Man muss kein Ingenieur sein, um zu wissen, dass sich Wasser und Elektronik nicht vertragen. Wenn Sie jedoch einen Sensorschaltkreis verwenden möchten, um kleine Merkmale in einer Gemeinschaft von Zellen zu untersuchen, muss die Elektronik einen Weg finden, sich an die wässrige Umgebung der Zelle anzupassen. Die Schaltung kann die Zellen auch nicht in einer Weise beeinflussen, die die Daten ungültig macht.
Marc Dandin, Assistenzprofessor in der Abteilung für Elektro- und Computertechnik an der Carnegie Mellon University, erforscht Möglichkeiten zur Herstellung von Schaltkreisen, die in feuchten Umgebungen für die Zellforschung funktionieren können. In Zusammenarbeit mit N. Luisa Hiller, einer außerordentlichen Professorin in der Abteilung für Biowissenschaften, werden die Schaltkreise verwendet, um zu untersuchen, wie Immunzellen von Partikeln beeinflusst werden, die von Streptococcus pneumoniae-Zellen freigesetzt werden.
„Das Projekt passt in ein größeres Thema, das sich auf die Verbindung von Elektronik mit biologischen Arten konzentriert“, sagte Dandin. „Die Arbeit von Dr. Hiller und meine Arbeit verschmelzen, da wir beide daran interessiert sind, zelluläre und bakterielle Prozesse zu untersuchen und wie sie am Krankheitsverlauf beteiligt sind.“
Das Bakterium Streptococcus pneumoniae kann eine Vielzahl von Krankheiten verursachen, einschließlich Lungenentzündung. Dieses Bakterium ist ein besonders aufregendes Modell, da es für allgemeine Gesundheitsprobleme relevant ist, grundlegende Fragen zum mikrobiellen Leben angeht und die Ergebnisse verallgemeinert und verwendet werden können, um ähnliche Forschungen über andere Bakterien zu leiten.
Die meisten Zellen setzen extrazelluläre Vesikel (EV) frei, ein Mailing-System von Zelle zu Zelle, das die Kommunikation zwischen Zellen ermöglicht. Das Ziel des Projekts von Dandin und Hiller ist es, unser Wissen darüber zu erweitern, wie bakterielle Elektrofahrzeuge das Immunsystem eines Wirts beeinflussen, insbesondere wie sie die Immunabwehr aktivieren oder hemmen.
Für dieses Forschungsprojekt werden Immunzellen auf einem Schaltkreischip in einem Inkubator gezüchtet, der die Umgebung innerhalb eines Wirts simuliert. Die Elektronik ist so ausgelegt, dass sie Daten über eine gesamte Zellpopulation sammelt, die über der Schaltung liegt, und gleichzeitig die Einzelzellenauflösung in den Messungen beibehält.
„Mit unserer Technologie können Sie die Dinge auch auf einer sehr feinen Ebene betrachten, fast auf Einzelzellebene“, sagte Dandin. „Es erlaubt uns zu verstehen, was mit einer viel feineren räumlichen und zeitlichen Auflösung passiert.“
Die einzigartigen Herausforderungen, die mit der Verwendung von Schaltkreisen in Inkubatoren und anderen feuchten Umgebungen verbunden sind, ermöglichen es Studenten der Elektrotechnik und Computertechnik, ihre Erwartungen an elektronische Anwendungen zu übertreffen. Auch ohne formale Studienleistungen lernen die Studierenden etwas über Biologie.
„Wir haben festgestellt, dass multidisziplinäre Forschung wirklich dazu beiträgt, in jedem dieser Bereiche riesige Sprünge zu machen, anstatt winzige, kleine Fortschritte zu machen“, sagte Dandin. „Die CMU ist eine großartige Institution für diese Art der multidisziplinären Forschung.“