Текст уведомления здесь

Покорение микромира

Как выглядят микроскопические биороботы и зачем они нужны

Человек и микромир — слабо совместимые вещи. Для интеллекта естественного происхождения возможен единственный вид носителя — сравнительно крупный макроорганизм, обладающий сложным мозгом из триллионов нервных клеток. Такому существу для выживания не нужно знать, что происходит на пару этажей ниже — в микромире, среди суетливо копошащихся инфузорий и бактерий. Но чего только не может добиться любопытство, помноженное на стремление жить еще дольше и лучше, да еще и сдобренное возможностями современных технологий!
Добавить в закладки
Комментарии

До недавнего времени природа обладала абсолютной монополией на создание систем микро- и нанометрового масштаба. Но мы полны решимости оспорить ее безусловное лидерство в этой весовой категории. Роботы, сравнимые по своим размерам с бактериями или, на худой конец, с клетками крови и способные самостоятельно передвигаться внутри человеческого тела, произвели бы настоящую революцию в медицине. Такое устройство могло бы легко добраться до самых труднодоступных участков тела человека без травматичных разрезов, неизбежных в классической хирургии. Еще большие перспективы открываются в направленной доставке лекарств: например, токсичные химиотерапевтические препараты можно было бы доносить непосредственно до опухоли, даже если она расположена в самом неудобном месте.

Вот только на пути создания таких систем стоит куча препятствий. Стоит начать с того, что внутри нашего плотно скомпонованного организма практически нет свободного места для передвижения. Кости, мышцы, да и все остальные твердые ткани тела становятся непреодолимым препятствием для микромашин. Единственную возможность для направленного движения дают полости, заполненные биологическими жидкостями, — сосуды кровеносной и лимфатической систем, желудочно-кишечный тракт, спинномозговой канал и желудочки головного мозга, межклеточные промежутки в тканях.

Но и само по себе передвижение микромашин в биологических жидкостях — очень непростая задача. Объекты микрометровых размеров обладают очень малой массой, а значит, и инерцией. Это выводит на первый план взаимодействие его поверхности с молекулами окружающей жидкости (строго говоря, тут работает вездесущее правило соотношения объёма и площади поверхности). При движении вперед ему приходится буквально протискиваться через молекулы окружающей жидкости, противостоя силе вязкого трения. А вязкость большинства биологических жидкостей довольно велика — например, для крови эта величина в 3—6 раз больше, чем для воды. Кроме того, на микрометровых масштабах намного более значительную, но, к счастью, не главную роль начинает играть броуновское движение. Случайные и абсолютно непредсказуемые удары молекул с разных сторон начинают влиять на движение нашей микроподлодки, хотя опыты и показывают, что доминирующей силой броуновское движение становится в еще меньших масштабах — для нанобъектов размером от 600 нанометров и меньше.

То есть для того, чтобы наш микроробот плыл туда, куда нам нужно, необходимо постоянно прикладывать к нему силу и задавать направление движения. Как же это сделать? Двигатель должен обладать достаточным запасом топлива, которое вряд ли удастся поместить внутрь миниатюрной машины. За годы исследований было предложено множество остроумнейших конструкций, призванных решить эту проблему. Это и микроботы, толкаемые вперед звуковым давлением, которое создается ультразвуковыми волнами, и даже настоящие микроракеты из платинового катализатора, разлагающие перекись водорода и мчащиеся вперед на шлейфе из пузырьков кислорода. Большинству этих технологий очень далеко до практического применения, и часто основную роль в этом играет чересчур высокая стоимость аппаратов. Но что если при изготовлении наших микророботов использовать природных микробов? Раз уж мы не можем превзойти эволюцию, может, стоит сразу взять готовое, слегка подправив под свои нужды?

За последние двадцать лет было опубликовано множество статей по спермоботам — конструкциям на основе живых сперматозоидов. Схема классического спермобота проста и не лишена определенного изящества: ученые берут сперматозоиды какого-нибудь млекопитающего и запихивают их «головой» в ферромагнитную трубку. Облаченные в железный колпак сперматозоиды бодро плывут вперед, а исследователи задают направление их заплыва, воздействуя магнитным полем на ферромагнитные трубки. Любопытно, что после такого издевательства скорость и продолжительность жизни сперматозоидов не слишком уменьшаются. Так что метод можно применять для увеличения вероятности оплодотворения, помогая сперматозоидам достичь своей цели.

Вообще, переменное магнитное поле кажется превосходным источником энергии для микророботов. Оно с легкостью проникает через биологические ткани на достаточную глубину, одновременно очень слабо с ними взаимодействуя. Нужно только правильно подобрать материалы, и тогда, меняя вектор индукции магнитного поля, мы сможем изменять положение магнитных частей нашего бота.

В осуществлении этой идеи снова не обошлось без сперматозоидов. Так, в работе 2015 года исследователи из Дрездена применили эту технологию для восстановления подвижности сперматозоидов. В эксперименте были отобраны здоровые, но по каким-то причинам неподвижные сперматозоиды, неспособные к главному в своей жизни заплыву. На среднюю часть таких сперматозоидов-инвалидов была надета полимерная спираль с никелевым, ферромагнитным покрытием. Во вращающемся магнитном поле такая спираль вращается вслед за ним на манер гребного винта, отбрасывая поток жидкости назад и толкая сперматозоид вперед. Задавая направление поля, можно управлять и положением самого сперматозоида. В итоге исследователям удалось привести неподвижные сперматозоиды к их яйцеклеткам и оплодотворение все-таки произошло. Это потрясающая технология может применяться для зачатия при сниженной подвижности сперматозоидов — астенозооспермии, одной из частых причин мужского бесплодия.

Но живой сперматозоид — очень капризная и не долгоживущая клетка, да и процесс изготовления деталей для его «апгрейда» непрост и совсем не дешев. Вот если бы сразу найти какие-нибудь клетки спиральной формы! Да еще и с прочной клеточный стенкой, которую можно покрывать магнитным составом, не беспокоясь о ее жизнеспособности.

Для этого могли бы подойти клетки бактерий или некоторых водорослей,

подумали исследователи из университета Гонконга

, и взяли за базу для своих биогибридных микророботов клетки прокариотической водоросли спирулины

Spirulina (Arthrospira) platensis

. К слову, именно из этих сине-зеленых бактерий делают одноименный порошок грязно-болотного цвета и трудновыносимого запаха, столь любимый энтузиастами здорового питания. Как можно догадаться по их названию, покрытые толстой оболочкой клетки спирулины сцеплены друг с другом в длинные спирали. Исследователи обработали эти спирали ультразвуком высокой интенсивности, разломав на фрагменты длиной примерно в три оборота. А затем микроспирали отправились в стакан с суспензией наночастиц

Fe3O4

, покрывших их сверху сплошным слоем. В итоге ученые почти что бесплатно получили несколько миллионов микроспиралек с магнитной (если быть точным —

суперпарамагнитной

) поверхностью. Заплывы получившихся биогибридных микророботов проходили во вращающемся магнитном поле, генерируемом трехосевой системой

колец Гельмгольца

. Вращаясь вместе с полем, микроспирали буквально ввинчиваются в жидкую среду, работая на манер архимедова винта и создавая поступательное усилие для самих себя. Эти вращающиеся маленькие штопоры послушно следуют линиям магнитного поля, создаваемого трехосевыми катушками, что позволяет легко направлять их движение.

Справедливости ради, нужно сказать, что спирулина была не единственным объектом инженерных изысканий в этом исследовании. В аналогичную магнетитовую оболочку исследователи попытались упаковать еще клетки хламидомонады Chlamydomonas reinhardtii и тетраселмиса Tetraselmis subcordiformis, хорошо известного аквариумистам в виде корма для мальков. Но спирулиновые «микроподлодки» на всех дистанциях оставили конкурентов далеко позади.

Интересно, что движения роя таких биогибридных спиралек внутри тела пациента оказалось возможным отслеживать с помощью МРТ-томографа, что было проверено на крысе, по желудку которой ученые лихо гоняли стайку микроботов. Дополнительными аргументами в пользу медицинского применения технологии можно считать полную биоразлагаемость и нетоксичность для организма как самой спирулины, так и ее оксидной оболочки.

Технология кажется очень перспективной и может использоваться, например, для адресной доставки токсичных химиотерапевтических препаратов прямо к опухоли. Наиболее удобным будет освободить для этих целей внутреннее пространство спиралей, занятое содержимым клеток бактерии. Но это уже будет совсем другое исследование.

Стоит сказать, что размеры гонконгских микророботов для свободного путешествия по кровеносной системе все еще великоваты. Они примерно 10 микрометров в диаметре, притом что диаметр большинства капилляров нашего тела находится в диапазоне от 5 до 10 микрометров. Даже красные кровяные тельца, эритроциты, протискиваясь через капилляры, проявляют чудеса гибкости, изгибаясь и скользя по стенкам, что явно нереально для жестких магнетитово-полисахаридных микропловцов. Так что при всей красоте технологии большая часть человеческого тела все еще остается вне зоны ее охвата.

Несмотря на то что эволюция не оставила нам ни органов чувств, способных воспринимать микромир, ни биологических инструментов, позволяющих оперировать его объектами, человечество, опираясь на свой инженерный талант, начинает покорять и эту область мироздания. Ученые обращаются за вдохновением к природе, создавая химер, совмещающих тонкость и дешевизну биологических объектов с предсказуемой управляемостью механики. Пока что эти микроскопические биомашины больше похожи на неуклюжие попытки семилетнего ребенка впрячь любимого хомячка в повозку, собранную из кубиков «лего». Но большое часто начинается с малого и смешного, и очень может быть, что именно биогибридным микромашинам предстоит определить лицо медицины через несколько десятилетий.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы

О клон, где же ты?

20 лет страстей по клонированию человека

12 января 1998 года страны Европы договорились о запрете клонирования человека. Однако эксперименты на человеческих зародышах тогда только начинались и не прекращаются до сих пор. По всему миру разворачивается захватывающий научно-юридический кросс: разработчики новых технологий против создателей законодательных запретов — кто быстрее?
Добавить в закладки
Комментарии

Гонка вооружений

Начало экспериментам по клонированию было положено еще в середине прошлого века. Как обычно, все началось с лягушек, постепенно двигаясь в сторону рыб, мышей и людей. В середине 60-х годов развернулись первые этические дебаты, впрочем, без серьезных последствий. Технология развивалась неспешно, до рождения знаменитой овечки Долли оставалось еще несколько десятков лет. Тем не менее юристы задолго почуяли грядущие неприятности, и первые запреты на клонирование человека появились уже в 80-х годах — в США и ЮАР. Европа продержалась дольше, но после клонирования овечки Долли Совет Европы сформулировал дополнение к «Конвенции о защите прав и достоинства человека». 24 страны согласились с тем, что «любое вмешательство, нацеленное на создание человеческого существа, генетически идентичного другому человеческому существу, живому или умершему, запрещено». На данный момент это единственное международное соглашение по вопросам клонирования.

Затем последовали локальные законодательные акты, и к 2015 году более чем 70 стран запретили клонирование человека. Россия не осталась в стороне: в 2002 году был введен временный запрет, который впоследствии перешел в окончательный. В последнем законе «О биомедицинских клеточных продуктах», который вступил в силу год назад, постулирована «недопустимость создания эмбриона человека в целях производства биомедицинских клеточных продуктов».

Изображение: Анатолий Лапушко / Chrdk.

Изображение: Анатолий Лапушко / Chrdk.

[ ... ]
Читать полностью

Выжимая педаль фотосинтеза

Можем ли мы ускорить главную реакцию биосферы?

Возможно ли сделать фотосинтез чуть более эффективным? Невиданная урожайность и прирост биомассы культурных растений, решение продовольственного кризиса и облегчение производства биотоплива — от перспектив захватывает дух. Недавно молекулярные биологи сделали очередной шаг по этому нелегкому, но столь заманчивому пути.
Добавить в закладки
Комментарии

Гигантские секвойи и пассажиры московского метро, кузнечики на лугу и невидимые глазу амебы в цветущей луже — как бы ни выглядел земной организм, энергия, которую он использует, имеет один первоисточник — солнечный свет. Кванты электромагнитного излучения, падающие на Землю, раскручивают колесо биохимических превращений, запускающих грандиозную машинерию биосферы на нашей планете.

Из этого правила есть, конечно, редкие исключения, например бедные и чудаковатые на вид экосистемы, построенные эволюцией вокруг геотермальных горячих источников, — странные сообщества, живущие, например, рядом с черными курильщиками. Местные бактерии и археи научились синтезировать органическое вещество за счет окислительно-восстановительных реакций, в прямом смысле оседлав горячие струи минеральных растворов, бьющие из-под тонкой океанической коры. Но если закрыть глаза на несколько исключений, то биосферу можно сравнить с водяной мельницей, только роль потока воды на себя здесь берет солнечный свет.

Для того чтобы усваивать лучистую энергию Солнца, живые системы изобрели фотосинтез — целый комплекс сложнейших реакций. Их суть очень проста: с помощью энергии света организм отрывает электроны от какой-нибудь удобной для него молекулы и переносит их на молекулы углекислого газа, восстанавливая их и превращая в молекулы органического вещества, которое потом можно будет опять окислить, получив энергию. Особо преуспели в этом искусстве существа, выбравшие в качестве источника электронов молекулы воды. Оно и не мудрено: в среднем воду на Земле найти гораздо проще, чем какой-нибудь сероводород. Именно этот тип фотосинтеза выбрали предки сегодняшних растений, и с тех пор, в общем-то, жизнь здесь и завертелась.

Центральный узел [ ... ]

Читать полностью

Умные стали

С чего начались умные дома и много ли от них теперь пользы

Мечты о доме, в котором техника делает всю бытовую работу за человека, постепенно становятся действительностью. Сначала стиральные машины и пылесосы перестали быть непозволительной роскошью, за ними пришли компьютеры, а теперь и подавно — везде «умные» девайсы, смартфоны и Wi-Fi. «Чердак» покопался в истории, чтобы выяснить, с чего все начиналось, а Дарья Бай из Томского политехнического университета, эксперт Олимпиады НТИ по профилю «Электронная инженерия: умный дом», рассказала, что «умного» можно сделать в доме своими руками.
Добавить в закладки
Комментарии

Автоматизация домашнего быта началась еще сто лет назад, когда в начале XX века появились первые пылесосы, холодильники, стиральные машины и прочие приборы для домашнего использования. Еще примерно через полвека начались первые попытки соединить домашнюю технику с компьютером.

«Поначалу я думала, что он может меня заменить!»

«После всех этих мультфильмов и шуток про компьютеры, какое еще впечатление может сложиться в наше время у домохозяйки, если она внезапно обнаружит один из них у себя дома?» — так описывала свои впечатления в 1967 году Рут Сюзерланд (Ruth Sutherland), жена Джима Сюзерланда, инженера компании Westinghouse Electric.

В середине 1960-х в их семье появился первый домашний компьютер. Звучит не очень правдоподобно, учитывая, что первые персональные компьютеры появились в 70-х, а до этого они были огромными, дорогими машинами, которые занимали целые комнаты и встречались лишь в организациях типа университетов или больших корпораций. Таким и был компьютер Сюзерландов, который располагался в подвале их дома. Джим Сюзерланд занимался разработкой систем управления для энергостанций. В 1965 году его компания решила списать одну из своих машин, и Джим попросил разрешения забрать четыре шкафа весом 360 килограммов к себе домой. [ ... ]

Читать полностью