Mikroelektroniikan ja biologisen rajan ylittäen

Jo nykyään elektroniset sydämentahdistimet edistävät ihmisten terveyttä mutta nyt Marylandin yliopiston tutkijat (UMD) pyrkivät luomaan ensimmäisiä mikroelektroniikkalaitteita, jotka liittyvät biologisiin järjestelmiin.

"Laitteet, jotka vapaasti vaihtavat tietoja sähköisen ja biologisen maailman välillä muodostaisivat täysin uuden yhteisöllisen paradigman", sanoo aiheen keskeinen tutkija professori William E. Bentley.

"Siitä on vain noin 60 vuotta, kun implantoitava sydämentahdistin ja defibrillaattori osoittivat, mitä laitteet voisivat saavuttaa stimuloimalla elektronisesti ionivirtoja. Kuvittele, mitä voisimme tehdä kopioimalla kaiken tietämyksemme, joka sisältyy meidän molekylaariseen olemukseen, liittymällä niihin ja hallitsemalla molekyylejä kuten glukoosia, hormoneja, DNA:ta, proteiineja tai polysakkarideja ionien lisäksi."

Eli tutkijaryhmä pyrkii kehittämään laitteita, jotka pystyvät vapaaseen tiedonvaihtoon elektronisten ja biologisten maailmojen välillä. Mikroelektroniikan kehityksestä huolimatta mikroelektroniikan ja biologisen maailman välillä on edelleen tekninen kuilu.

Yksi tärkeimmistä syistä tähän on se, että mikroelektroniikkalaitteet käsittelevät informaatiota hyödyntämällä materiaaleja, jotka tarjoavat tarvittavat elektronit; mutta biologisissa järjestelmissä ei ole vapaita elektroneja.

Mutta Bentley ja hänen tiiminsä uskovat löytäneensä keinon.

Biologisissa järjestelmissä on pieni molekyyliluokka, joka pystyy kuljettamaan elektroneja. Nämä molekyylit, joita kutsutaan redox-molekyyleiksi, voivat kuljettaa elektronit mihin tahansa paikkaan. Redoksimolekyylien on kuitenkin ensin läpikäytävä useita kemiallisia reaktioita - hapettumis- tai pelkistysreaktioita - kuljettaakseen elektronit haluttuun kohteeseen.

Muokkaamalla soluja synteettisten biologisten komponenttien kanssa tutkijaryhmä on kokeellisesti osoittanut, että konseptisuunnitelma mahdollistaa vankan ja luotettavan tiedonvaihdon sähköisten ja biologisten (molekyylien) olemusten välillä.

Tutkijaryhmä onkin nyt kehittämässä uutta biologista muistilaitetta, joka voidaan kirjoittaa ja lukea joko biologisilla ja/tai sähköisillä tavoilla. Tällainen laite toimisi kuin muistikortti, joka käyttää molekyylisignaaleja avaintietojen tallentamiseen hyvin vähällä energiankäytöllä. Kehossa tällaisia laitteita voitaisiin käyttää biologisen käyttäytymisen hallintaan.

Aiheesta aiemmin:

Kytkeä biologiaa elektroniikan kanssa