Genetiği değiştirilmiş bakterilerle kablosuz beden içi algılama ve uyarım

Bu tez, genetiği değiştirilmiş bakterileri mikrodalga rezonatörlerle entegre eden, tamamen pasif ve kablosuz çalışan yeni bir biyo-hibrit implant sınıfı sunmaktadır. Sistem, beden içerisinde moleküler düzeyde algılama ve kablosuz kontrol imkânı sağlamaktadır. Sentetik biyoloji, hücreleri belirli molekülleri algılayacak şekilde yeniden programlamaya olanak verse de, uygun kablosuz iletişim mekanizmalarının eksikliği bu sensörlerin in vivo kullanımını sınırlamaktadır. Hücrelerle doğrudan elektromanyetik etkileşim sağlamak, biyolojik dokularda şiddetle zayıflayan THz frekanslarını gerektirir. Bu sınırlamayı aşmak için bu çalışmada, genetiği değiştirilmiş bakteri biyobozunur pasif bir antenle birleştirilmiş ve bakterilerin tepkisi antenin bozunma hızını değiştirecek şekilde tasarlanmıştır. Antenin bozunma hızının modüle edilmesiyle antenin rezonans frekansı değişmekte, bu değişim gerisaçılım (backscatter) yöntemiyle kablosuz olarak izlenmektedir. Bu yaklaşımla bataryasız ve elektronik komponent içermeyen implantlarla beden-içi gerçek zamanlı moleküler algılamanın mümkün olduğu gösterilmiştir. Ayrıca bu tezde, mikrodalga hipertermi kullanılarak genetiği değiştirilmiş bakterilerin kablosuz termal uyarımına yönelik bir yöntem geliştirilmiştir. Beden yüzeyine yerleştirilen bir anten, implant rezonatörde lokal sıcaklık artışı oluştururken çevre dokunun sıcaklığını 43°C eşiğinin altında tutmaktadır. Multifizik benzetimler, sistemin 1 W güç altında 5 dakikada 6°C'den fazla sıcaklık artışı sağladığını göstermiştir. Bu düzeydeki sıcaklık artışı, ısı ile uyarılabilir genetik devreleri aktive ederek protein üretimini tetiklemektedir. Bu çalışma, pasif ve hücre tabanlı bir implant ile beden-üstü okuyucu arasında kablosuz bağlantı kurulan ilk örneği temsil etmekte ve pil ya da devre gerektirmeyen hücresel implantların geliştirilmesine temel oluşturmaktadır.