Usando solo 100 átomos, los campos eléctricos pueden ser detectados y cambiados – ScienceDaily

0


La bioelectricidad, la corriente que fluye entre nuestras células, es fundamental para nuestra capacidad de pensar, hablar y caminar.

Además, cada vez hay más pruebas de que el registro y la alteración de los campos bioeléctricos de las células y los tejidos desempeñan un papel vital en la cicatrización de heridas e incluso en la lucha contra enfermedades como el cáncer y las cardiopatías.

Ahora, por primera vez, investigadores de la Escuela de Ingeniería Viterbi de la USC han creado un dispositivo molecular que puede hacer ambas cosas: registrar y manipular el campo bioeléctrico circundante.

El dispositivo en forma de triángulo está formado por dos pequeñas moléculas conectadas, mucho más pequeñas que un virus y de diámetro similar a una cadena de ADN.

Es un material completamente nuevo para «leer y escribir» el campo eléctrico sin dañar las células y tejidos vecinos. Cada una de las dos moléculas, unidas por una cadena corta de átomos de carbono, tiene su propia función separada: una molécula actúa como un «sensor» o detector que mide el campo eléctrico local cuando se activa con luz roja; una segunda molécula, «el modificador», genera electrones adicionales cuando se expone a la luz azul. En particular, cada función es controlada independientemente por diferentes longitudes de onda de luz.

Aunque no está diseñado para su uso en humanos, el dispositivo orgánico permanecería parcialmente dentro y fuera de la membrana celular para experimentos in vitro.

El trabajo, publicado en el Journal of Materials Chemistry C, fue dirigido por los profesores de la USC Viterbi Andrea Armani y Rehan Kapadia. Los autores principales incluyen a Yingmu Zhang, becario postdoctoral en el Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de los Materiales de Mork; y Jinghan He, un Ph.D. candidato al Departamento de Química de la USC. Los coautores incluyen a Patrick Saris, investigador postdoctoral en USC Viterbi; y Hyun Uk Chae y Subrata Das, candidatos a doctorado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de Ming Hsieh. El Laboratorio Armani fue responsable de crear la nueva molécula orgánica, mientras que el Laboratorio Kapadia jugó un papel clave en probar la eficiencia con la que el «modificador» generaba electricidad cuando se activaba con la luz.

Debido a que la molécula indicadora puede insertarse en el tejido, tiene la capacidad de medir campos eléctricos de forma no invasiva, proporcionando imágenes ultrarrápidas, 3D y de alta resolución de redes neuronales. Esto puede jugar un papel crucial para otros investigadores que prueban los efectos de nuevos medicamentos o cambios en condiciones como la presión y el oxígeno. A diferencia de muchas otras herramientas anteriores, lo hará sin dañar células o tejidos sanos ni requerir manipulación genética del sistema.

«Este agente de imágenes multifuncional ya es compatible con los microscopios existentes», dijo Armani, Presidente Ray Irani en Ingeniería Química y Ciencia de los Materiales, «lo que permite a una amplia gama de investigadores, desde biología hasta neurociencia y fisiología, plantear nuevos tipos de preguntas sobre biología. sistemas y su respuesta a diferentes estímulos: fármacos y factores ambientales. Las nuevas fronteras son infinitas”.

Además, la molécula modificadora, al alterar el campo eléctrico cercano de las células, puede dañar con precisión un solo punto, lo que permite a los futuros investigadores determinar los efectos en cascada, por ejemplo, en toda una red de células cerebrales o cardíacas.

«Si tiene una red inalámbrica en su hogar, ¿qué pasa si uno de esos nodos se vuelve inestable?» dijo Armani. «¿Cómo afecta esto a todos los demás nodos de su hogar? ¿Siguen funcionando? Una vez que comprendemos un sistema biológico como el cuerpo humano, podemos predecir mejor su respuesta o cambiar su respuesta, por ejemplo, produciendo mejores medicamentos para prevenir comportamientos».

«La clave», dijo Kapadia, Colleen y Roberto Padovani, presidente de carrera temprana en ingeniería eléctrica e informática, «es que podemos usarlo tanto para interrogar como para manipular. Y podemos hacer ambas cosas a resoluciones muy altas, tanto espacial como temporalmente. . «.

La clave del nuevo dispositivo orgánico fue la capacidad de eliminar la «diafonía». ¿Cómo asegurarse de que estas dos moléculas tan diferentes se unan y no interfieran entre sí como dos señales de radio codificadas? Al principio, señala Armani, «no era del todo obvio que esto iba a ser posible». ¿La solución? Separe ambos por una larga cadena de alquilo, lo que no afecta las capacidades fotofísicas de cada uno.

Los próximos pasos de esta nueva molécula multifuncional incluyen pruebas en neuronas e incluso en bacterias. El científico de la USC Moh El-Naggar, un colaborador, ha demostrado previamente la capacidad de las comunidades microbianas para transferir electrones entre células y a distancias relativamente largas, con enormes implicaciones para la recolección de biocombustibles.

Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Investigación Naval y la Oficina de Investigación del Ejército.

También podría gustarte
Deja una respuesta

Su dirección de correo electrónico no será publicada.

This website uses cookies to improve your experience. We'll assume you're ok with this, but you can opt-out if you wish. Accept Read More