Byg en robotål, der svømmer gennem din krop

Som barn, fysiker Seth Fraden elskede filmen "Fantastic Voyage, " om en mikroskopisk ubåd, der rejser gennem en menneskelig blodbane. For næsten 10 år siden, Fraden begyndte en søgen efter at skabe en robotål, han kunne sende på en lignende rejse, selvom det ikke ville være for underholdning. Ålen ville være designet til at levere et lægemiddel til celler eller gener. Og for at fange fleksibiliteten af ​​det rigtige havdyr, det ville tage form af en gel, der kunne glide gennem vand.

Dette forår, Fraden meddelte, at han havde nået de første par skridt mod at realisere sin vision. I journalen Lab on a Chip , han rapporterede, at han og hans team havde skabt en model ved hjælp af kemikalier og mikroskopiske beholdere af et netværk af neuroner. Det er dette netværk, der primært er ansvarlig for ålens varemærke zigzag svømmebevægelse.

Fraden planlægger derefter at indlejre sit neurale netværk i en gel. Hvis alt går som planlagt, gelen vil faktisk bevæge sig på samme måde som en ål gør, mens den svømmer.

Hvorfor en ål?

Robotålen er en del af en større indsats fra Fraden for at bygge maskiner lavet af kemikalier og andre syntetiske materialer, der opfører sig som levende organismer. "Animering af livløst stof" er, hvordan han beskriver det. Han vækker ikke uorganisk stof til live. Han bygger enheder, der fungerer meget som aspekter og træk ved levende væsener - tøj, der reparerer sig selv ved hjælp af den samme proces, som vores celler bruger til at lukke et sår, for eksempel, eller nanobots, der svømmer som fisk gennem vandrør, transport af materialer til reparation af rørskader. Fradens kunstige neurale netværk er kun begyndelsen.

Sammenlignet med de fleste havdyr, ålen har et relativt simpelt system til svømning. Dens rygsøjle løber langs hele kroppen og er omgivet på hver side af en søjle af neuroner. Når neuroner skyder sekventielt ned ad en af ​​søjlerne, de forårsager en bølge af muskelsammentrækning, gør rygsøjlen kurve. Når neuronerne i den anden kolonne skyder, rygsøjlen buer i den modsatte retning. Resultatet er en jævn frem og tilbage bevægelse af rygsøjlen, mens ålen svømmer.

Fraden følger en tre-trins proces for at bygge sin ål til at levere narkotika.

Trin 1:Opret en neuron.

Neuroner svinger mellem to tilstande - excitatorisk og hæmmende. I den excitatoriske tilstand, de får andre neuroner til at skyde. Når de er hæmmende, de forhindrer andre neuroner i at skyde.

Som det sker, der er en klasse af kemiske reaktioner, der svinger mellem to tilstande, sammenlignelig med en neurons. Først observeret i 1950'erne og 60'erne af de russiske videnskabsmænd Boris Belousov og Anatol Zhabotinsky, BZ-reaktionen, som det hedder, går frem og tilbage mellem tilstande af aktivitet og inaktivitet.

Irv Epstein, Henry F. Fischbach professor i kemi, er en af ​​verdens førende eksperter i BZ-reaktionen. Han arbejdede side om side med Zhabotinsky, der kom til Brandeis som adjungeret professor i kemi efter Sovjetunionens sammenbrud. Det var Epstein, sammen med flere andre forskere, som påpegede, at det aktive/inaktive mønster af BZ-reaktionen var analogt med nervecellernes udvisende/hæmmende adfærd. Dette fik Fraden til at bruge BZ-reaktioner til at skabe sine kunstige neuroner.

Nu hvor han havde fundet sine "neuroner, " Fraden og hans laboratorium konstruerede en beholder til at holde dem. Den lignede en isterningbakke med to søjler, hver opdelt i individuelle isterning-rum.

Trin 2:Byg et neuralt netværk.

Som Fraden forestillede sig det, hvert isterning rum var en individuel neuron. Dette gjorde søjlerne sammenlignelige med linjerne af neuroner på hver side af ålens rygrad.

Fraden fyldte hvert af isterningekamrene med en flydende opløsning indeholdende de kemikalier, der var nødvendige for BZ-reaktionen. Den første BZ-reaktion skete i beholderen i toppen af ​​en af ​​søjlerne. Når den blev aktiv (excitatorisk), det frigav et molekyle, der kom ind i isterningbeholderen direkte under det, aktivering af

Næste, BZ-reaktionen blev inaktiv (hæmmende). Det frigav derefter et molekyle, der rejste til isterningbeholderen lige over for det, effektivt undertrykke, eller sætte på hold, BZ-reaktionen i den beholder.

Et mønster opstod. En efter en, BZ-reaktionerne i en kolonne blev aktiveret, mens BZ-reaktionerne i den anden kolonne blev sat i pausetilstand. Når alle BZ-reaktionerne i den første kolonne var afsluttet, reaktionerne i anden kolonne kom ud af pausen og startede op.

Den anden kolonnes reaktioner fortsatte også den ene efter den anden, nedad. Og de undertrykte nu også reaktionerne i første spalte. Dermed, den første kolonne startede først op igen, efter at den anden kolonnes reaktioner var afsluttet.

Bemærkelsesværdigt, BZ-reaktionerne var indbyrdes forbundet og kommunikeret med hinanden i samme rækkefølge som ålens spinale neuroner, går af en ad gangen, den ene kolonne efter den anden. Fraden strikker BZ-reaktionerne sammen, så de, træde i kræft, fungerede sammen som en enkelt enhed.

Hvorfor rejste de aktiverende molekyler kun lodret og de deaktiverende kun vandret? Dette skyldtes designet af skillevæggene mellem containerne. Fordelere i søjlerne tillod kun aktiverende molekyler at passere igennem. Skillelinjer mellem kolonnerne tillod kun at deaktivere dem.

Det tredje trin:Det neurale netværk går ind i en gel.

Fraden har valgt en kemisk-reagerende formændrende gel, som han vil implantere sit isterningbakkeapparat i. "Vi håber, at materialet vil opføre sig på samme måde som en åles krop gør som reaktion på affyring af dens neuroner, " siger han. "Det vil glide væk."