Блог компании ua-hosting.compan. Наука — это язык, с помощью которого мы можем описать окружающий нас мир. Данный язык обладает множеством диалектов — физика, химия, биология, математика и т. д. Но все эти диалекты связаны между собой. Порой эта связь весьма условна или даже иллюзорна, но в некоторых случаях она вполне осязаема. Работу живого организма нельзя полноценно объяснить, используя только биологический диалект, так как в любой системе протекают еще и физико-химические процессы.

Данное переплетение научных направлений в процессе развития технологий породило новые ответвления науки, такие как биоэлектроника, суть которой заключается в изучении биологических процессов для их мониторинга или даже непосредственного использования для реализации других процессов (электрокардиостимуляторы, глюкометры и т. д.).

Но, как и любая другая электроника, биоэлектроника сталкивается с рядом проблем, среди которых особенно остро стоит вопрос бесперебойного и надежного источника питания. Решить эту проблему может, как ни странно, использование определенного биологического процесса — перенос глюкозы в крови.

Ученые из Швейцарской высшей технической школы Цюриха разработали топливный элемент, способный утилизировать «лишнюю» глюкозу из организма человека для выработки энергии, которую можно использовать для бесперебойного питания других биоэлектронных устройств.

Из чего сделан сахарный топливный элемент, каков принцип его работы, и насколько он эффективен? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

В подавляющем большинстве случаев связь между биологией и электроникой в биоэлектронных устройствах заключается в считывании и мониторинге тех или иных биологических показателей или процессов посредством электронного устройства. Другими словами, электроника — это субъект данной связи, а биология — объект.

Однако, многочисленные исследования показали, что молекулярные интерфейсы между клетками и электроникой в принципе могут быть включены в биоэлектронные имплантаты, которые координируют мониторинг биомаркеров и обработку информации с производством и высвобождением белковых терапевтических средств сконструированными клетками. Совместимость между биологическими и электронными системами была достигнута благодаря недавним достижениям в области синтетической биологии, в результате которых были созданы программируемые генетические схемы, способные реализовать принципы электронного управления и обработки, такие как генераторы, аналого-цифровые преобразователи, а также полусумматоры и полные сумматоры. Это позволило разработать биоэлектронные интерфейсы, программирующие клеточное поведение с помощью физических сигналов, питаемых электричеством, включая свет, магнитные поля, тепло и прямые электрические поля.

Стимуляция искусственных клеток светом или электрическими полями, которые взаимодействуют с синтетическими сигнальными каскадами, контролирующими деполяризацию клеточной мембраны, особенно привлекательна для биомедицинских приложений, поскольку такие системы могут вызывать быстрое везикулярное высвобождение биофармацевтических препаратов в течение нескольких минут. Это необходимо для лечения таких заболеваний, как диабет 1 типа, которые требуют сложного динамического контроля.

Однако имеющиеся в настоящее время биоэлектроника и биоэлектронные имплантаты, в частности основанные на оптогенетике, потребляют слишком много энергии для непрерывной работы от аккумуляторных батарей. Они должны питаться по беспроводной связи от генераторов экстракорпорального поля, подключенных к розетке, что ограничивает безопасность, удобство и мобильность. Поэтому будущее развитие биоэлектроники и биоэлектронных имплантатов будет зависеть именно от решения проблемы питания.

И снова на помощь приходит биология. Циркулирующие жидкости организма содержат множество высокоэнергетических метаболитов, которые в принципе можно использовать для непрерывного производства электроэнергии, необходимой для работы биоэлектроники.

Особенно многообещающим субстратом является глюкоза в крови, пики которой после приема пищи могут быть доступны для электрометаболического преобразования.