Los científicos están recurriendo a C. elegans para diseños de biobots que guíen su movimiento a través de microtopografías reconfigurables.

Los pequeños robots automatizados están explotando con potencial: tienen la capacidad única de realizar tareas a microescala, como: B. administración dirigida de medicamentos, manipulación de células, pruebas de diagnóstico y tal vez algún día incluso cirugía no invasiva.

En un estudio publicado recientemente en ciencia avanzadaun equipo de Corea del Sur gira en torno a gusanos redondos llamados Caenorhabditis elegans (C. elegans) para la próxima generación de diseños de biobots.

«C. elegansson animales pequeños con un cuerpo alargado”, dijo Jeong Jae Wie, profesor del Departamento de Ingeniería Orgánica y Nano de la Universidad de Hanyang, Seúl, y uno de los autores correspondientes del estudio. «Parecen una serpiente o una lombriz de tierra que se ha reducido a un tamaño muy pequeño, como máximo ≈1 mm de longitud […] y tienen genes similares a los humanos”.

Los biobots no son nuevos y hay una serie de ejemplos en la literatura científica, como una cucaracha implantada con un circuito eléctrico para aplicaciones de búsqueda y rescate, o células capaces de entregar una carga útil de drogas.

Si bien es un concepto interesante, existe la necesidad de biobots vivos en miniatura que puedan controlarse sin paquetes de baterías, circuitos eléctricos integrados o software sofisticado. «En consecuencia, apuntamos al desarrollo de biobots en el rango submilimétrico […] cambios ambientales”, agregó el colaborador de Wies, Seung Goo Lee, de la Universidad de Ulsan.

En su estudio, el equipo rastreó los movimientos delgados y sinusoidales de C. elegans a través de terrenos configurados magnéticamente, guiándolos físicamente sin necesidad de estímulos químicos o eléctricos. «Evitamos la estimulación química y eléctrica por cuestiones de bienestar animal», dijo Sun Min Kim de la Universidad de Inha y uno de los autores principales del estudio.

Habilidades de mecanosensores en biobots

C. elegans tienen neuronas sensoriales en la cabeza, el cuerpo y la cola que les ayudan a responder a los cambios en su entorno, lo que los investigadores llaman su capacidad mecanosensorial. «Es una capacidad esencial de los seres vivos para protegerse del peligro al detectar el estrés aplicado, la tensión, la rigidez del sustrato y la adhesividad de su entorno», escribió el equipo.

En un entorno accesible, el movimiento de C. elegans es aparentemente aleatorio, impulsado por la necesidad de encontrar presas o evitar toxinas. En el pasado, este comportamiento natural podía modificarse paralizando primero las células nerviosas de los gusanos con ivermectina, seguido de la irradiación local de células musculares específicas para inducir el rastreo en la dirección deseada.

Pero en el estudio actual, el equipo indujo el movimiento en los gusanos redondos utilizando matrices de microcolumnas, que actúan como barreras conductoras y consisten en partículas magnéticas mezcladas en una resina de polímero elastomérico. La resina puede cambiar su morfología en función del campo magnético aplicado, y se diseñaron microbarreras con espacios de tamaño similar al del cuerpo adulto de 40-60 μm C. elegans.

«Para la guía física de los biobots usando sus mecanosensores, tuvimos que diseñar una geometría óptima de la microtopografía, p. B. Distancias de las barreras, forma de la sección transversal, ancho, largo y alto de las microbarreras”, dijo Wie. “Estas dimensiones, con y sin accionamiento magnético, deben sentirse como una especie de limitación espacial en la escala de la C. elegans.”

Que C. elegans De hecho, se ha demostrado que perciben estos cambios en la microtopografía de las microbarreras y alteran su movimiento para navegar por su entorno. La clave de sus movimientos bajo demanda es la regulación del espacio entre columnas y la altura de las columnas según la densidad del flujo magnético.

“El movimiento lineal se dirigió diseñando la microtopografía de las microbarreras para que las distancias entre ellas fueran similares al ancho del cuerpo. C. eleganssin un campo magnético aplicado”, explicó Lee. «En consecuencia, su ‘elusión’ [to get around barriers in a maze] fue inducido con una microtopografía desarrollada usando microbarreras trenzadas y pareadas y aplicando una alta densidad de flujo magnético.”

Para hacer que trepen, el equipo usó microbarreras retorcidas y curvas que representan una topografía escalonada y una alta densidad de flujo magnético. La escalada se hizo más rápida a medida que la altura de los micropasos se volvió comparable al tamaño del C. eleganscabezas

Una plataforma de descubrimiento de fármacos

Además de la demostración de movimiento controlado en C. elegansel equipo también propone utilizar esta plataforma como base para mejorar el descubrimiento de fármacos.

dado C. elegansDebido a su similitud genética con los humanos, se han utilizado ampliamente como modelos para estudiar enfermedades humanas, en particular las relacionadas con las neuronas sensoriales. “Hay muchas tribus de C. elegans con mutaciones genéticas», dijo Kim. «Al comparar el mutante de la cabeza a la cola, investigamos qué locomoción es posible a pesar de los trastornos genéticos en ciertas neuronas. trp-4(sy695) y cuerpo mutante mec-4(e1339) con el tipo salvaje. Al determinar la velocidad de locomoción, identificamos los efectos de los trastornos neurales en la locomoción.

«Los cambios en la locomoción de diferentes gusanos después del tratamiento con un fármaco en investigación también pueden proporcionar información sobre su seguridad. La repetición sistemática de este proceso también podría llevar a determinar el fármaco más eficaz para tratar diversas enfermedades neurológicas y avanzar en futuras plataformas de detección de fármacos”.

La investigación futura, dice el equipo, investigará más a fondo la utilidad de esta plataforma en la detección de drogas e integrará modelos informáticos para aclarar los resultados.

Referencia: Seung Goo Lee, Sun Min Kim, Jeong Jae Wie, et al., Locomoción multimodal de Caenorhabditis elegans por reconfiguración magnética de microtopografía 3DCiencias Avanzadas (2022). DOI: 10.1002/adv.202203396

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