Forskere lægger ud med, hvordan man kan kontrollere biologi med lys - uden genetik

I løbet af de seneste fem år, Kemiker Bozhi Tian fra University of Chicago har fundet ud af, hvordan man styrer biologi med lys.

Et langsigtet videnskabeligt mål er enheder, der skal tjene som grænsefladen mellem forsker og krop - både som en måde at forstå, hvordan celler taler indbyrdes og inden i sig selv, og til sidst, som en behandling af hjerne- eller nervesystemlidelser ved at stimulere nerver til at affyre eller lemmer til at bevæge sig. Silicium - en alsidig, biokompatibelt materiale, der bruges i både solpaneler og kirurgiske implantater - er et naturligt valg.

I et papir udgivet 30. april i Natur biomedicinsk teknik , Tians team opstillede et system af designprincipper for at arbejde med silicium for at kontrollere biologien på tre niveauer - fra individuelle organeller inde i celler til væv til hele lemmer. Gruppen har demonstreret hver i celler eller musemodeller, inklusive første gang nogen har brugt lys til at kontrollere adfærd uden genetisk modifikation.

"Vi ønsker, at dette skal fungere som et kort, hvor du kan beslutte, hvilket problem du gerne vil studere og straks finde det rigtige materiale og metode til at løse det, " sagde Tian, en adjunkt i Kemisk Institut.

Forskernes kort viser de bedste metoder til at fremstille siliciumenheder afhængigt af både den påtænkte opgave og skalaen - lige fra inde i en celle til et helt dyr.

For eksempel, at påvirke individuelle hjerneceller, silicium kan fremstilles til at reagere på lys ved at udsende en lille ionstrøm, som tilskynder neuroner til at skyde. Men for at stimulere lemmer, forskere har brug for et system, hvis signaler kan rejse længere og er stærkere - såsom et guldbelagt siliciummateriale, hvor lys udløser en kemisk reaktion.

Implantatets mekaniske egenskaber er vigtige, også. Sig, at forskere gerne vil arbejde med et større stykke af hjernen, ligesom cortex, at kontrollere motorens bevægelse. Hjernen er en blød, squishy stof, så de har brug for et materiale, der er tilsvarende blødt og fleksibelt, men kan binde tæt mod overfladen. De vil have tyndt og kniplet silicium, sige designprincipperne.

Holdet foretrækker denne metode, fordi den ikke kræver genetisk modifikation eller en strømforsyning tilsluttet, da silicium kan formes til, hvad der i det væsentlige er små solpaneler. (Mange andre former for overvågning eller interaktion med hjernen skal have en strømforsyning, og det er en infektionsrisiko at holde en ledning ind i en patient.)

De testede konceptet i mus og fandt ud af, at de kunne stimulere lemmerbevægelser ved at skinne lys på hjerneimplantater. Tidligere forskning testede konceptet i neuroner.

"Vi har ikke svar på en række iboende spørgsmål om biologi, såsom om individuelle mitokondrier fjernkommunikerer gennem bioelektriske signaler, " sagde Yuanwen Jiang, den første forfatter på papiret, dengang kandidatstuderende ved UChicago og nu postdoc-forsker ved Stanford. "Dette sæt værktøjer kunne adressere sådanne spørgsmål samt pege på vej til potentielle løsninger på nervesystemlidelser."