Investigadores del MIT Media Lab han diseñado una antena en miniatura que puede operar de forma inalámbrica dentro de una célula viva, abriendo posibilidades en el diagnóstico y tratamiento médico y otros procesos científicos debido al potencial de la antena para monitorear e incluso dirigir la actividad celular en tiempo real.

"El aspecto más emocionante de esta investigación es que podemos crear cyborgs a escala celular", dice Deblina Sarkar, profesora asistente y presidenta de AT&T Career Development en el MIT Media Lab y directora del Nano-Cybernetic Biotrek Lab. "Podemos fusionar la versatilidad de la tecnología de la información al nivel de las células, los componentes básicos de la biología".

Un artículo que describe la investigación fue publicado hoy en la revista Nature Communications .

La tecnología, denominada Cell Rover por los investigadores, representa la primera demostración de una antena que puede operar dentro de una célula y es compatible con sistemas biológicos 3D. Las interfaces bioelectrónicas típicas, dice Sarkar, tienen un tamaño de milímetros o incluso centímetros, y no solo son altamente invasivas, sino que tampoco brindan la resolución necesaria para interactuar con células individuales de forma inalámbrica, especialmente considerando que los cambios en incluso una célula pueden afectar a todo un organismo.

La antena desarrollada por el equipo de Sarkar es mucho más pequeña que una celda. De hecho, en la investigación del equipo con células de ovocitos, la antena representaba menos del 0,05 por ciento del volumen celular, lo que la sitúa muy por debajo de un tamaño que invadiría y dañaría la célula.

Encontrar una manera de construir una antena de ese tamaño para trabajar dentro de una celda fue un desafío clave.

Esto se debe a que las antenas convencionales deben tener un tamaño comparable a la longitud de onda de las ondas electromagnéticas que transmiten y reciben. Estas longitudes de onda son muy grandes:representan la velocidad de la luz dividida por la frecuencia de la onda. Al mismo tiempo, aumentar la frecuencia para reducir esa relación y el tamaño de la antena es contraproducente porque las altas frecuencias producen calor que daña el tejido vivo.

La antena desarrollada por los investigadores del Media Lab convierte las ondas electromagnéticas en ondas acústicas, cuyas longitudes de onda son cinco órdenes de magnitud más pequeñas (que representan la velocidad del sonido dividida por la frecuencia de la onda) que las de las ondas electromagnéticas.

Esta conversión de ondas electromagnéticas a acústicas se logra fabricando las antenas en miniatura utilizando un material que se conoce como magnetoestrictivo. Cuando se aplica un campo magnético a la antena, encendiéndola y activándola, los dominios magnéticos dentro del material magnetoestrictivo se alinean con el campo, creando tensión en el material, de la misma manera que los pedazos de metal tejidos en un trozo de tela podrían reaccionar a un imán fuerte, causando la tela para contorsionarse.

Cuando se aplica un campo magnético alterno a la antena, la tensión y el estrés (presión) variables producidos en el material es lo que crea las ondas acústicas en la antena, dice Baju Joy, estudiante en el laboratorio de Sarkar y autor principal de este trabajo. "También hemos desarrollado una estrategia novedosa utilizando un campo magnético no uniforme para introducir los rovers en las células", agrega Joy.

Configurada de esta manera, la antena podría usarse para explorar los fundamentos de la biología a medida que ocurren los procesos naturales, dice Sarkar. En lugar de destruir células para examinar su citoplasma como se hace normalmente, Cell Rover podría monitorear el desarrollo o la división de una célula, detectando diferentes químicos y biomoléculas como enzimas, o cambios físicos como en la presión celular, todo en tiempo real y en vivo.

Los materiales como los polímeros que experimentan cambios en la masa o el estrés en respuesta a cambios químicos o biomoleculares, que ya se utilizan en investigaciones médicas y de otro tipo, podrían integrarse con la operación de Cell Rover, según los investigadores. Tal integración podría proporcionar conocimientos que no ofrecen las técnicas de observación actuales que implican la destrucción de la célula.

Con tales capacidades, los Cell Rovers podrían ser valiosos en la investigación del cáncer y las enfermedades neurodegenerativas, por ejemplo. Como explica Sarkar, la tecnología podría usarse para detectar y monitorear cambios bioquímicos y eléctricos asociados con la enfermedad a lo largo de su progresión en células individuales. Aplicada en el campo del descubrimiento de fármacos, la tecnología podría iluminar las reacciones de las células vivas a diferentes fármacos.

Debido a la sofisticación y escala de los dispositivos nanoelectrónicos como transistores e interruptores, "que representan cinco décadas de tremendos avances en el campo de la tecnología de la información", dice Sarkar, el Cell Rover, con su mini antena, podría llevar a cabo funciones que van desde hasta la computación intracelular y el procesamiento de la información para la exploración y modulación autónomas de la célula. La investigación demostró que se pueden conectar varios Cell Rovers, incluso dentro de una sola célula, para comunicarse entre ellos y fuera de las células.

"El Cell Rover es un concepto innovador, ya que puede incorporar tecnología de detección, comunicación e información dentro de una célula viva", dice Anantha P. Chandrakasan, decana de la Escuela de Ingeniería del MIT y profesora Vannevar Bush de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación. "Esto abre oportunidades sin precedentes para el diagnóstico, la terapia y el descubrimiento de fármacos extremadamente precisos, además de crear una nueva dirección en la intersección entre la biología y los dispositivos electrónicos".

Los investigadores llamaron a su tecnología de antena intracelular Cell Rover para invocar, como la de un rover de Marte, su misión de explorar una nueva frontera.

"Se puede pensar en el Cell Rover", dice Sarkar, "como si estuviera en una expedición, explorando el mundo interior de la célula". + Explora más

Nueva antena de membrana mucho más pequeña que las convencionales

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre investigación, innovación y enseñanza del MIT.