodę tworzenia miękkich, pozbawionych podłoża materiałów przewodzących sygnały elektryczne w żywej tkance. Wstrzykując żel zawierający specyficzne enzymy, badacze byli w stanie wyhodować elektrody w tkankach ryb z gatunku Danio pręgowanego (Danio rerio) i u pijawek lekarskich.
– Kontakt z tkankami organizmu zmienia strukturę żelu i sprawia, że przewodzi on prąd elektryczny. W zależności od tkanki możemy również dostosować skład żelu, aby uruchomić proces przewodzenia – wyjaśnia współautor badań Xenofon Strakosas z Lund University.
Nowa technika wykorzystuje chemię organizmu do stworzenia materiału przewodzącego. Nie ma potrzeby modyfikacji genetycznej, ani stosowania zewnętrznych sygnałów, takich jak światło czy energia elektryczna. W poprzednich eksperymentach było to konieczne. Szwedzcy badacze osiągnęli taki efekt jako pierwsi na świecie.
Nowy paradygmat bioelektroniki
Wyniki badań otwierają drogę dla nowego paradygmatu w bioelektronice. Wcześniej, aby uruchomić procesy elektryczne w organizmie, trzeba było wszczepiać do niego fizyczne obiekty. W przyszłości taki sam efekt będzie można uzyskać przez wstrzyknięcie żelu.
Naukowcy podkreślają, że ich metoda może ukierunkować materiał przewodzący na konkretne biologiczne podstruktury i w ten sposób stworzyć połączenia stymulujące nerwy. W dłuższej perspektywie może to prowadzić do powstania obwodów elektronicznych w pełni zintegrowanych z żywymi organizmami.
W eksperymentach przeprowadzonych na Uniwersytecie w Lund, zespołowi udało się stworzyć elektrody w mózgu, sercu i płetwie ogonowej ryb oraz wokół tkanki nerwowej pijawek. Zwierzęta nie wykazywały skutków ubocznych po wstrzyknięciu żelu, a formowanie elektrod nie miało na nie wpływu. Jednym z wielu wyzwań w tego typu badaniach jest uwzględnienie układu odpornościowego zwierząt, który mógłby zacząć walczyć z wstrzykniętym środkiem.
– Wprowadzając zmiany w składzie chemicznym żelu, byliśmy w stanie opracować elektrody, które zostały zaakceptowane przez tkankę mózgową i układ odpornościowy. Ryby są doskonałe do badania organicznych elektrod w mózgach – mówi prof. Roger Olsson z Wydziału Medycznego Uniwersytetu w Lund.
Inspiracja zaczerpnięta od kwiatów
To właśnie prof. Roger Olsson wyszedł z inicjatywą badań, po tym jak w 2015 r. przeczytał o przewodzącej elektryczność róży opracowanej przez naukowców z Linköping University. Jednym z problemów badawczych, a zarazem ważną różnicą między roślinami a zwierzętami, jest budowa samych komórek.
Rośliny mają sztywne ściany komórkowe, które pozwalają na tworzenie elektrod. Z kolei komórki zwierzęce przypominają raczej miękką masę. Dlatego opracowanie żelu o odpowiedniej strukturze i składzie umożliwiającym tworzenie elektrod było ogromnym wyzwaniem. Rozwiązanie problemu zajęło wiele lat.
– Wyniki naszych badań otwierają drogę do redefinicji sposobów myślenia o biologii i elektronice. Nadal istnieje szereg problemów wymagających rozwiązania, ale to odkrycie jest dobrym punktem wyjścia dla przyszłych analiz – komentuje współautorka pracy Hanne Biesmans.
Źródło: Linköping University, fot. Thor Balkhed
