Clulas vivas so controladas eletronicamente em tempo real

Eletrnica

Redação do Site Inovação Tecnológica – 06/03/2024

Bioeletrnica

A conexo entre o biolgico e o eletrnico uma das mais dinmicas das pesquisas cientficas, reunindo especialistas das mais diversas reas em busca de inovaes que vo dos biocomputadores e neurnios eletrnicos integrao de dispositivos eletrnicos ao corpo humano.

Contudo, embora dispositivos mdicos, como desfibriladores, marcapassos e at mesmo exames de eletrocardiograma, que lidam com sinais eltricos do corao, sejam avanos importantes na bioeletrnica, ainda h muito trabalho para se chegar a dispositivos prticos que acessem informaes moleculares, que possam ser usadas em mtricas de sade e para o tratamento de doenas.

Sally Wang e colegas da Universidade de Maryland, nos EUA, conseguiram agora pela primeira vez conectar clulas bacterianas vivas a um sistema de circuito fechado capaz de se comunicar atravs da fronteira tecnolgico-biolgica – o circuito fechado significa que o aparelho monitora as bactrias, gera os impulsos necessrios para alterar seu comportamento, mede o novo comportamento, ajusta tudo novamente, e assim por diante.

Na demonstrao, reaes qumicas e engenharia gentica foram usadas para controlar os processos biolgicos das clulas bacterianas em tempo real usando sinais eletrnicos. A bactria E. coli foi escolhida como cobaia porque um microrganismo de fcil propagao, frequentemente usado em experimentos cientficos, mas os princpios devem funcionar em qualquer tipo de clula.

Segundo a equipe, o objetivo final desenvolver dispositivos de cuidados de sade “inteligentes” que possam sair dos laboratrios e ir para as clnicas, tais como sistemas de distribuio de medicamentos para diabticos ou rastreadores em tempo real da progresso da doena em pacientes com cncer.

Sistema de controle eletrnico das bactrias em tempo real.
[Imagem: Sally Wang et al. – 10.1038/s41467-023-44223-w]

Integrao biolgico-eletrnico

Na eletrnica convencional, um fluxo de eltrons atravs da fiao e dos circuitos transporta informaes, enquanto ondas eletromagnticas fazem o trabalho nas comunicaes sem fio.

“Na biologia no h eltrons livres se movendo pelo corpo,” explicou Sally Wang. “Ento, o que os sistemas biolgicos fazem para mover esses eltrons? Eles transferem eltrons usando reaes redox.”

As clulas produzem molculas redox (ou reduo-oxidao), que podem transportar eltrons de um lugar para outro usando reaes qumicas, causando ganho e perda de eltrons nas clulas. Essa transferncia de eltrons resulta em alteraes nos nveis de oxidao nas clulas e fundamental para processos biolgicos importantes, como a fotossntese e a respirao.

A equipe j havia demonstrado que as reaes redox podem conectar sistemas biolgicos e eletrnicos, criando redes redox biolgicas para transferncia de informaes bioeletrnicas em vrios nveis, incluindo protenas, clulas individuais e grupos de clulas. Essa conexo multifacetada e interligada entre sistemas o que a equipe chamou de “internet da vida”.

Agora, eles construram um sistema em circuito fechado no qual a atividade biolgica de uma clula no s pode ser monitorada em tempo real usando sinais eletrnicos, como tambm seus sistemas genticos podem ser controlados eletronicamente – esta ltima funo chamada de “eletrogentica”, uma abordagem introduzida pela equipe que tem sido adotada por vrios grupos em todo o mundo.

A tecnologia dever ter usos em medicina e at em agricultura.
[Imagem: Sally Wang et al. – 10.1038/s41467-023-44223-w]

Controle eletrnico de clulas vivas

Usando a ferramenta de edio gentica CRISPR, a equipe projetou clulas bacterianas E. coli para incluir protenas e anticorpos de outros organismos, como guas-vivas e bactrias Pseudomonas, para permitir que as E. coli respondessem de uma maneira especfica eletricidade:

Quando as bactrias recebem eltrons, elas projetam fluorescncia – sinais pticos – que podem ser gravados e interpretados por uma mquina em tempo real. A mquina pode ento avaliar se precisa fornecer mais corrente para sustentar a transferncia de eltrons entre sistemas, demonstrando um ciclo.

As clulas bacterianas geneticamente modificadas podem aceitar eltrons de eletrodos e tambm de outras clulas por meio de reaes redox, tornando-as, na verdade, “bilngues”. “Isso abre portas para a construo de maneiras completamente novas de conectar tecnologias ricas em informaes e dados biologia. Existem inmeras oportunidades que podem surgir da eletrogentica,” disse o professor William Bentley.

Alm das inovaes no campo da sade, monitorando uma doena e administrando os medicamentos com preciso, a tecnologia tambm tem aplicaes potenciais na agricultura e na conservao ambiental. Por exemplo, um monitor inteligente de terras agrcolas poderia fornecer telemetricamente informaes sobre como otimizar o contedo de microrganismos ou adubos no solo, minimizando ainda a quantidade de pesticidas e herbicidas utilizados.

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