Сделай сам

Биологи научились копировать многоклеточные организмы

Фауст с гомункулом. Гравюра из издания 19 века.

Пару дней назад стало известно о создании "медузоида" - синтетического конструкта из полимера и мышечных клеток, который способен плавать в точности как реальный кишечнополостный прототип. Он стал, по-видимому, первой попыткой создать искусственный многоклеточный организм. Синтетическая биология, руководимая знаменитым изречением Ричарда Фейнмана о том, что для того, чтобы что-то понять, надо научиться это воспроизводить, решила выйти за пределы генов и бактерий.

Расположение мышц у личинки аурелии и у медузоида оптимальной формы. (Нажмите, чтобы увеличить)
Расположение мышц у личинки аурелии и у медузоида оптимальной формы. (Нажмите, чтобы увеличить)

Биология - экспериментальная наука. В ней сложно найти теоретическое правило, на которое со временем не нашлось бы исключения (хороший пример правила без исключений - невозможность обратной трансляции). Этот принцип ставит во главу угла эксперимент и не поощряет бесплотное теоретизирование. Он же сопряжен и со всеобъемлющим триумфом редукционизма, то есть сведения поведения целого к свойствам частей. Однако в последнее время появляется все больше амбициозных работ, которыми движет мысль о том, что невозможно говорить об истинном понимании вещи или процесса, если ты не можешь его воспроизвести. Их авторы стремятся понять работу живых организмов, создавая их искусственные копии. Такие работы принято относить к двум близким областям - системной и синтетической биологии.

Вряд ли Кевин Паркер, профессор биоинженерии и прикладной физики в Гарварде, предполагал, что поход в бостонский аквариум закончится для него созданием жутковатого "полуживого" существа и статьей в Nature Biotechnology. Впечатление на ученого произвела самая обычная медуза - Aurelia aurita, которая встречалась каждому, кто бывал на Черном море. Кевин длительное время работал на стыке биологии и инженерии, изучая процессы клеточной подвижности, образования тканей и регенерации. Поэтому, когда он увидел, как незамысловато двигается в аквариуме медуза, он загорелся идеей если не создать полноценную искусственную медузу, то, по крайней мере, сделать нечто, двигающееся точно таким же способом.

Исследователи начали с того, что изучили с точностью до клетки строение и расположение мышечных волокон у личинки аурелии. Большинство из них располагалось по кругу купола медузы, другие расходились восемью отдельными радиальными пучками в щупальца. Центральной нервной системы у кишечнополостных нет, и управление сокращением осуществлялось отдельными группами нервных клеток.

При производстве медузоида используется титановая форма (слева вверху) и кремниевая пластина с микротекстурой (справа вверху). Внизу показаны синие нити фибронектина и красные миоциты. (Нажмите, чтобы увеличить)
При производстве медузоида используется титановая форма (слева вверху) и кремниевая пластина с микротекстурой (справа вверху). Внизу показаны синие нити фибронектина и красные миоциты. (Нажмите, чтобы увеличить)

Для создания искусственной медузы авторы применили фотолитографию - технологию, которую обычно используют при производстве микрочипов. С ее помощью на кремниевую пластину наносили микроструктуру из бороздок, которые повторяли расположение мышечных волокон у медуз. Микроструктуру кремниевой пластины отпечатывали на полимере, а затем наносили на него фибронектин - пептид внеклеточного матрикса, участвующий в скреплении клеток. На обработанную им полимерную подложку помещали взвесь мышечных клеток из сердца эмбрионов крысы. Клетки связывались с фибронектином и самопроизвольно собирались в радиальные и кольцевые мышцы. Далее нужно было только отделить полученный медузоид от подложки и поместить его в подходящий аквариум.

Слова Фейнмана можно трактовать еще и в том смысле, что если искусственная конструкция не работает так, как ожидают исследователи, это говорит о недостаточном понимании изучаемого явления. Исследователи убедились в этом, когда первый прототип медузоида, в точности копирующий строение мышечной системы кишечнополостного, не смог плавать. Для того чтобы добиться правильного движения, ученым пришлось разобраться с гидродинамикой движения медуз и оптимизировать форму щупалец медузоида.

Ученые помещали прототип в аквариум, содержащий взвесь специальных частиц, и анализировали потоки жидкости. Экспериментальные данные сопоставляли с математической моделью, что в конечном итоге позволило подобрать хорошо плавающую форму щупалец.

Далее, из-за того, что у реальной медузы и медузоида сокращение мышц распространялось по-разному, исследователям пришлось поменять расположение мышечных волокон - переместить их из центрального круга к щупальцам.

После такой оптимизации химера смогла плавать практически как настоящая медуза - за исключением того, что движение управлялось экспериментаторами при помощи электрической стимуляции. И, конечно, химера не могла сама управлять направлением движения - она беспорядочно металась в разные стороны.

Робот-кальмар, который движется благодаря поступлению воздуха через трубку во внутренние камеры. Фото Harvard University/Robert Shepherd
Робот-кальмар, который движется благодаря поступлению воздуха через трубку во внутренние камеры. Фото Harvard University/Robert Shepherd

Безусловно, медузоид - совсем не полноценный организм. У него нет пищеварительной, нервной, половой системы - вообще ничего, кроме мышечного скелета. Тем не менее, он попал на страницы журнала группы Nature не только из-за своего жутковатого вида. Дело в том, что в этой химере сходятся два важных направления современной технологии и биоинженерии - создание биомиметических роботов и искусственных органов.

С одной стороны, медузоид является собратом целого зоопарка необычных роботов, в которых инженеры пытаются воплотить подсмотренные у природы способы передвижения или необычные приспособления. Достаточно вспомнить недавно созданного японцами робота-слизевика, передвигающегося без какого-то ни было центрального управления. Направление движения каждый из его моторов выбирает самостоятельно, основываясь, например, на концентрации какого-либо вещества, подобно тому, как это делает настоящий слизевик.

Другой пример - робот-кальмар, обладающий мягким телом и способный проникать сквозь узкие щели. У него есть гигантский собрат, тоже мягкий и надувной, шестиногий робот-мул, обладающий самым большим соотношением массы носимого груза к собственному весу. И, конечно, самыми известными роботами из тех, что имитируют способы передвижения живых существ, являются творения компании Boston Dynamics. Эта компания, тесно сотрудничающая с военным агентством DARPA, разработала и робота-блоху, способного перепрыгивать через высокие препятствия и робота-таракана, свободно перемещающегося по грязи, и четвероногого робота-гепарда, самого быстрого среди своих собратьев. Его утяжеленная версия, предназначенная для помощи в переноске грузов морским пехотинцам, может уже в ближайшее время поступить на вооружение американской армии.

Печать искусственной почки при помощи 3D принтера. Стоп-кадр из лекции Энтони Атала на TED.com
Печать искусственной почки при помощи 3D принтера. Стоп-кадр из лекции Энтони Атала на TED.com

С другой стороны, для создания медузоида ученые применили не искусственные моторы, а настоящие живые клетки. Технологии для их нанесения, которые разрабатывались вообще-то для создания искусственных органов, в работе Паркера впервые нашли применение для создания автономного "псевдо-организма". Если коллеги-биоинженеры подхватят интерес профессора к созданию искусственной жизни, у них в запасе найдутся еще более фантастические способы для ее производства.

Разрабатываемые технологии создания искусственных органов подразумевают нанесение клеток на специальную трехмерную основу (скэффолд). В простом случае основа представляет собой полимер, напоминающий сахарную вату. В более сложном варианте в качестве основы используется орган, из которого детергентами вымываются все клетки, оставляя только пассивный матрикс. В последнее время ученые из группы Энтони Атала научились использовать для создания искусственных органов 3D-принтеры. Они в буквальном смысле печатают ткань, используя вместо скульптурного пластика раствор клеток.

Если ученые, владеющие такими технологиями, загорятся идеей создания чего-то подобного, не такой уж простой медузоид покажется нам верхом примитивизма.

Обсудить
Наука и техника
 — 
00:02 19 апреля 2017
Никола Лемери выступает с публичной лекцией по химии

Достали

Зачем простой аптекарь объявил войну могущественным алхимикам
Оставить мир
Как протекает жизнь в глухом монастыре, куда редко доезжают туристы и паломники
«В Крыму будет инвестиционный бум»
Председатель правления фонда ЯМЭФ Андрей Назаров — о развитии бизнеса
Владимир Путин «Кому-то нужно голову пересадить»
Как Путин отчитывал губернаторов и что с ними потом стало
Петр Лидов-Петровский: «Население стало действительно беднеть»
Почему томский пенсионер отправил Медведеву свою пенсионную надбавку
Борис Ельцин«Он умел делать так, чтобы было видно его недовольство»
Что Ельцин считал своими главными ошибками
A man looks at campaign posters of the 11th candidates who run in the 2017 French presidential election in Enghien-les-Bains, near Paris, France April 19, 2017Первый тур отыграли
В финале президентской гонки во Франции — Ле Пен и Макрон
French Foreign Legionnaires carry the coffin of French politician Yves Guena during an official funeral ceremony at the Hotel des Invalides in Paris, France, March 8, 2016 REUTERS/Charles Platiau TPX IMAGES OF THE DAYУтрата масштаба
Франция рискует стать малой европейской страной
Эрдоган, Аллах и Россия
Стоит ли бояться исламизации Турции
Государства Ближнего Востока: что их ждет в XXI веке?
Эксперты РСМД пытаются предсказать будущее арабской государственности
Северная полярная область Меркурия характеризуется резкими перепадами температур (50-400 кельвинов) и наличием в кратерах водяного льдаОсталось недолго
Как умирает ближайшая к Солнцу планета
Никола Лемери выступает с публичной лекцией по химииДостали
Зачем простой аптекарь объявил войну могущественным алхимикам
Стань травкой
Как жуткие подземные существа превращаются в растения
Другая Катынь
В 1919-1922 годах в польском плену погибло около 30 тысяч красноармейцев
Деньги из мусорки
Пока люди смотрят порно, мошенники зарабатывают на них миллионы
«Ахи-вздохи, малолетки-дуры»
Зачем MTV возвращает в эфир шоу, взорвавшее мозг целому поколению
Билл О'Рейли«Он называл ее горячей шоколадкой и кряхтел как кабан»
За что уволили американского журналиста, оскорбившего Путина
«YouTube держит нас за баранов»
Почему блогеров лишают денег, а россиян заставляют смотреть турецкие видео
People dance on the opening day of the Coachella Valley Music and Arts Festival in Indio, California, U.S. April 14, 2017. Беззаботно раздеты
Как проходит Коачелла — один из самых модных фестивалей в мире
«Американцы — радостный народ»
Рассказ москвича, переехавшего в США
Заработала на шпильки
Предприимчивые австралийки стали богаче на миллионы благодаря «женскому» бизнесу
Мохнатый рейх
Все о движении фурри — любителях носить костюмы зверей
Зверские пикапы
Пикапы, которые подготовлены для жесточайшего бездорожья
Мещанская прокрастинация
Тест-драйв Toyota LC 200
15 самых продаваемых машин в мире
Самые популярные автомобили 2017 года, и в первой тройке — кроссовер!
Премиальные машины непремиальных брендов
Вспоминаем модели непремиальных марок, которые конкурировали с Mercedes и BMW
Чудеса селекции
Что получится, если скрестить квартиру с дачей: опыт россиян
Шведы поневоле
Исповедь россиянина, живущего в групповой семье
Добро пожаловать в рай
Жилье в Крыму: новую квартиру на полуострове можно купить за миллион рублей
Сносное настроение
Демонтаж жилых домов в Москве: что нужно знать
Вышка светит
Как выглядит частный особняк, побивший мировой рекорд этажности