Ни жив ни мертв

Ученые полюбили делать биороботов

Pravdinal / Фотодом / Shutterstock

Человечество всегда мечтало о гомункулах, големах и прочих живых существах, рожденных из неживой материи. Раньше они обитали только на страницах книг, но теперь искусственные скаты, выращенные на клетках мышечной ткани, киборги-сперматазоиды и другие биороботы появляются в стенах лабораторий.

«Мы превратили крысу в управляемого светом ската. Черт возьми, все что нужно знать вашим читателям — что это самая крутая штука, которую они увидят в этому году», — говорит Кит Паркер (Kit Parker), биоинженер из Гарварда, работа которого в июле этого года украсила обложку Science. Своего биоробота ученые из семи американских институтов и правда сделали на основе клеток лабораторных крыс, но только не обычных, а генномодифицированных — их кардиомиоциты, как называют клетки мышечной ткани сердца, могут сокращаться под действием синего света.

Кардиомиоциты забирали у двухдневных эмбрионов грызунов и выращивали на полимерной подложке, которая помогала клеткам формировать в пространстве нужную структуру. Иначе они не могли бы согласованно сокращаться и приводить в движение биоробота. Поверх этой ткани прикрепили скелет из золотой проволоки, который играл роль мышц-антагонистов: сначала под действием света кардиомициты сжимались, а потом проволочный каркас постепенно разжимал всю структуру и искусственный скат плыл в воде.



Максимальная скорость перемещения киборга составляла около 9 метров в час, а управлять ею можно было изменяя частоту света. Кроме того, освещая правую или левую сторону ската неравномерно, им можно было даже поворачивать или огибать препятствия.

Паркер называет этого биоробота если еще не организмом, то уже вполне биологической формой жизни, способной реагировать на внешние раздражители. И как у любого уважающего себя создания у него есть своя среда обитания — водный раствор глюкозы, способный 6 недель поддерживать нехитрую жизнедеятельность кардиомиоцитов.

Правда за стенами лаборатории этих биороботов пока себе представить нельзя — если они не погибнут от голода или жестких внешних условий, то их съедят бактерии и грибы. Ведь никакой иммунной системы у новой жизнеподобной формы пока нет. Подобными же слабостями обладал и прошлый конструкт, созданный группой Кита Паркера — искусственный медузоид.



Этого биоробота тоже сделали на основе силиконовый матрицы, повторяющей форму живых медуз, и выращенных в ней кардиомиоцитов. Только эти клетки были взяты от обычных грызунов и на синий свет они никак не реагировали. Поэтому ученые управляли движением медузоида с помощью тока. Биоробота погружали в питательный раствор с примесью ионов магния, в котором под действием переменного внешнего электрического поля возбуждались ионные токи, заставлявшие кардиомиоциты сжиматься и разжиматься.

Движения медузоида часто получались рваными и хаотичными. Ученые искали оптимальные характеристики управляющего сигнала, способного заставить биться клетки киборга в унисон, пока не подобрали частоту электромагнитного поля в 1 Герц.

Эту повышенную чувствительность биоробота к внешним условиям авторы предлагают использовать для тестирования сердечных препаратов. Действия любого лекарства, предназначенное для настоящего сердца, по их замыслу должно быть особенно заметно на привередливом медузоиде, только стремящемся повторить принципы, по которому организована живая материя, шестеренки которой тысячелетиями подгонялись друг под друга.

Большой выбор комплектующих

Еще один красивый эксперимент в 2013 году поставили ученые из Университета Иллинойса. Как будто вдохновившись средневековыми алхимиками, учившими выращивать маленьких человечков — гомункулов на сперме и навозе, они попытались сделать биоробота-сперматозоида, плавающего за счет волнообразных движений жгутиком.

Для этого они покрыли трехмерную силиконовую подложку белком фибронектином, который в живых организмах заполняет межклеточное пространство, а в этом биороботе длиной в 2 миллиметра направлял рост кардиомиоцитов.



Искусственный сперматозоид плавал со скоростью до 10 микрометров в секунду, что почти в 10 раз меньше скорости настоящего сперматозоида (60-70 микрометров в секунду). Это, конечно, не устроило ученых и они добавили своему воспитанцу второй хвост, с которым киборг научился разгоняться уже до 81 микрометра в секунду.

Таких мягких роботов чаще всего хотят применять для адресной доставки лекарств и проведения простых медицинских операций внутри тела человека. Ведь биокиборги в отличии от «железных» машин могут питаться тем же самым топливом, что и клетки человека и при этом не выделять во внешнюю среду никаких токсичных продуктов. Кроме того, они, конечно, гибче и должны как сами меньше повреждаться при работе внутри человека, так и меньше повреждать живые ткани. Сплошная органика и сердечное отношение.

Впрочем, конечно не все биороботы основаны на кардиомиоцитах: некоторые ученые предлагают использовать не капризные сердечные клетки, вечно сокращающиеся в своем собственном ритме, а обычные скелетные мышцы, взятые у тех же несчастных крыс.

Так, в работе 2014 года на 3D принтере распечатали гибкий П-образный полимерный каркас, между ножками которого вырастили искусственную мышцы. Потом эти угловатые создания помещали в питательный раствор-электролит, возбуждали электрическим током и смотрели на их перемещения, скорость которых сильно зависела от частоты внешнего поля.



Наконец, уже в 2016 году еще одна группа ученых предложила использовать не клетки крыс или других млекопитающих, а клетки морской улитки Aplysia californica, которые лучше переносят высокое содержание углекислого газа или перепады давления, температуры и кислотности. Сейчас у их киборга есть 2 полимерных руки, соединенных между собой телом из 12 ротовых мышцы улитки, сокращение и расслабление которых под действием внешних электрических импульсов позволяет ему двигаться со скоростью до 0,4 сантиметра в минуту.

В будущем исследователи планируют заменить синтетическим полимер коллагеном, который должен сделать всю систему еще биодружелюбней. Для управления движениями новой версии биоробота ученые хотят добавить к нему нервные клетки моллюска. Так их киборг будет перемещаться быстрей и эффективней и станет еще чуточку больше похож на свой биологический прототип.


Михаил Петров
Теги:

Читать еще на Чердаке: