Unii dintre roboţii umanoizi avansaţi arată deja realist, dar roboţii din viitor ar putea fi chiar parţial vii. Cercetătorii lucrează în prezent la integrarea celulelor vii şi a altor componente biologice cu componente electronice, în încercarea de a crea roboţi bio-hibrizi.
Aceşti roboţi ar putea fi autonomi, ar putea imita unele comportamente din regnul animal şi ar putea avea abilitatea de a-şi autocopia şi autoreproduce anumite componente.
Una dintre provocările majore în dezvoltarea roboţilor bio-hibrizi este crearea unei interfeţe care să permită comunicarea dintre componentele biologice şi cele electronice. Această sarcină este intrinsec dificilă pentru că majoritatea semnalelor celulare pur şi simplu nu sunt compatibile cu electronica. Cele mai multe procese celulare folosesc semnale care se deplasează prea încet pentru a interacţiona cu semnalele electrice şi expunerea la sarcinile electrice are efecte negative asupra multor celule, ceea ce poate conduce la moarte celulară.
În pofida acestor provocări, o echipă de cercetători, Orr Yarkoni, Lynn Donlon şi Daniel Frankel de la Departamentul de Inginerie Chimică din cadrul Universităţii Newcastle din Marea Britanie, au dezvoltat un mod de a face comunicarea dintre aceste două domenii posibilă. În studiul lor, cercetătorii au modificat genetic celule proteice de la un ovar de hamster chinezesc pentru a produce oxid nitric ca răspuns la lumina vizibilă. Atunci când celulele mutante au fost cuplate la un electrod de platină, dispozitivul care a rezultat putea converti un semnal optic de intrare într-un semnal chimic, care mai apoi putea fi convertit într-un semnal electric. Această cale de transducţie a semnalului reprezintă un pas important pentru a dezvolta viitorii roboţi hibrizi.
Imaginea reprezintă ilustrarea mecanismului experimental folosit pentru cercetarea oxidului nitric produs de celule proteice modificate genetic ca răspuns la acţiunea luminii. Credit: Yarkoni, et al. ©2012 IOP Publishing Ltd.
„Interfaţa bioelectronică este extrem de dificil de manipulat”, a explicat Frankel. „În mod obişnuit electronica este modificată fără prea mare succes, pentru a se potrivi sistemului biologic de interes. Este prima dată când am încercat o abordare alternativă, de a modifica biologia (prin intermediul modificării genetice) pentru a adapta electronica.”
Una din cerinţele pentru a deschide un canal de comunicare a fost identificarea oxidului nitric drept un component chimic potrivit pentru componenta mediană a semnalului. După cum au explicat cercetătorii, oxidul nitric este unul dintre puţinele componente care îndeplineşte toate cerinţele pentru acest rol: poate pătrunde prin celule, este puternic difuzibil, are o perioadă de înjumătăţire relativ scurtă şi este una dintre rarele molecule care conduc semnalul celular, ce rămâne în forma ei gazoasă în orice mediu celular. Drept indiciu pentru capabilităţile acestuia, oxidul nitric este des folosit în natură, jucând un rol important în domenii precum relaxarea musculară, lărgirea vaselor de sânge (vasodilataţia), circulaţia inadecvată a sângelui (ischemia), erecţie şi accident vascular cerebral.
Multe dintre proteine produc în mod natural oxid nitric ca răspuns la un stimul chimic, însă cercetătorii au vrut să producă oxid nitric în cantităţi mai mari şi ca răspuns la un stimul optic. Pentru a realiza acest lucru, cercetătorii au explicat cum au reuşit să „spargă” calea de transfer a electronilor din proteină prin înlăturarea unei anumite codificări genetice pentru un loc de legătură necesar în calea nativă. În plus faţă de îndepărtarea acestui loc de legătură, cercetătorii au introdus structuri de aminoacizi numite domenii „light-oxygen-voltage” (LOV) în una sau în două regiuni din proteină. Deoarece aceste structuri pot accepta un electron de la un foton incident, ele pot determina proteina să producă oxid nitric ca răspuns la lumină.
În experimente, cercetătorii au observat că celulele mutant care au fost modificate cu domenii LOV au produs mai mult oxid nitric decât celulele originale când au fost expuse la lumină. Creşterea stimulului luminos a crescut mai departe producţia de oxid nitric din celulele mutant, în timp ce celulele originale au prezentat o fotosensibilitate limitată. Cercetătorii au mai descoperit că celulele mutant cu cele două domenii LOV au produs aproape de două ori mai mult oxid nitric decât cele cu un singur domeniu LOV.
Când au fost legate la un electrod, celulele mutant au produs suficient oxid nitric pentru a cauza o modificare a curentului din electrod. Prin schimbarea intensităţii luminii, cercetătorii au putut controla semnalele de comunicare care se deplasau prin această cascadă opto-chimico-electrică. Spre deosebire de obişnuitele fotodetectoare de tip stare-solidă (solid-state), aceste dispozitive au abilitatea de a se autoreproduce şi potenţialul de a combina semnalele de intrare pentru a realiza computaţia. Aceste avantaje s-ar putea transforma în aplicaţii folositoare într-o viitoare generaţie avansată de roboţi.
„Această muncă este parte a unui proiect mai mare de a construi un robot înotător bio-hibrid numit „Cyberplasm”, a spus Frankel. „Aceste celule sunt „ochii” robotului, care vor putea reacţiona la lumină şi vor putea spune robotului să-şi modifice modul de înot ca răspuns. Robotul este încă în faza de dezvoltare, însă lucrăm la componentele individuale. Potenţiale aplicaţii sunt roboţii care pot înota în zone contaminate, detecta chimicale şi aduce înapoi aceste informaţii.”
Co-cercetătorii proiectului Cyberplasm sunt Joseph Ayers de la Northeastern University din Boston, Chris Voigt de la MIT şi Vlad Parpura de la University of Alabama.
Următorul pas care va fi făcut de cercetători este producerea celulelor care pot comunica cu electronica drept răspuns la un stimul chimic şi, în plus, care pot comunica între ele.
Traducere de Răzvan Gavrilă după channel-cells-machines-paves-bio-hybrid, cu acordul Phys.org.
