Células e Transistores
A história dos Transistores e Células
O transistor mudou o curso da história eletrônica. Milhões deles são usados em processadores de computador e fazem parte de todos os circuitos eletrônicos que conhecemos. Foi inventado em 1948 por John Bardeen e Walter Brattain trabalhando no laboratório de William Shockley na Bell Telephone Company em Nova Jersey, EUA, os três foram agraciados com o Prêmio Nobel de Física em 1956. Enojados com Shockley, Brattain e Bardeen se separaram de seu chefe. Brattain mudou-se para outra unidade da empresa e se aposentou em 1967. Shockley continuou o desenvolvimento e comercialização do transistor, alimentando o empreendedorismo do Vale do Silício .Da Califórnia. Ele também era um conhecido defensor da eugenia. Em 1972, Bardeen ganhou o segundo Prêmio Nobel de Física por seu trabalho sobre supercondutividade de baixa temperatura, juntando-se a Marie Curie e Frederick Sanger no trio de vencedores de dois prêmios Nobel em ciência. Bardeen morreu em 1991.
O transistor é um dispositivo formado por um material semicondutor (germânio, silício) com adição de impurezas e que, dependendo das condições, conduz ou isola a corrente elétrica; Desta combinação de transmissor e resistência veio seu nome 1 . Apelamos à paciência do leitor para que siga uma breve explicação do seu funcionamento; Será necessário para o tema que apresentamos nesta nota.
O transistor tem três terminais, o coletor, o emissor e a base ( Figura ). Quando o transistor está conectado em um circuito elétrico, as características da base (ou porta em outros tipos de transistores) causam pequenas mudanças na corrente ou tensão que passa por ela para se manifestar em grandes mudanças entre os outros dois, por isso é usado como chave (não deixa passar a corrente entre o emissor e o coletor) ou como amplificador, aumentando o fluxo elétrico entre esses dois terminais ( Figura). É por causa desta amplificação de estado sólido que substituiu os antigos tubos de vácuo. É importante lembrar então que a base influencia o fluxo elétrico entre os outros dois terminais. Até agora nossa explicação.
Figura .- Esquerda: Diagrama básico de um transistor tipo NPN com os três terminais (Inset), o coletor (C), o emissor (E) e a base (B). O tamanho das setas indica que pequenas mudanças na corrente (I) na base se manifestam em grandes mudanças entre o emissor e o coletor. O mesmo esquema é observado à direita da figura. Direita: Esquema sem escala com uma célula em contato com um transistor. Um receptor de serotonina (5-HT3A) foi desenhado na membrana celular com as cinco subunidades que formam o poro central que permite a passagem dos íons K + e cada um deles com quatro segmentos transmembranares e o domínio extracelular para ligação com a serotonina. A corrente iônica total transportada pelo K +Através do poro de múltiplos receptores 5-HT3A localizados na membrana celular, modifica a voltagem de um dos terminais do transistor equivalente à base e, através dele, a circulação elétrica entre os outros dois terminais.
Passemos agora ao trabalho de pesquisadores do Instituto Max Planck, na Alemanha, que realizaram experimentos com células semeadas em uma camada de transistores FET (transistores de efeito de campo) 2 . Em vez de semear as células em um meio de cultura, eles o fazem em um substrato eletrônico, uma “almofada” de minúsculos transistores de alguns mícrons de comprimento 3 . Nestas condições, as células são separadas dos transistores por um intervalo de 20-40 nm que é preenchido com uma solução salina condutora. A ideia é que a atividade elétrica pela membrana celular modifique a base do transistor e por esse efeito que as correntes sejam amplificadas e registradas.
Nesses experimentos, são utilizadas células HEK de origem renal ( Human Embryonic Kidney Cells ), que são transfectadas com receptores para serotonina do tipo 5-HT3A e para as quais introduzem o DNA exógeno correspondente a esse receptor dentro das células HEK. O receptor 5-HT3A é um canal de K+ de alta condutância e isso facilita tanto a influência no transistor quanto a gravação, pois as células naturalmente possuem um baixo número de canais e receptores em suas membranas celulares e os experimentos exigem uma mudança elétrica significativa nas células. O receptor pertence à família cys com membros como receptores nicotínicos, GABAA e glicina 4, 5 .. As cinco subunidades que o compõem formam o poro central e cada uma delas possui quatro segmentos transmembranares e um domínio extracelular para ligação com a serotonina ( Figura ). Uma vez que o neurotransmissor se liga ao receptor, o poro central se abre e uma corrente transportada por íons K + é gerada e a corrente iônica total gerada em todos os receptores ativados modifica a tensão na base e através dela a corrente eletrônica entre os outros dois terminais.
A constatação desses pesquisadores é que, além de registrar as correntes iônicas nas células de forma convencional, eles mediram o efeito das correntes iônicas celulares no funcionamento do transistor. A corrente gerada pela ativação dos receptores 5-HT3A modifica um dos terminais do transistor equivalente à base e através dele aumenta a circulação elétrica entre os outros dois terminais. Nos transistores do tipo FET, os terminais são a porta, a fonte e o dreno, equivalentes à base, emissor e coletor dos transistores do tipo NPN descritos acima. Eles também puderam verificar que os registros elétricos nas células e no transistor são muito semelhantes, a sorte ajuda em tudo e os pesquisadores alemães tiveram a cota que facilitou muito seu projeto. Por razões desconhecidas, mas extremamente importantes, os canais iônicos que são expressos nessas células se acumulam na área da célula que o transistor contata e, dessa forma, grande parte da atividade elétrica celular é resumida nessa área. . Este fato surpreendente emula os exemplos naturais de agregação de canais de Na + nos nódulos de Ranvier e de receptores nicotínicos na zona da placa muscular.
Tudo isso soa desconectado da medicina? Não. Esses dispositivos ionoeletrônicos são uma interface que liga o circuito eletrônico com a atividade elétrica celular, no nosso caso a ativação de receptores de serotonina. Seu uso substituiria a técnica eletrofisiológica atual para o estudo de canais iônicos como fizemos até agora com microeletrodos que danificam a célula e Figura .- Esquerda: Diagrama básico de um transistor tipo NPN com os três terminais (Inset), o coletor (C), o emissor (E) e a base (B). O tamanho das setas indica que pequenas mudanças na corrente (I) na base se manifestam em grandes mudanças entre o emissor e o coletor. O mesmo esquema é observado à direita dofigura . Direita: Esquema sem escala com uma célula em contato com um transistor. Um receptor de serotonina (5-HT3A) foi desenhado na membrana celular com as cinco subunidades que formam o poro central que permite a passagem dos íons K + e cada um deles com quatro segmentos transmembranares e o domínio extracelular para ligação com a serotonina. A corrente iônica total transportada pelo K + através do poro de múltiplos receptores 5-HT3A localizados na membrana celular modifica a voltagem de um dos terminais do transistor equivalente à base e, através dele, a circulação elétrica entre os outros dois terminais.
A constatação desses pesquisadores é que, além de registrar as correntes iônicas nas células de forma convencional, eles mediram o efeito das correntes iônicas celulares no funcionamento do transistor. A corrente gerada pela ativação dos receptores 5-HT3A modifica um dos terminais do transistor equivalente à base e através dele aumenta a circulação elétrica entre os outros dois terminais. Nos transistores do tipo FET, os terminais são a porta, a fonte e o dreno, equivalentes à base, emissor e coletor dos transistores do tipo NPN descritos acima. Eles também puderam verificar que os registros elétricos nas células e no transistor são muito semelhantes. A sorte ajuda em tudo e os pesquisadores alemães tiveram a cota que facilitou muito seu projeto. Por razões desconhecidas, mas extremamente importantes, os canais iônicos que são expressos nessas células se acumulam na área da célula que o transistor contata e, dessa forma, grande parte da atividade elétrica celular é resumida nessa área. . Este fato surpreendente emula os exemplos naturais de agregação de canais de Na + nos nódulos de Ranvier e de receptores nicotínicos na zona da placa muscular.
Há mais desses experimentos. Por exemplo, associar um circuito eletrônico a uma célula cujo potencial de membrana é a fonte de corrente elétrica necessária ao circuito ou biossensores em que o material biológico é o elemento de reconhecimento, uma macromolécula (enzimas, anticorpos), camadas bilípides, células, organismos e tecidos 6, 7 . Existem também sensores que respondem à luz usando bactérias incorporadas em semicondutores. Quando a clorofila contida nas células é estimulada pela luz, a molécula do pigmento é ionizada e emite um elétron, e é isso que é necessário para ativar o transistor 8 . A corrente elétrica é um fluxo de elétrons. Várias revistas como Biosensors e Bioeletrônica e Sensores e Atuadores dedicam-se à publicação de artigos nesta área. Aqui o surpreendente é que muitos desses dispositivos não são circuitos eletrônicos que medem ou captam um fenômeno fisiológico como no ECG ou EEG, neles o componente biológico faz parte do sistema, uma simbiose de objetos animados e inanimados. Quase ficção científica.
