生物電子設備實現了前所未有的細胞膜電壓控制

在令人印象深刻的概念驗證演示中，一個跨學科的科學家團隊開發了一種由機器學習算法驅動的生物電子系統，該算法可以移動活細胞中的膜電壓并將其維持在設定點10小時。

每個活細胞都會在細胞膜上維持一個電壓，該電壓是由細胞內部和外部的帶電離子濃度差異引起的。通常稱為膜電位或靜息電位，此電壓受細胞膜中的離子通道調節，在細胞生理和功能(例如增殖和分化)中起重要作用。

由于細胞響應其環境變化的復雜方式以及稱為穩態的自然自我調節反饋過程，利用生物電子學控制細胞非常困難。細胞調節離子運動以維持穩定的膜電壓，因此研究人員必須開發一種可以抵消這種自然反應的系統。

“生物反饋系統是生命的基礎，其故障通常涉及疾病。這項工作表明，我們可以使用由機器學習驅動的生物電子設備的組合來調整此反饋，并有可能恢復其功能，”教授Marco Rolandi說加州大學圣克魯斯巴斯金分校工程與計算機工程系主任。

Rolandi是描述這項工作的論文的高級通訊作者，該論文于9月24日發表在《高級智能系統》雜志上。其他幫助指導該項目的通訊作者是加州大學圣克魯斯分校應用數學助理教授馬塞拉·戈麥斯(Marcella Gomez)和塔夫茨大學再生與發育生物學中心主任，哈佛大學懷斯學院副教授邁克爾·萊文(Michael Levin) 。

研究人員開發了一個系統，該系統包括一系列生物電子質子泵，可在溶液中添加或去除氫離子，使其與培養的人類干細胞鄰近。對細胞進行基因修飾，使其在細胞膜上表達一種熒光蛋白，該蛋白響應膜電壓的變化。該系統由機器學習算法控制，該算法可跟蹤膜電壓如何響應質子泵的刺激。

“這是一個閉環系統，它可以記錄細胞的行為，確定使用質子泵進行何種干預，觀察細胞如何反應，然后確定達到和維持膜電壓狀態所需的下一次干預。欲望。”羅蘭迪解釋道。