乔治亚电子设计中心系列研讨会

细胞间通讯:它能被电磁学介导吗?

密歇根大学辐射实验室电子和计算机工程教授Kamal Sarabandi

摘要:一个器官或一个单细胞生物群落中的一组细胞,如果不能够交流就不能发挥作用。它们的正常功能甚至生存依赖于它们与外界环境和相互作用的能力。生物细胞间普遍接受的通讯机制被称为群体感应(QS),一种细胞释放化学分子(自动诱导剂)到周围环境中的通讯过程,这些分子可以通过扩散过程进行繁殖,并被相邻细胞接收。然而,这种通讯方式是缓慢的,因为它依赖于分子在周围介质中的扩散。此外,据估计,单个电池需要相对较大的能量(~mJ/mL))来进行这些过程。或者,如果电池装有无线电收发机,则可以通过电磁波建立通信链路。为了检验这种假设,我们把研究重点放在某些细菌生物膜上,并假设了这种生物无线电的运作机制。提出了基于机械天线的蜂窝结构和生物膜中的嵌入式无线电的工作原理。某些细菌细胞在其生物膜中装备有一种叫做淀粉样纤维的弹性螺旋纤维,带有一个内置的永久电偶极子。通过代谢活动和释放累积的应力,细胞的机械运动转化为带电淀粉样纤维的振荡运动。这些纤维的加速电荷以取决于纤维不同振动模式的频率发射电磁波,这些振动模式可能包括以下一种或多种:1)悬臂梁模式,2)纵向弹簧振动模式,以及3)横向弹簧模式。建立了一个基于机电耦合系统的多物理理论模型来解释电磁通信的工作原理。利用通信信道理论,证明了与QS相比,EM信令可以提供更高的数据速率(5到7个数量级)和更长的范围。在理论模型的指导下,开发了新的测量仪器,以探索在受控环境中生长的细菌生物膜产生的电磁辐射。这些灵敏的测量系统加上适当的信号处理工具,能够在存在噪声的情况下检测到极微弱的信号。特别地,宽带近区辐射系统被设计成在1-50ghz范围内以发现模式工作。设计并制作了近场螺旋天线系统和再生式射频传感系统,以实现更精确的测量。我们首次能够在3-4ghz的频率范围内连续不断地识别金黄色葡萄球菌生物膜的电磁辐射。在70天的实验过程中,进行了实验以确定发射信号的长期和短期周期。本讲座将介绍实验技术和实验结果。

生物:Kamal Sarabandi是Fawwaz T.Ulaby大学杰出的EECS教授和Rufus S.Teesdale在密歇根大学的工程教授。他的研究领域包括微波和毫米波雷达遥感、超材料、电磁波传播、天线小型化和生物电磁学。萨拉班迪教授管理着64名博士和众多的硕士生和博士后研究员。他出版了一本教科书,许多书的章节,325多篇论文在被引用的期刊上,以及770多篇会议论文。他在电磁学领域的贡献得到了许多奖项的认可,包括洪堡研究奖、IEEE GRSS杰出成就奖、IEEE Judith A.Resnik奖章、IEEE GRSS教育奖、NASA团体成就奖以及密歇根大学的许多其他奖项。他是IEEE会员,美国科学促进会(AAAS)会员,美国发明家学会会员。萨拉班迪教授是美国国家工程院院士。

研讨会后提供披萨和饮料