Όλο και πιο θολά φαίνεται πως γίνονται τα όρια μεταξύ βιολογίας και τεχνολογίας, καθώς ερευνητές στα πανεπιστήμια των Λινκεπίνγκ, Λουντ και Γκέτεμποργκ στη Σουηδία ήταν σε θέση να «καλλιεργήσουν» ηλεκτρόδια μέσα σε ζωντανό ιστό χρησιμοποιώντας τα μόρια του σώματος ως «διακόπτες».
Η σχετική έρευνα, που δημοσιεύτηκε στο Science, ανοίγει τον δρόμο για τον σχηματισμό ολοκληρωμένων ηλεκτρικών κυκλωμάτων μέσα σε ζωντανούς οργανισμούς.
«Εδώ και δεκαετίες προσπαθούμε να δημιουργήσουμε ηλεκτρονικά που μιμούνται τη βιολογία. Τώρα αφήνουμε τη βιολογία να δημιουργήσει τα ηλεκτρονικά για εμάς» λέει ο καθηγητής Μάγκνους Μπέργκρεν στο LOE (Laboratory for Organic Electronics) στο Πανεπιστήμιο του Λινκεπίνγκ.
Η σύνδεση ηλεκτρονικών με βιολογικό ιστό είναι σημαντική για την κατανόηση πολύπλοκων βιολογικών λειτουργιών, την αντιμετώπιση ασθενειών στον εγκέφαλο και την ανάπτυξη μελλοντικών interfaces μεταξύ ανθρώπου και μηχανής. Ωστόσο τα συμβατικά βιοηλεκτρονικά, που αναπτύσσονται παράλληλα με τη βιομηχανία ημιαγωγών, έχουν έναν σταθερό και στατικό σχεδιασμό που είναι δύσκολο, αν όχι αδύνατον, να συνδυαστεί με ζωντανά συστήματα βιολογικών σημάτων.
Για να γεφυρωθεί αυτό το χάσμα μεταξύ βιολογίας και τεχνολογίας οι ερευνητές ανέπτυξαν μια μέθοδο για τη δημιουργία μαλακών, χωρίς υπόστρωμα, ηλεκτρονικά αγώγιμων υλικών σε μαλακό ιστό. Εισάγοντας ένα τζελ που περιείχε ένζυμα ως «μόρια συναρμολόγησης», οι ερευνητές ήταν σε θέση να καλλιεργήσουν ηλεκτρόδια στον ιστό ενός είδους ψαριού (zebrafish) και ιατρικών βδελλών.
«Η επαφή με τις ουσίες του σώματος αλλάζει τη δομή του τζελ και το κάνει ηλεκτρικά αγώγιμο, που δεν ήταν πριν την εισαγωγή. Ανάλογα με τον ιστό, μπορούμε επίσης να ρυθμίσουμε τη σύνθεση του τζελ για να βάλουμε μπροστά την ηλεκτρική διαδικασία» λέει ο Ξενοφών Στρακόσας, ερευνητής στο LOE και το Πανεπιστήμιο του Λουντ και ένας από τους κύριους συντελεστές της έρευνας.
Τα ενδογενή μόρια του σώματος είναι αρκετά για να προκαλέσουν τον σχηματισμό ηλεκτροδίων. Δεν υπάρχει ανάγκη για γενετική τροποποίηση ή εξωτερικά σήματα, όπως φως ή ηλεκτρική ενέργεια, που ήταν απαραίτητα σε προηγούμενα πειράματα. Οι Σουηδοί ερευνητές είναι οι πρώτοι στον κόσμο που το καταφέρνουν αυτό, όπως αναφέρεται σε σχετική ανακοίνωση.
Η έρευνα αυτή ανοίγει τον δρόμο για σημαντικές εξελίξεις στον χώρο των βιοηλεκτρονικών: Εκεί που χρειαζόταν πρην εμφύτευση αντικειμένων για την έναρξη ηλεκτρονικών διαδικασιών μέσα στο σώμα, η εισαγωγή ενός τζελ φαίνεται πως θα είναι επαρκής στο μέλλον.
Στο πλαίσιο της μελέτης τους οι ερευνητές δείχνουν περαιτέρω πως η μέθοδος μπορεί να στοχεύσει το ηλεκτρονικά αγώγιμο υλικό σε συγκεκριμένες βιολογικές υποδομές και ως εκ τούτου να δημιουργήσει κατάλληλα interfaces για διέγερση νεύρων. Μακροπρόθεσμα, η δημιουργία πλήρως ενσωματωμένων ηλεκτρονικών κυκλωμάτων σε ζωντανούς οργανισμούς μπορεί να είναι δυνατή.
Σε πειράματα που έγιναν στο Πανεπιστήμιο του Λουντ η ομάδα πέτυχε σχηματισμό ηλεκτροδίων στον εγκέφαλο, την καρδιά και τα πτερύγια της ουράς των ψαριών και γύρω από τον νευρικό ιστό των ιατρικών βδελλών. Δεν υπήρξε βλάβη στα ζώα από το τζελ και δεν επηρεάστηκαν επίσης από τον σχηματισμό ηλεκτροδίων. Μία από τις πολλές προκλήσεις σε αυτές τις δοκιμές είναι να ληφθεί υπόψιν το ανοσοποιητικό σύστημα των ζώων.
«Κάνοντας μικρές αλλαγές στη χημεία, ήμασταν σε θέση να αναπτύξουμε ηλεκτρόδια που έγιναν αποδεκτά από τον εγκεφαλικό ιστό και το ανοσοποιητικό σύστημα. Το zebrafish είναι ένα εξαιρετικό μοντέλο για τη μελέτη των οργανικών ηλεκτροδίων στους εγκεφάλους» είπε ο καθηγητής Ρότζερ Όλσον του Λουντ, που έχει επίσης εργαστήρι χημείας στο Πανεπιστήμιο του Γκέτεμποργκ. Ήταν ο Όλσον που έλαβε την πρωτοβουλία για αυτή τη μελέτη, αφού διάβασε για το ηλεκτρονικό τριαντάφυλλο που δημιούργησαν ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Λινκεπίνγκ το 2015. Ένα ερευνητικό πρόβλημα και μια σημαντική διαφορά μεταξύ φυτών και ζώων είναι η διαφορά στη δομή των κυττάρων. Εκεί που τα φυτά έχουν άκαμπτα τοιχώματα κυττάρων που επιτρέπουν τον σχηματισμό ηλεκτροδίων, τα κύτταρα ζώων είναι πιο πολύ σαν μια μαλακή μάζα. Η δημιουργία ενός τζελ με επαρκή δομή και τον σωστό συνδυασμό ουσιών για τον σχηματισμό ηλεκτροδίων σε τέτοιο περιβάλλον ήταν μια πρόκληση για την επίλυση της οποίας χρειάστηκαν πολλά χρόνια.
«Τα αποτελέσματά μας ανοίγουν εντελώς νέους τρόπους σκέψης για τη βιολογία και τα ηλεκτρονικά. Έχουμε ακόμα ένα εύρος προβλημάτων να λύσουμε, μα αυτή η έρευνα είναι ένα καλό σημείο έναρξης για μελλοντικές έρευνες» είπε η Χάνε Μπίσμανς, διδακτορική στο LOE και μία εκ των κύριων συντελεστών της έρευνας.