Células vivas são controladas eletronicamente em tempo real

Reações químicas especiais suprem os elétrons que permitem realizar a conexão biológico-eletrônico.
[Imagem: Sally Wang et al. - 10.1038/s41467-023-44223-w]

Bioeletrônica

A conexão entre o biológico e o eletrônico é uma das mais dinâmicas das pesquisas científicas, reunindo especialistas das mais diversas áreas em busca de inovações que vão dos biocomputadores e neurônios eletrônicos à integração de dispositivos eletrônicos ao corpo humano.

Contudo, embora dispositivos médicos, como desfibriladores, marcapassos e até mesmo exames de eletrocardiograma, que lidam com sinais elétricos do coração, sejam avanços importantes na bioeletrônica, ainda há muito trabalho para se chegar a dispositivos práticos que acessem informações moleculares, que possam ser usadas em métricas de saúde e para o tratamento de doenças.

Sally Wang e colegas da Universidade de Maryland, nos EUA, conseguiram agora pela primeira vez conectar células bacterianas vivas a um sistema de circuito fechado capaz de se comunicar através da fronteira tecnológico-biológica - o circuito fechado significa que o aparelho monitora as bactérias, gera os impulsos necessários para alterar seu comportamento, mede o novo comportamento, ajusta tudo novamente, e assim por diante.

Na demonstração, reações químicas e engenharia genética foram usadas para controlar os processos biológicos das células bacterianas em tempo real usando sinais eletrônicos. A bactéria E. coli foi escolhida como cobaia porque é um microrganismo de fácil propagação, frequentemente usado em experimentos científicos, mas os princípios devem funcionar em qualquer tipo de célula.

Segundo a equipe, o objetivo final é desenvolver dispositivos de cuidados de saúde "inteligentes" que possam sair dos laboratórios e ir para as clínicas, tais como sistemas de distribuição de medicamentos para diabéticos ou rastreadores em tempo real da progressão da doença em pacientes com câncer.

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

Integração biológico-eletrônico

Na eletrônica convencional, um fluxo de elétrons através da fiação e dos circuitos transporta informações, enquanto ondas eletromagnéticas fazem o trabalho nas comunicações sem fio.

"Na biologia não há elétrons livres se movendo pelo corpo," explicou Sally Wang. "Então, o que os sistemas biológicos fazem para mover esses elétrons? Eles transferem elétrons usando reações redox."

As células produzem moléculas redox (ou redução-oxidação), que podem transportar elétrons de um lugar para outro usando reações químicas, causando ganho e perda de elétrons nas células. Essa transferência de elétrons resulta em alterações nos níveis de oxidação nas células e é fundamental para processos biológicos importantes, como a fotossíntese e a respiração.

A equipe já havia demonstrado que as reações redox podem conectar sistemas biológicos e eletrônicos, criando redes redox biológicas para transferência de informações bioeletrônicas em vários níveis, incluindo proteínas, células individuais e grupos de células. Essa conexão multifacetada e interligada entre sistemas é o que a equipe chamou de "internet da vida".

Agora, eles construíram um sistema em circuito fechado no qual a atividade biológica de uma célula não só pode ser monitorada em tempo real usando sinais eletrônicos, como também seus sistemas genéticos podem ser controlados eletronicamente - esta última função é chamada de "eletrogenética", uma abordagem introduzida pela equipe que tem sido adotada por vários grupos em todo o mundo.

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

Controle eletrônico de células vivas

Usando a ferramenta de edição genética CRISPR, a equipe projetou células bacterianas E. coli para incluir proteínas e anticorpos de outros organismos, como águas-vivas e bactérias Pseudomonas, para permitir que as E. coli respondessem de uma maneira específica à eletricidade:

Quando as bactérias recebem elétrons, elas projetam fluorescência - sinais ópticos - que podem ser gravados e interpretados por uma máquina em tempo real. A máquina pode então avaliar se precisa fornecer mais corrente para sustentar a transferência de elétrons entre sistemas, demonstrando um ciclo.

As células bacterianas geneticamente modificadas podem aceitar elétrons de eletrodos e também de outras células por meio de reações redox, tornando-as, na verdade, "bilíngues". "Isso abre portas para a construção de maneiras completamente novas de conectar tecnologias ricas em informações e dados à biologia. Existem inúmeras oportunidades que podem surgir da eletrogenética," disse o professor William Bentley.

Além das inovações no campo da saúde, monitorando uma doença e administrando os medicamentos com precisão, a tecnologia também tem aplicações potenciais na agricultura e na conservação ambiental. Por exemplo, um monitor inteligente de terras agrícolas poderia fornecer telemetricamente informações sobre como otimizar o conteúdo de microrganismos ou adubos no solo, minimizando ainda a quantidade de pesticidas e herbicidas utilizados.

Bibliografia:

Artigo: Redox-enabled electronic interrogation and feedback control of hierarchical and networked biological systems
Autores: Sally Wang, Chen-Yu Chen, John R. Rzasa, Chen-Yu Tsao, Jinyang Li, Eric VanArsdale, Eunkyoung Kim, Fauziah Rahma Zakaria, Gregory F. Payne, William E. Bentley
Revista: Nature Communications
Vol.: 14, Article number: 8514
DOI: 10.1038/s41467-023-44223-w

Fonte: https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=celulas-vivas-controladas-eletronicamente-tempo-real&id=010110240306