Deblina Sarkar, laboratuvarının yeni yaratımına “Cell Rover” adını vermek istediğinde öğrencileri tereddüt etti. “‘Bilimsel bir teknoloji için fazla havalı görünüyor’ gibiydiler” diyor. Ancak Massachusetts Institute of Technology’de bir nanoteknoloji uzmanı olan Sarkar, küçük cihazın adının bilinmeyen dünyaların keşfini çağrıştırmasını istedi. Ancak bu gezici, bir gezegenin yüzeyinden ziyade canlı bir hücrenin içinde dolaşacak.
Son mühendislik ilerlemeleri, bilim adamlarının elektroniği hücresel ölçeğe kadar küçültmelerini sağladı – potansiyel olarak onları tek tek hücrelerin iç kısımlarını keşfetmek ve manipüle etmek için kullanma umuduyla. Ancak böyle bir gezicinin talimatları alması ve bilgi iletmesi gerekir ve bu kadar küçük cihazlarla iletişim kurmak son derece zor olabilir. Sarkar, “Bir anteni hücrenin içine sığdırmak için minyatürleştirmek önemli bir zorluktur” diyor. Sorun, veri iletmek ve almak için cep telefonlarındakiler gibi çoğu geleneksel antenle kullanılan elektromanyetik dalgaları içeriyor. Antenler en iyi, kabaca antenin gerçek uzunluğuna eşit dalga boylarında meydana gelen “rezonans frekanslarında” çalışır. Bir dalganın hızı, frekansı ve dalga boyu arasındaki matematiksel ilişki nedeniyle, daha kısa dalga boylarına sahip dalgalar daha yüksek frekanslara sahiptir. Ne yazık ki, hücre altı antenler, mikrodalga aralığında frekanslar gerektirecek kadar küçük olmak zorundadır. Sarkar, mutfak mikrodalgasındaki ışınlar gibi, bu sinyallerin “hücreleri kızarttığını” söylüyor. Ancak o ve meslektaşları bir çözüm bulduklarını düşünüyorlar. İçinde Doğa İletişimi kağıt, tarif ediyorlar yeni bir anten tasarımı Elektromanyetik dalgalar yerine akustik dalgalarla rezonansa girerek hücrelerin içinde güvenle çalışabilen. Çalışan bir anten, bilim adamlarının hücre içindeki küçük gezici sensörlere güç vermesine ve bunlarla iletişim kurmasına yardımcı olabilir, bu da onların bu yapı taşlarını daha iyi anlamalarına yardımcı olabilir ve belki de yeni tıbbi tedavilere yol açabilir.
Sarkar ve ekibi deneysel antenlerini, manyetik alana maruz kaldığında şekil değiştiren “manyetostriktif” bir malzemeden imal ettiler. Araştırmacılar, halihazırda diğer sensör türlerinde kullanılan bir kombinasyon olan, yaygın olarak bulunabilen bir demir, nikel, bor ve molibden alaşımı seçtiler. Bu manyetostriktif antene bir alternatif akım manyetik alanı uygulandığında, moleküllerinin kuzey ve güney kutupları kendilerini değişen manyetik alanla hizalayarak ileri geri hareket ederek malzemeyi gerer. Bu hareket, antenin küçük bir ayar çatalı gibi titreşmesine neden olur. Herhangi bir manyetik malzeme gibi, anten de harici olana tepki olarak kendi manyetik alanını üretir, ancak titreştiği için hareketi yeni manyetik alanını bir alıcının algılayabileceği şekilde değiştirir. Bu, iki yönlü iletişime izin verir.
Geleneksel bir anten ile Cell Rover arasındaki temel fark, elektromanyetik dalgaların akustik dalgalara dönüştürülmesidir. Araştırmaya dahil olmayan Rice Üniversitesi nöromühendislerinden Jacob Robinson, “Antenleri ışığın dalga boyuna göre değil, sesin dalga boyuna göre rezonansa giriyor” diye açıklıyor. Daha büyük geleneksel antenler gibi, Cell Rover, dalgaların uzunluğuna eşit bir dalga boyuna sahip olduğu zaman rezonans frekansına ulaşır; ancak bu frekansı uyaran dalgalar, elektromanyetik dalgalardan çok daha yavaş hareket eden ses dalgalarıdır. Bir dalganın dalga boyu ile frekansı arasındaki ilişki aynı zamanda hızına da bağlı olduğundan, ses dalgaları ve aynı dalga boyuna sahip elektromanyetik dalgaların frekansları farklı olacaktır. Başka bir deyişle, harici manyetik alan, Cell Rover’a zararlı mikrodalga aralığının dışındaki frekanslara sahip dalgalar kullanarak sinyal verebilir. Robinson, “Bu akıllıca bir yaklaşım” diyor.
Araştırmacılar Cell Rover’ı önce havada ve suda test ettiler ve antenin çalışma frekansının eşdeğer bir elektromanyetik anteninkinden 10.000 kat daha küçük olduğunu buldular – canlı hücreleri öldürmemek için yeterince düşük. Ekip daha sonra cihazı canlı bir sistem içinde test etti: Afrika pençeli kurbağasının yumurta hücresi, model bir organizma. Cell Rover manyetik bir malzemeden yapıldığından, araştırmacılar onu her test hücresine çekmek için bir mıknatıs kullanabilirler. Bu yerleştirmelerden sonra, yumurta hücreleri mikroskop altında sağlıklı görünüyordu ve herhangi bir sızıntı yaymamıştı. Cell Rover, yumurta hücresinin içindeyken bir elektromanyetik iletimi alabildi ve bir santimetre mesafeye kadar dışarıya bir yanıt sinyali gönderebildi. Araştırmacılar ayrıca tek bir hücreye birden fazla farklı boyutta Hücre Gezgini eklediler ve bunların ayrı ayrı gezicilerin iletim sinyallerini ayırt edebildiklerini keşfettiler.
Cell Rover’ın küçültülmesindeki ilerlemeye rağmen, prototiplerin kendileri hala nispeten büyüktü. 400 mikrometreden (0,4 milimetre) biraz daha uzun olan bu hücreler, pek çok hücre tipinin içine sığamayacak kadar büyüktü. Böylece bilim adamları, test ettikleri antenlerden yaklaşık 20 kat daha küçük bir antenin çalışmasını hesaplamalı olarak simüle ettiler. Bu varsayımsal gezicilerin benzer bir iletişim menzilini koruyabileceğini buldular – ancak henüz onları inşa etmediler. Robinson, bu tür cihazların canlı organizmalarda çalışabilmesi için menzilin de artırılması gerekeceğini söylüyor. Robinson, “İşlevsellik eklemek için daha fazla çalışma yapılması gerektiğini düşünüyorum” diye ekliyor. “Henüz biyolojik olarak alakalı bir şey yapmıyorlar.”
Şimdiye kadar bilim adamları, Cell Rover’ın onu boş sinyaller göndermek için kullanarak yalnızca prensipte çalışabileceğini gösterdiler; bu tür iletim, bir TV’deki statik gibi düşünülebilir. Daha sonra, geziciyi, çevresiyle ilgili bilgileri toplayabilen ve iletebilen küçük araçlarla donatarak ne tür “şovlar” izleyebileceklerini belirlemeye çalışacaklar. Örneğin, yakındaki iyonlara veya proteinlere bağlanacak basit bir polimer kaplama ekleyebilirler. Bu maddeler polimere yapıştıklarında Cell Rover’ın kütlesini değiştirecekler ve bu da ürettiği akustik titreşimleri değiştirecektir. Araştırmacılar, bu değişiklikleri ölçerek bir hücrenin protein veya iyon seviyelerini değerlendirebilir.
Bir Cell Rover, daha karmaşık uygulamalar için de uyarlanabilir. Bir gün bu tür cihazları kanser hücrelerini yok etmek, hücre bölünmesini veya farklılaşmasını etkilemek için sinyal yollarını elektriksel olarak değiştirmek ve hatta diğer minyatür cihazlar için bir güç kaynağı olarak hizmet etmek için kullanmak mümkün olabilir. Sarkar, “Sadece hücre içi algılama yapıp hücre içi aktiviteleri modüle edemeyiz, aynı zamanda nanoelektronik devrelere güç sağlayabiliriz” diyor. Bu tür küçük elektronikler, çok daha büyük adaşları gibi Cell Rover’ı bir keşif yolculuğuna da yönlendirebilir: sensör verilerini analiz etmesine ve bir bilim adamının girişi olmadan hücresel ortamı değiştirmesine izin verirler. Sarkar, “Bir gün özerk kararlar verebilecek” diyor. “Fırsatlar sınırsız.”
Kaynak : https://www.scientificamerican.com/article/tiny-rover-explores-cells-without-harming-them/