Processamento biológico da informação abre caminho para um futuro não-digital

[Imagem: Katsaggelos/Tsaftaris]

A emergente área do processamento biológico da informação pode abrir caminho para um futuro que poderá não ser tão digital quanto se imagina.

Fungos processando sinais de áudio, bactérias armazenando imagens, moléculas de DNA funcionando como circuitos lógicos, todas são possibilidades reais, algumas delas já testadas em escala de laboratório.

Futuro não-tão-eletrônico

Os cientistas Sotirios Tsaftaris e Aggelos Katsaggelos acreditam que este é apenas o começo do nascente campo do processamento biológico da informação. Em um artigo que analisa o impacto dos progressos recentes na área, feitos ao longo dos últimos 10 anos, eles avaliam que pode estar se descortinando um "futuro possivelmente não-tão-eletrônico".

O processamento de sinais digitais utiliza soluções matemáticas, aplicadas por meio de diversas técnicas, para manipular sinais representativos de dados, imagens ou músicas, depois que eles foram convertidos para o formato digital.

Ao longo dos últimos 10 anos, contudo, diversas equipes têm experimentado materiais diferentes daqueles comumente utilizados pela indústria eletrônica.

Processamento biológico

Alguns compostos químicos, por exemplo, podem ser totalmente misturados, mas não reagirão até que incida luz sobre eles - um mecanismo que pode ser utilizado para gravar uma imagem, bastando fazer incidir um foco de luz sobre uma filme antes transparente. Até mesmo técnicas de melhoramento das imagens, como reforço de contorno, podem ser aplicadas, variando-se a acidez da mistura.

O Instituto de Tecnologia de Massachusetts já possui uma competição anual na qual seus estudantes projetam sistemas biológicos que possam executar cálculos computacionais básicos.

Processamento orgânico

O grande ímpeto na área veio com a utilização de moléculas de DNA para armazenar informações digitais. Os dados podem ser codificados no DNA, que é mantido em meio líquido para economia de espaço. Mas as moléculas de DNA também podem ser utilizadas para o processamento dos sinais digitais (veja Grave seus dados no DNA de uma bactéria e deixe-os passar de geração em geração).

Outros cientistas estão fazendo avançar a área teórica, mesmo antes que a tecnologia seja capaz de incorporá-las em dispositivos práticos. Já estão disponíveis, por exemplo, algoritmos que poderão ser utilizados pela biotecnologia para a detecção mais rápida de doenças.

Mas Tsaftaris e Katsaggelos vão além, e sonham com o dia em que será possível implementar o processamento inteiramente orgânico da transformada rápida de Fourier - um método largamente utilizado para a extração de informações úteis de amostras de sinais digitais.

Para conhecer alguns dentre os muitos avanços da área, veja NASA cria circuitos integrados bacterianos, Bactéria geneticamente modificada tira fotografia de alta resolução e Bactérias poderão ajudar a construir chips mais velozes.

Bibliografia:
The Not So Digital Future of Digital Signal Processing
Sotirios A. Tsaftaris, Aggelos K. Katsaggelos
Proceedings of the IEEE
March 2008
Vol.: 96, Issue 3, Pages: 375-377
DOI: 10.1109/JPROC.2007.913496

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=processamento-biologico-da-informacao-abre-caminho-para-um-futuro-nao-digital&id=010150080416

Descoberto motor flexoelétrico no interior do ouvido humano

O motor elétrico biológico, chamado de motor flexoelétrico, fica em pequenas células tubulares chamadas estereocílios, parecidas com pelos, localizadas no ouvido interno.[Imagem: PLoS One]

Pesquisadores norte-americanos descobriram "motores flexoelétricos" no interior do ouvido humano, usados para amplificar o som mecanicamente.

"Nós estamos relatando a descoberta de um novo motor em nanoescala no ouvido,"' diz Richard Rabbitt, um dos autores da descoberta. "O ouvido tem um amplificador mecânico em seu interior que usa energia elétrica para fazer amplificação mecânica.

Motor elétrico biológico

O motor elétrico biológico fica em pequenas células tubulares chamadas estereocílios, parecidas com pelos, localizadas no ouvido interno. Quando as ondas sonoras que chegam ao ouvido, elas fazem esses túbulos balançarem, o mecanismo dos motores flexoelétricos entra em funcionamento e amplificam o som, ampliando nossa capacidade de audição.

"É como a direção de um carro," explica Rabbitt. "Você gira o volante e adiciona potência mecânica. Aqui, o som que chega faz o papel das suas mãos girando o volante. Mas, para virar, você tem que fazer força. Esses aglomerados ciliares adicionam a potência necessária ao som."

O grupo do Dr. Rabbitt ainda especula que a conversão flexoelétrica, que transforma a eletricidade em trabalho mecânico, pode estar envolvida em outros processos em nosso organismo, como na formação da memória e até mesmo na digestão.

Funcionamento do motor flexoelétrico

Quando o som entra na cóclea e alcança essas minúsculas células tubulares - os estereocílios - a pressão do som faz com que elas balancem de um lado para o outro, como se fossem um bambu ao vento.

Os túbulos estão interconectados por seus topos, unidos por filamentos de proteína. No ponto onde cada filamento entra em contato com a extremidade de cada túbulo, há um canal iônico que abre e fecha conforme os estereocílios balançam para um lado e para o outro.

Quando o canal se abre, íons de cálcio e potássio (átomos eletricamente carregados) fluem para os túbulos. Isso altera a tensão ao longo da membrana que envolve cada estereocílio, fazendo os túbulos flexionarem-se e dançarem ainda mais.

Esse movimento mecânico de balanço amplifica o som e, em última instância, libera neurotransmissores na base das células tubulares, enviando o sinal elétrico equivalente ao som pelos nervos até o cérebro.

O mecanismo da flexoeletricidade era conhecido há várias décadas, mas acreditava-se que ele só ocorresse em membranas. O que os pesquisadores notaram é que os estereocílios são, na verdade, membranas enroladas.

Bibliografia:
Hair Cell Bundles: Flexoelectric Motors of the Inner Ear
Kathryn D. Breneman, William E. Brownell, Richard D. Rabbitt
PLoS ONE
Vol.: 4(4): e5201
DOI: 10.1371/journal.pone.0005201

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=descoberto-motor-flexo-eletrico-interior-ouvido-humano&id=010180090601

Braçadeira biomecânica tira eletricidade do movimento dos joelhos

O gerador biomecânico é montado sobre um chassi de alumínio e fixado por uma braçadeira ortopédica.[Imagem: Greg Ehlers/Simon Fraser University.]

Cientistas da Universidade de Michigan, nos Estados Unidos, desenvolveram um equipamento capaz de gerar energia a partir do movimento dos joelhos. O aparelho utiliza o mesmo princípio de captura de energia regenerativa, atualmente utilizado nos veículos híbrido-elétricos para gerar energia para as baterias a partir da energia gasta para frear o veículo.

Gerador regenerativo

Os freios regenerativos utilizam a energia cinética que seria desperdiçada como calor à medida em que o carro diminui de velocidade. A nova braçadeira para o joelho captura a energia perdida quando o joelho funciona como uma espécie de freio - isso acontece quando a pessoa projeta a perna para a frente para dar um novo passo.

"Há energia para ser capturada em vários lugares do corpo, e você pode usá-la para gerar eletricidade. O joelho é provavelmente o melhor lugar," explica Arthur Kuo, um dos autores do projeto. "Durante o andar, você dissipa energia em vários pontos, quando seu pé toca o solo, por exemplo."

Joelheira geradora de energia

A joelheira geradora de energia exige menos de um watt de energia metabólica extra do seu usuário, para cada watt de eletricidade gerada. Segundo os pesquisadores, uma lanterna acionada manualmente requer 6,4 watts de energia metabólica para gerar 1 watt de eletricidade.

Mas os pesquisadores afirmam que o protótipo ainda é pesado e que o rendimento poderá ser melhorado, tendo quase nenhum impacto sobre o caminhante depois que ele tiver sido totalmente desenvolvido.

Bibliografia:
Biomechanical Energy Harvesting: Generating Electricity During Walking with Minimal User Effort
J. M. Donelan, Q. Li, V. Naing, J. A. Hoffer, D. J. Weber, Arthur D. Kuo
Science
8 February 2008
Vol.: 319: 807-810
DOI: 10.1126/science.1149860

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=bracadeira-biomecanica-tira-eletricidade-do-movimento-dos-joelhos&id=020115080208

Amplificador visual é nova alternativa para olho biônico

Pontos quânticos, nanopartículas que emitem luz, já são utilizadas para visualização de estruturas celulares.[Imagem: NIH]

Os olhos biônicos, equipamentos capazes de restaurar a visão de pessoas inteiramente cegas ou com problemas de visão extremamente sérios, são ainda uma promessa, apesar do grande número de pesquisas e dos vários testes em andamento.

A quase totalidade dessas pesquisas concentra-se no desenvolvimento de chips contendo sensores, muito semelhantes aos existentes nas câmeras digitais. Os sensores captam a luz e os sinais são enviados diretamente ao nervo óptico.

Amplificador visual

Mas o Dr. Jeffrey Olsen, da Universidade do Colorado, nos Estados Unidos, acredita ter descoberto um enfoque mais simples e mais promissor.

Em vez substituir as células fotossensíveis da retina danificada, o Dr. Olsen afirma que é mais simples amplificar a luz captada pelas células naturais, que geralmente ainda têm uma pequena sensibilidade, mas não o suficiente para ativar o nervo óptico e fazer com que a pessoa enxergue.

Pontos quânticos

A solução consiste no implante de pontos quânticos, nanopartículas com altíssima sensibilidade à luz. Os pontos quânticos são formados por materiais semicondutores que fluorescem quando atingidos pelos fótons e podem funcionar como uma espécie de amplificador visual, reforçando os sinais que chegam às células da retina.

A técnica tem várias vantagens. A maior delas é que os pontos quânticos não precisam uma fonte externa de energia, o que reduz a complexidade e as dimensões do dispositivo a ser implantado no olho. Embora os testes com os olhos biônicos tradicionais, baseados em sensores, estejam apresentando resultados promissores, eles ainda dependem de uma miniaturização futura, porque o chip implantado é grande e acaba impedindo o funcionamento das células da retina que ainda funcionam.

Biocompatibilidade

Os pontos quânticos não são o melhor exemplo de material biocompatível, podendo mesmo ser altamente tóxicos. Contudo, é possível revesti-los com materiais bioativos que não apenas os tornam inertes ao organismo, como também garantem que eles fiquem restritos a tecidos específicos da retina.

A grande desvantagem da nova técnica é que ela somente poderá ser aplicada aos pacientes que ainda possuem células vivas na retina. Contudo, segundo o Dr. Olsen, isso atende à grande maioria dos deficientes visuais.

Testes em ratos

Os primeiros testes feitos em ratos são promissores. Os animais que tiveram os pontos quânticos injetados em suas retinas apresentam uma maior atividade elétrica do que os animais normais, o que demonstra o funcionamento da técnica de amplificação visual.

A nova abordagem para restauração da visão já foi patenteada, mas ainda não há previsões de quando os testes em humanos irão começar, principalmente devido às questões da toxicidade dos pontos quânticos, que exigirão maiores pesquisas para que sejam aprovadas pelas autoridades de saúde.

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=amplificador-visual-alternativa-para-olho-bionico&id=010110090120

Energia biomecânica vira eletricidade graças a nanogerador

Redação do Site Inovação Tecnológica - 03/03/2009

[Imagem: Zhong Lin Wang]

Que tal recarregar o seu notebook ou o seu telefone celular aproveitando a energia dos seus dedos ao acionarem o teclado? Ou acompanhar a música que você ouve no seu MP3, usando a vibração das suas cordas vocais para recarregar as baterias do seu som portátil?

Nanogeradores

Estas são algumas das possibilidades abertas pela pesquisa do professor Zhong Li Wang, da Universidade da Geórgia, nos Estados Unidos. Esta é a quinta geração dos nanogeradores construídos por esta equipe de pesquisadores (veja Nanogeradores usam movimento do corpo para gerar energia).

"Usando a nanotecnologia, nós demonstramos uma forma de converter mesmo a mais irregular energia biomecânica em eletricidade. Esta tecnologia pode converter qualquer distúrbio mecânico em energia elétrica," diz o Dr. Wang.

A energia dos ramsters

Para mostrar uma forma verdadeiramente inusitada de produzir energia alternativa, os pesquisadores usaram seus nanogeradores em ramsters de laboratório, fazendo-o produzir eletricidade enquanto se exercitavam nas rodas de suas gaiolas.

Talvez os ramsters não se tornem a solução para a crise energética, mas a demonstração dá o tom da versatilidade dos novos nanogeradores. "Até mesmo uma bandeira balançando ao vento pode ser utilizada para gerar eletricidade," diz o pesquisador.

Aproveitar essas energias irregulares de baixa frequência é significativo porque elas estão presentes em todos os lugares, inclusive no corpo humano, que as gera ao falar, andar e fazer qualquer outro tipo de movimento, como quando usamos o teclado do computador.

Efeito piezoelétrico

A eletricidade produzida pelos nanogeradores é gerada pelo efeito piezoelétrico, um fenômeno pelo qual determinados materiais - como nanofios de óxido de zinco - produzem cargas elétricas quando eles são flexionados. Os nanofios utilizados pelos pesquisadores têm entre 100 e 800 nanômetros de diâmetro e de 100 a 500 micrômetros de comprimento.

Os fios de óxido de zinco recebem uma capa protetora de polímero flexível. A seguir, eles são fixados a eletrodos metálicos de um lado e a um diodo Shottky do outro, para controlar o fluxo de corrente. Este conjunto forma um nanogerador, que pode ser utilizado individualmente ou formando conjuntos para o aproveitamento de energias mecânicas mais intensas.

O pulsar das minhas veias

Na experiência com os hamsters, quatro nanogeradores foram presos às patas do animal, gerando 0,5 nanoampere. Como são minúsculos, os pesquisadores afirmam que milhares deles poderão ser entretecidos em luvas e em roupas, gerando energia suficiente para recarregar as baterias de telefones celulares, tocadores de MP3 e outros aparelhos portáteis.

Até mesmo o pulsar das veias poderá ser utilizado para gerar energia e abastecer nanodispositivos e sensores médicos, destinados a monitorar sinais vitais, como os batimentos cardíacos e a pressão sanguínea, enviando os resultados continuamente para um monitor remoto.

Bibliografia:
Converting Biomechanical Energy into Electricity by a Muscle-Movement-Driven Nanogenerator
Rusen Yang, Yong Qin, Cheng Li, Guang Zhu, Zhong Lin Wang
Nano Letters
February 9, 2009
Vol.: ASAP Article
DOI: 10.1021/nl803904b

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=energia-biomecanica-eletricidade-nanogerador&id=010115090303

Progresso nos tecidos artificiais para transplantes: DNA com nanotubos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 08/06/2009

Se as doações de órgãos são um problema eterno para a medicina e para quem precisa deles, a doação de pele é ainda mais problemática. Necessária principalmente para cirurgias em pessoas vítimas de queimaduras, mas também em cirurgias plásticas, é virtualmente impossível conseguir doações nos momentos e nas quantidades necessárias.

É por isto que os pesquisadores trabalham tão arduamente no desenvolvimento de técnicas que permitam a cultura em laboratório ou o desenvolvimento de peles artificiais. Não é uma tarefa fácil: os tecidos humanos possuem uma combinação única de resistência, suavidade e flexibilidade.

Fitas de DNA com nanotubos de carbono

Agora, uma equipe de cientistas australianos e coreanos deu mais um passo para que a ciência vença o desafio de produzir tecidos artificiais que sejam compatíveis com o organismo humano. E, embora a pesquisa visasse o desenvolvimento de peles artificiais, o material resultante poderá ser útil para a fabricação de outros tipos de tecidos biocompatíveis.

O grupo dos professores Geoffrey M. Spinks e Seon Jeong Kim criou um novo material esponjoso, altamente poroso, cujas propriedades mecânicas assemelham-se muito com a suavidade dos tecidos biológicos. O novo geral é formado por uma rede robusta de fitas de DNA e de nanotubos de carbono.

Andaime biológico

Os tecidos moles do corpo humano, como os tendões, músculos, artérias, pele e outros órgãos, obtêm seu suporte mecânico de uma matriz extracelular, uma rede de nanofibras formadas por proteínas. Proteínas com diferentes morfologias geram tecidos com diferentes "durezas".

O que os pesquisadores descobriram foi uma técnica para produzir uma matriz de suporte artificial que imita o trabalho feito pelas proteínas, uma espécie de "andaime" onde as células dos tecidos poderão crescer.

O novo material usa fitas de DNA para envolver e "amarrar" nanotubos de carbono, formando um gel. Os nanotubos de carbono são tubos ocos de carbono com apenas alguns átomos de espessura, mas com uma resistência mecânica superior à do aço.

Imitando a estrutura protéica natural

O processo de entrelaçamento entre as fitas de DNA e os nanotubos de carbono acontece na presença de um líquido iônico.

A solução resultante pode ser aspergida sobre uma superfície, como se fosse um spray. Quando seca, o material forma uma estrutura altamente porosa, constituída por uma rede de nanofibras interconectadas com apenas 50 nanômetros de largura. Ao ser mergulhado em uma solução de cloreto de cálcio, as fitas de DNA se entrecruzam, tornando as nanofibras mais densas e mais fortemente conectadas.

Está pronto o material sintético que imita a estrutura protéica natural, elástico e resistente como os tecidos biológicos. Agora ele poderá ser utilizado para a cultura de células, que se desenvolverão no interior de suas estruturas microscópicas.

Sensor cardíaco

A pesquisa prosseguirá, com testes sobre a biocompatibilidade e a análise da toxicidade do material, sobretudo pela presença dos nanotubos de carbono em sua composição.

Mas o material já está chamando a atenção para outras utilizações. Uma propriedade inesperada, apresentada por este "andaime celular", é que ele é um bom condutor elétrico.

Além da fabricação de eletrodos para atuadores mecânicos, os cientistas afirmam que é possível utilizá-lo para fabricar sistemas de armazenamento de energia, novos tipos de baterias e até sensores para uso no interior do corpo humano.

Os testes demonstraram que o novo material funciona como um sensor de peróxido de hidrogênio, um composto químico importante para o desempenho dos músculos do coração e que está associado a diversas doenças cardíacas. Um sensor robusto, e com elasticidade semelhante à do próprio músculo cardíaco, será de grande valia para novas pesquisas nesta área.

Bibliografia:
Tough Supersoft Sponge Fibers with Tunable Stiffness from a DNA Self-Assembly Technique
Chang Kee Lee, Su Ryon Shin, Ji Young Mun, Sung-Sik Han, Insuk So, Ju-Hong Jeon, Tong Mook Kang, Sun I. Kim, Philip G Whitten, Gordon G. Wallace, Geoffrey M. Spinks, Seon Jeong Kim
Angewandte Chemie International Edition
Vol.: Articles online in advance of print
DOI: 10.1002/anie.200804788

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=tecidos-artificiais-transplantes-dna-nanotubos&id=010160090608

Biochip detecta infecção de vírus em cinco minutos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 08/06/2009

Uma espécie de laboratório clínico do tamanho de um chip de computador é capaz de detectar em cinco minutos se uma pessoa está ou não infectada com um vírus. O aparelho tem precisão para detectar um único vírus.[Imagem: UTwente]

Pesquisadores da Universidade de Twente, na Holanda, desenvolveram um biochip, uma espécie de laboratório clínico do tamanho de um chip de computador, que é capaz de detectar em cinco minutos se uma pessoa está ou não infectada com um vírus.

O aparelho é também capaz de detectar infecções com bactérias específicas, além de identificar proteínas e moléculas de DNA. Em várias doenças, a análise de marcadores específicos presentes na saliva pode determinar se uma pessoa está doente ou não.

Detecção do vírus A H1N1 em 5 minutos

Tudo o que é necessário para o funcionamento do biochip é uma amostra de saliva, sangue ou outro fluido corporal, dependendo do tipo de análise a ser feita, e um receptor, uma substância que se liga a um microorganismo específico ou a uma substância biológica.

Por exemplo, no caso de um vírus, um anticorpo específico para aquele tipo de vírus serve como receptor. Os pesquisadores afirmam que, se já dispusessem de um anticorpo específico para a gripe A H1N1, eles poderiam verificar se uma pessoa está infectada ou não com o novo vírus em apenas cinco minutos.

Os pesquisadores criaram uma empresa, chamada Ostendum, para comercializar o novo aparelho. O primeiro protótipo já está pronto e a intenção é de que o novo aparelho possa ser comercializado ainda em 2010.

Detectando um único vírus

O aparelho completo consiste de duas partes: o biochip propriamente dito e um detector portátil. O chip contém canais microscópicos que são recobertos com os receptores dos microorganismos específicos que se planeja detectar.

A amostra de sangue ou saliva é injetada no interior dos microcanais por meio de um sistema de fluidos. Para saber se algum microorganismo ligou-se aos receptores, a luz de um laser miniaturizado é injetada nos microcanais. A conexão entre microorganismo e receptor produz um padrão de interferência na luz do laser, que pode ser detectada por um sensor.

Outro elemento destacado pelos pesquisadores é a altíssima sensibilidade do novo biochip: segundo eles, o equipamento é capaz de detectar a ligação de uma única partícula de vírus.

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=biochip-detecta-infeccao-virus-cinco-minutos&id=010110090608