Under de senaste fem åren, Kemisten Bozhi Tian från University of Chicago har funderat på hur man styr biologin med ljus.

Ett långsiktigt vetenskapligt mål är att enheter ska fungera som gränssnittet mellan forskare och kropp – både som ett sätt att förstå hur celler pratar med varandra och inom sig själva, och slutligen, som en behandling för störningar i hjärnan eller nervsystemet genom att stimulera nerver att elda eller lemmar att röra sig. Silicon - en mångsidig, biokompatibelt material som används i både solpaneler och kirurgiska implantat – är ett naturligt val.

I en tidning publicerad 30 april i Nature Biomedicinsk teknik , Tians team lade fram ett system med designprinciper för att arbeta med kisel för att kontrollera biologin på tre nivåer – från enskilda organeller inuti celler till vävnader till hela lemmar. Gruppen har visat var och en i celler eller mössmodeller, inklusive första gången någon har använt ljus för att kontrollera beteendet utan genetisk modifiering.

"Vi vill att det här ska fungera som en karta, där du kan bestämma vilket problem du vill studera och omedelbart hitta rätt material och metod för att lösa det, sa Tian, en biträdande professor vid Institutionen för kemi.

Forskarnas karta visar de bästa metoderna för att tillverka kiselenheter beroende på både den avsedda uppgiften och skalan – allt från inuti en cell till ett helt djur.

Till exempel, påverka enskilda hjärnceller, kisel kan tillverkas för att svara på ljus genom att avge en liten jonström, som uppmuntrar nervceller att elda. Men för att stimulera lemmar, forskare behöver ett system vars signaler kan färdas längre och är starkare - som ett guldbelagt kiselmaterial där ljus utlöser en kemisk reaktion.

Implantatets mekaniska egenskaper är viktiga, för. Säg att forskare skulle vilja arbeta med en större del av hjärnan, som cortex, för att kontrollera motorrörelser. Hjärnan är en mjuk, squishy substans, så de behöver ett material som är lika mjukt och flexibelt, men kan binda tätt mot ytan. De skulle vilja ha tunn och spetsig kisel, säg designprinciperna.

Teamet föredrar den här metoden eftersom den inte kräver genetisk modifiering eller en strömförsörjning inkopplad, eftersom kislet kan formas till vad som i huvudsak är små solpaneler. (Många andra former av övervakning eller interaktion med hjärnan behöver ha en strömförsörjning, och att hålla en tråd löpande in i en patient är en infektionsrisk.)

De testade konceptet i möss och fann att de kunde stimulera lemrörelser genom att lysa ljus på hjärnimplantat. Tidigare forskning testade konceptet i neuroner.

"Vi har inga svar på ett antal inneboende frågor om biologi, såsom om enskilda mitokondrier kommunicerar på distans genom bioelektriska signaler, sa Yuanwen Jiang, den första författaren på tidningen, sedan doktorand vid UChicago och nu postdoktor vid Stanford. "Denna uppsättning verktyg kan ta itu med sådana frågor samt peka på vägen till potentiella lösningar för störningar i nervsystemet."