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A Model of a Synthetic Biological Communication Interface between Mammalian Cells and Mechatronic Systems

机译:哺乳动物细胞与机电系统之间的合成生物通信接口模型

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摘要

The creation of communication interfaces between abiotic and biotic systems represents a significant research challenge. In this work, we design and model a system linking the biochemical signaling pathways of mammalian cells to the actions of a mobile robotic prosthesis. We envision this system as a robotic platform carrying an optically monitored bioreactor that harbors mammalian cells. The cellular, optical signal is captured by an onboard fluorescent microscope and converted into an electronic signal. We first present a design for the overall cell-robot system, with a specific focus on the design of the synthetic gene networks needed for the system. We use these synthetic networks to encode motion commands within the cell's endogenous, oscillatory calcium signaling pathways. We then describe a potential system whereby this oscillatory signal could be outputted and monitored as a change in cellular fluorescence. Next, we use the changes resulting from the synthetic biological modifications as new parameters in a simulation of a well-established mathematical model for intracellular calcium signaling. The resulting signal is processed in the frequency domain, with specific frequencies activating cognate robot motion subroutines.
机译:非生物和生物系统之间的通信接口的创建代表了重大的研究挑战。在这项工作中,我们设计和建模了一个系统,该系统将哺乳动物细胞的生化信号通路与移动机器人假体的动作联系起来。我们将这个系统设想为一个带有光学监控的生物反应器的机器人平台,该反应器具有哺乳动物细胞。机载荧光显微镜捕获细胞的光学信号,并将其转换为电子信号。我们首先介绍整个细胞机器人系统的设计,特别着重于系统所需的合成基因网络的设计。我们使用这些合成网络来编码细胞内源性,振荡性钙信号通路中的运动命令。然后,我们描述了一个潜在的系统,由此该振荡信号可以作为细胞荧光的变化进行输出和监视。接下来,我们使用由合成生物学修饰产生的变化作为新参数,以模拟完善的细胞内钙信号传导数学模型。生成的信号在频域中进行处理,并使用特定的频率激活相关的机器人运动子例程。

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  • 来源
    《NanoBioscience, IEEE Transactions on》 |2016年第8期|864-870|共7页
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  • 原文格式 PDF
  • 正文语种 eng
  • 中图分类
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  • 入库时间 2022-08-17 14:10:03

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