Биогибриды: киборги существуют!

Киборги — это уже не фантастика, а реальность. Indicator.Ru рассказывает о скатах из крысиных сердец со «зрением» хламидомонады, микрочипе для искусственной почки, роботе с мышцами морского слизняка и других биогибридных технологиях, которые могут изменить нашу будущую жизнь.

Кибермозг не за горами, а за полианилиновыми слоями

Масштабная задача создания гибридной системы, которая может соединить живые клетки (например, сеть нейронов нашего мозга) и электронные приборы, стояла перед нейробиологами на протяжении многих лет. Ответ мог бы решить не одну проблему в нейронауках, помочь реабилитации после лечения заболеваний нервной системы и пониманию когнитивных процессов.

Итальянские физики, химики, биохимики и молекулярные биологи объединились, чтобы создать устройство, соединяющее мозг человека с электроникой. Работа ученых вышла сегодня в журнале AIP Advances. Уточнив, как соединяются друг с другом нейроны, ученые придумали Memory Resister, или memrister (в переводе — «резистор памяти», по аналогии с прибором резистором). Это устройство может переключать свое сопротивление в зависимости от величины посланных ему прежде электрических зарядов. Комбинируя мемристоры, можно создавать систему, которая похожа на биологическую нейронную сеть (принцип ее действия мы описали в начале статьи «Поймать двух зайцев нейросетью»), где связи между элементами имеют свой «вес», приближающий или отдаляющий их друг от друга, формируя адаптивный, самообучающийся механизм.

Для экспериментов ученые использовали линию клеток человеческой нейробластомы SH-SY5Y, с которыми этот полимер не только оказался биосовместим, но и помог им дифференцироваться в нечто более близкое к нормальным нейронам.

По мнению авторов исследования, доступного онлайн, слои органического полимера, например полианилина, могут работать полупроводниками в такой системе, позволяя напрямую работать с биологическими материалами и сочетать их с электроникой, чтобы сделать переход от электронного устройства к нейрону насколько возможно гладким и незаметным. Ученые готовы подтвердить свой концепт, собрав подобное устройство.

Мечтают ли нефрологи об электропочках

Нейроны не единственные клетки, которые ученые пытаются соединить с электронными устройствами. Помимо различных биотехнологических решений вроде бактерий, которые должны вырабатывать энергию (например, в процессе искусственного фотосинтеза), ученые работают и над созданием искусственных органов. Так, в феврале этого года нефрологи из Университета Вандербильта в Нэшвилле (штат Теннесси) представили искусственную почку.

Этот прибор, призванный справиться с диализом, выглядит как миниатюрная оконная рама и уменьшается на четверти ладони. В него встроены 15 микрочипов, стоящих стопками друг на друге. Каждый микрочип — это мини-фильтр, который аккуратно настроен и имеет индивидуальный режим работы, чтобы вместе они могли заменить настоящую почку. Кроме них, прибор содержит живые клетки, взятые у самого пациента, размноженные в лаборатории и способные впитывать полезные отфильтрованные вещества, как это делают почки.

Исследователям во главе с доктором Уильямом Х. Фисселлом IV, нефрологом из Медицинского центра Университета Вандербильта, еще только предстоит понять, как биогибридному прибору справиться со скачкообразной нестабильностью потока клеток крови, которые нужно отфильтровывать, но не повреждать. Однако ученые надеются протестировать свою разработку на пациентах уже в конце 2017 года, восхищаясь смелостью и упорством желающих проверить ее действие на себе.

Ротоногий слизень-черепашка

Еще один интересный пример биогибридной разработки, словно живой (живой ли?) антоним выражения «в рот мне ноги», состоит из полимерного материала, напечатанного на 3D-принтере, и приводится в движение мышцами ротового отверстия морского слизня (Aplysia californica), называемого также морским зайцем.

Созданный учеными из Западного резервного университета Кейза в Кливленде миниатюрный биогибрид, ползающий, как маленькая черепашка, пока управляется только электрическим полем, но исследователи уже разрабатывают коллагеновые покровы для следующих модификаций и планируют снабдить их нервными узлами, тоже добытыми из аплизии.

Мускулы морского слизня были выбраны для этой цели из-за высокой адаптивности животного: населяя обширные области Тихого океана от мелководья до глубин, аплизия справляется и с различным давлением, и соленостью, и с волнами, и с изменениями среды обитания из-за приливов и отливов. Мускул I2 из ротовой полости слизня, по словам ученых, идеально отвечает их требованиям к структуре и размеру «двигателя» для их изобретения.

«Мы хотим, чтобы робот не был чужеродным объектом для окружающей среды, — говорит Виктория Вебстер, кандидат наук и ведущий автор разработки, представившая ее на конференции по созданию "живых машин" в Эдинбурге. — Одной из проблем современной робототехники является жесткость приводов, особенно у миниатюрных механизмов».

Эти биогибриды планируется применять для обследования морского дна, нахождения черных ящиков затонувших судов и самолетов и источника утечек вредных химических веществ. Если получится заменить большинство деталей клетками, можно будет не беспокоиться о загрязнении окружающей среды в случае поломки одного из механизмов и не искать его.

Плывущие на свет биоботы и золотой скат с обложки

Впечатляющие возможности для создания биогибридов предоставляет оптогенетика — метод, при котором в клетки вставляют гены некоторых опсинов — мембранных белков, меняющих свою форму в зависимости от освещения. «Родственники» таких опсинов находятся в нашем глазу и позволяют нам видеть. Если же их вставить в мышечные или нервные клетки, то в зависимости от света можно управлять их импульсами, приводя в движение мышцы или влияя на воспоминания. Меняя свою форму, белки, являющиеся каналами в мембране клеток, пропускают ионы калия и натрия, создавая разность потенциалов, которая и порождает электрохимическую активацию клеток нервов и мышц.

Эта технология вдохновила и создателей биогибридов: появились устройства, приводимые в движение светом. В марте этого года в журнале PNAS вышла статья о микроботах, в основе которых — кольцо модифицированных клеток мышиных мышц, имеющих белок, способный побуждать мышцу сокращаться, реагируя на синий свет определенной длины волны. Кольцо мышц натянуто на гибкий каркас, напечатанный на 3D-принтере, и при сокращении мышц каркас приходит в движение. Такие биоботы имеют маленький размер и по замыслу своих создателей будут работать в «стаях».

Ниже можно посмотреть видео, сделанное создателями микроботов.

Более сложным и изящным биороботом стал искусственный скат, над которым работали ученые из Гарварда, Стэнфорда и Университета Соган (Южная Корея). Мышцы ската собраны из выложенных «змейкой» клеток крысиного сердца, которые после оптогенетического стимула могут последовательно активировать друг друга. Полидиметилсилоксановые плавники, более тонкие к краю, позволяют скату имитировать движение своих реальных собратьев, а вместо второго слоя мышц для разгибания этих плавников служит золотой каркас. Каждый плавник действует независимо, реагируя на мигание лампочки разной частоты, что позволяет управлять скатом, чтобы он совершал сложные движения, огибая препятствия. Работа была опубликована в Science, а фото ската даже попало на обложку номера этого престижного научного журнала.

Такое внимание к пока, казалось бы, бесполезным прототипам, а также количество разработок в этой области за последнее время демонстрирует важность развития направления. Дальнейшие исследования помогут усовершенствовать эти биогибриды и создать новые, более практичные, чтобы мы наконец-то могли ощутить их пользу.