Desain sensor baru yang dikembangkan ilmuwan Massachusetts Institute of Technology (MIT) ini telah dilengkapi dengan bakteri yang diprogram untuk merasakan kondisi lingkungan dan menyampaikan informasi ke sirkuit elektronik. Sensor ingestible ini dilengkapi dengan bakteri rekayasa genetika yang dapat mendiagnosis perdarahan di perut atau masalah pencernaan lainnya.
Pendekatan "bakteri-on-a-chip" yang dilakukan para ilmuwan di Massachusetts Institute of Technology ini adalah dengan menggabungkan sensor yang dibuat dari sel-sel hidup dengan elektronik ultra-daya rendah yang mengubah respons bakteri menjadi sinyal nirkabel yang dapat dibaca oleh smartphone.
"Dengan menggabungkan sensor biologis yang direkayasa bersama dengan elektronik nirkabel daya rendah, kita dapat mendeteksi sinyal biologis dalam tubuh dan ini mendekati real-time dan sangat memungkinkan kemampuan diagnostik baru untuk aplikasi kesehatan manusia," kata Timothy Lu, seorang profesor MIT dari teknik elektro dan ilmu komputer dan teknik biologi.
Dalam studi baru yang muncul secara online pada Science, para peneliti menciptakan sensor yang merespon heme, yakni komponen darah, dan menunjukkan bahwa teknologi ini bekerja di babi. Mereka juga mendesain sensor yang dapat merespon molekul yang merupakan penanda peradangan.
Lu dan Anantha Chandrakasan, dekan MIT School of Engineering dan Vannevar Bush Professor Teknik Elektro dan Ilmu Komputer, adalah penulis senior studi ini. Penulis utama adalah mahasiswa pascasarjana Mark Mimee dan mantan MIT postdoc, Phillip Nadeau. Komunikasi nirkabel Dalam dekade terakhir, ahli biologi sintetis telah membuat langkah besar dalam rekayasa bakteri untuk menanggapi pencemar lingkungan atau penanda penyakit.
Bakteri ini dapat dirancang untuk menghasilkan output seperti cahaya ketika mereka mendeteksi stimulus target, tetapi peralatan laboratorium khusus biasanya diperlukan untuk mengukur respons ini. Untuk membuat bakteri ini lebih berguna untuk aplikasi dunia nyata, tim MIT memutuskan untuk menggabungkan mereka dengan chip elektronik yang dapat menerjemahkan respons bakteri menjadi sinyal nirkabel.
"Ide kami adalah untuk mengemas sel bakteri di dalam perangkat," kata Nadeau. "Sel-sel akan terperangkap dan pergi bersama untuk perjalanan saat perangkat melewati perut," tambah Nadeau. Untuk demonstrasi awal mereka, para peneliti fokus pada pendarahan di saluran pencernaan. Mereka merekayasa strain probiotik E. coli untuk mengekspresikan rangkaian genetik yang menyebabkan bakteri memancarkan cahaya ketika mereka bertemu heme.
Mereka menempatkan bakteri ke dalam empat "sumur" pada sensor yang dirancang khusus, ditutupi oleh membran semipermeabel yang memungkinkan molekul kecil dari lingkungan sekitarnya menyebar melaluinya. Di bawah masing-masing sumur adalah fototransistor yang dapat mengukur jumlah cahaya yang dihasilkan oleh sel bakteri dan menyampaikan informasi ke mikroprosesor yang mengirim sinyal nirkabel ke komputer atau smartphone terdekat.
Para peneliti juga membangun sebuah aplikasi Android yang dapat digunakan untuk menganalisis data. Sensor ini merupakan sebuah silinder sepanjang 1,5 inci, membutuhkan sekitar 13 microwatt daya. Para peneliti melengkapi sensor dengan baterai 2,7 volt, yang diperkirakan dapat mengasup daya perangkat selama sekitar 1,5 bulan penggunaan secara terus-menerus.
Mereka mengatakan daya juga dapat didukung oleh sel volta yang ditopang oleh cairan asam di lambung, yakni dengan menggunakan teknologi yang dikembangkan Nadeau dan Chandrakasan sebelumnya. "Fokus dari pekerjaan ini adalah pada desain sistem dan integrasi untuk menggabungkan kekuatan penginderaan bakteri dengan sirkuit ultra-daya rendah untuk mewujudkan aplikasi penginderaan kesehatan yang penting," kata Chandrakasan.
Mendiagnosis penyakit
Para peneliti menguji sensor ingestible pada babi dan menunjukkan bahwa ia dapat menentukan dengan tepat apakah ada darah di lambung. Mereka mengantisipasi bahwa jenis sensor ini dapat dikerahkan untuk penggunaan satu kali atau dirancang untuk menetap di saluran pencernaan selama beberapa hari atau minggu dan terus menerus mengirim sinyal.
Saat ini, jika pasien diduga pendarahan dari ulkus lambung, mereka harus menjalani endoskopi untuk mendiagnosis masalah dan pasien harus menjalani prosedur pembiusan untuk itu. "Tujuannya dengan sensor ini adalah bahwa Anda akan dapat menghindari prosedur yang tidak perlu dengan hanya menelan kapsul, dan dalam waktu yang relatif singkat Anda akan tahu apakah ada peristiwa perdarahan atau tidak," kata Mimee.
Untuk membantu memindahkan teknologi ke arah penggunaan pasien, para peneliti berencana untuk mengurangi ukuran sensor dan untuk mempelajari berapa lama sel bakteri dapat bertahan hidup di saluran pencernaan. Mereka juga berharap untuk mengembangkan sensor untuk kondisi gastrointestinal selain pendarahan.
nik/berbagai sumber/E-6
