Синтетическая биология: клетки заставляют биомашины ходить

Они мягкие, биосовместимые, примерно всего 7 миллиметров в длину, но, хоть это и невероятно, они способны самостоятельно ходить

Миниатюрные «биоботы», разработанные в университете Иллинойса, буквально делают первые шаги в синтетической биологии.

Проектирование неэлектронных биологических машин было задачей, которую эксперты в области биологии и биоинженерии изо всех сил пытались решить многие десятилетия. Прогуливающиеся по поверхности стола биоботы демонстрируют способность команды из университета Иллинойса к созданию продвинутых функциональных машин с использованием только гидрогеля, клетки сердца и 3D-принтера.

Биоботы, разработанные неэлектронными, могли бы найти многочисленное применение в медицине, энергетике или в области экологии. Исследовательская группа, во главе с преподавателем из университета Иллинойса Рашидом Баширом издала свои результаты в журнале Scientific Reports.

«Идея состоит в том, что со способностью проектировать биологические структуры мы можем использовать энергию клеток и других природных элементов, чтобы решать проблемы, с которыми сталкивается общество, - сказал Башир, профессор в области инженерии. - Как инженеры, мы всегда сооружали структуры и конструкции с использованием твердых материалов, материалов, которые очень предсказуемы. В то же время нам известно, что существует множество форм, которые демонстрируют, как природа решает любую проблему невероятно изящными способами. Мы можем скопировать некоторые прекрасные решения у природы, если мы сможем понять, как соединить материалы с живыми клетками».

Ключ к передвижению биоботов - асимметрия. Напоминая крошечный трамплин, каждая биоединица имеет две «конечности» - длинную тонкую ногу, которая опирается на крепкую прочную ногу. Тонкая нога покрыта клетками сердца крысы. Когда клетки бьются, длинная нога пульсирует, продвигая биоробота вперед.

Команда использует метод 3D-печати, распространенный в быстром прототипировании, чтобы сделать основную часть бота с помощью гидрогеля, мягкого полимера, похожего на желатиновую массу. Этот подход позволил исследователям изучить различные структуры и регулировать их внешний вид для достижения максимальной скорости передвижения.

Простота изменений параметров в формировании внешнего вида биобота также позволит ученым пробовать и проверять различные конфигурации для улучшения функциональности или в зависимости от применения.

Например, Башир предполагает создать биоботов, которые будут использоваться для исследования медицинских препаратов или химического анализа, так как движение личинок может указать, как клетки реагируют на внешнюю среду. Объединяя клетки, которые отвечают на определенные стимулы, такие как химические градиенты, биоботы могли бы использоваться в качестве датчиков.

«Наша цель состоит в том, чтобы увидеть, можем ли мы заставить эту вещь двигаться, таким образом, мы смогли бы разработать что-то, что может, например, найти определенный токсин и затем попытаться нейтрализовать его, - сказал Башир, который также является преподавателем электротехники, вычислительной техники и биоинженерии. – Представьте сенсор, который перемещается и постоянно пробует и делает что-то полезное для медицины или экологии, например. Формы могут быть разными, в зависимости от того, какие типы клеток мы используем и чего мы от них хотим».

Далее команда будет работать над тем, чтобы увеличивать контроль и функциональность, как, например, интегрирование нейронов к направленному движению или создание клеток, которые отвечают реакцией на свет. Они также работают над созданием роботов различных форм и назначения.

«Идея состоит в том, чтобы сделать из этого полезную продвинутую разработку, - сказал Башир. - У нас есть правила разработки этих форм различного масштаба и различного физического строения, но нам не удалось добиться достаточного уровня контроля. Что мы хотим сделать сейчас – добавить функциональности и управляемости».

«Похоже, мы только начинаем продвигаться в этом отношении, - сказал аспирант Винсент Чан, один из участников проекта и автор статьи. – То, что потрясающе в этой технологии - возможность эксплуатировать некоторые уникальные природные явления для осуществления выгодных инновационно-технологических целей».