In de afgelopen vijf jaar, De scheikundige Bozhi Tian van de Universiteit van Chicago heeft uitgezocht hoe de biologie met licht kan worden gecontroleerd.

Een wetenschappelijk doel op lange termijn is dat apparaten dienen als interface tussen onderzoeker en lichaam - zowel als een manier om te begrijpen hoe cellen met elkaar en met zichzelf praten, en eventueel, als een behandeling voor aandoeningen van de hersenen of het zenuwstelsel door zenuwen te stimuleren om te vuren of ledematen om te bewegen. Silicium—een veelzijdige, biocompatibel materiaal dat wordt gebruikt in zowel zonnepanelen als chirurgische implantaten, is een natuurlijke keuze.

In een paper gepubliceerd op 30 april in Natuur Biomedische Technologie , Het team van Tian heeft een systeem van ontwerpprincipes opgesteld voor het werken met silicium om de biologie op drie niveaus te beheersen - van individuele organellen in cellen tot weefsels tot hele ledematen. De groep heeft elk in cel- of muismodellen aangetoond, inclusief de eerste keer dat iemand licht heeft gebruikt om gedrag te controleren zonder genetische modificatie.

"We willen dat dit als kaart dient, waar je kunt beslissen welk probleem je wilt bestuderen en meteen het juiste materiaal en de juiste methode kunt vinden om het aan te pakken, " zei Tian, een assistent-professor bij de afdeling Scheikunde.

De kaart van de wetenschappers bevat de beste methoden om siliciumapparaten te maken, afhankelijk van zowel de beoogde taak als de schaal, variërend van in een cel tot een heel dier.

Bijvoorbeeld, om individuele hersencellen te beïnvloeden, silicium kan worden gemaakt om op licht te reageren door een kleine ionische stroom uit te zenden, die neuronen aanmoedigt om te vuren. Maar om ledematen te stimuleren, wetenschappers hebben een systeem nodig waarvan de signalen verder kunnen reizen en sterker zijn, zoals een met goud bedekt siliciummateriaal waarin licht een chemische reactie veroorzaakt.

De mechanische eigenschappen van het implantaat zijn belangrijk, te. Stel dat onderzoekers met een groter deel van de hersenen willen werken, zoals de cortex, motorische beweging te controleren. De hersenen zijn een zachte, zachte substantie, dus ze hebben een materiaal nodig dat even zacht en flexibel is, maar kan stevig tegen het oppervlak binden. Ze willen dun en kanten siliconen, zeg maar de ontwerpprincipes.

Het team geeft de voorkeur aan deze methode omdat er geen genetische modificatie of een bekabelde voeding voor nodig is, omdat het silicium kan worden gevormd tot in wezen kleine zonnepanelen. (Veel andere vormen van monitoring of interactie met de hersenen hebben een voeding nodig, en het houden van een draad die in een patiënt loopt, is een infectierisico.)

Ze testten het concept bij muizen en ontdekten dat ze de bewegingen van ledematen konden stimuleren door licht op hersenimplantaten te laten schijnen. Eerder onderzoek testte het concept in neuronen.

"We hebben geen antwoord op een aantal intrinsieke vragen over biologie, zoals of individuele mitochondriën op afstand communiceren via bio-elektrische signalen, " zei Yuanwen Jiang, de eerste auteur op het papier, toen een afgestudeerde student aan UChicago en nu een postdoctoraal onderzoeker aan Stanford. "Deze set hulpmiddelen zou dergelijke vragen kunnen beantwoorden en de weg kunnen wijzen naar mogelijke oplossingen voor aandoeningen van het zenuwstelsel."