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
FILE - In this Saturday, June 4, 2011 file photo made by Associated Press photographer Anja Niedringhaus, injured U.S.Marine Cpl. Burness Britt reacts after being lifted onto a medevac helicopter from the U.S. Army's Task Force Lift "Dust Off," Charlie Company 1-214 Aviation Regiment. Location:
Sangin, AfghanistanПадение Сангинграда
Десятилетнее сражение за столицу наркоторговли завершилось победой «Талибана»
Participants attend a gay pride parade in central Istanbul June 30, 2013. Tens of thousands of anti-government protesters teamed up with a planned gay pride march in Istanbul. Crowds were stopped by riot police from entering Taksim, the centre of previous protests, but the atmosphere appeared peacefulОпасное интернет-проникновение
Грозит ли подъем геев-мусульман исламскому миру
Demonstrators take part in a protest aimed at showing London's solidarity with the European Union following the recent EU referendum, inTrafalgar Square, central London, Britain June 28, 2016. REUTERS/Dylan Martinez TPX IMAGES OF THE DAYСпасет ли уход Меркель Европу?
Свое 60-летие Европейский союз встречает в состоянии экзистенциального кризиса
Displaced people from the minority Yazidi sect, fleeing violence from forces loyal to the Islamic State in Sinjar town, walk towards the Syrian border, on the outskirts of Sinjar mountain, near the Syrian border town of Elierbeh of Al-Hasakah Governorate August 11, 2014. Islamic State militants have killed at least 500 members of Iraq's Yazidi ethnic minority during their offensive in the north, Iraq's human rights minister told Reuters on Sunday. The Islamic State, which has declared a caliphate in parts of Iraq and Syria, has prompted tens of thousands of Yazidis and Christians to flee for their lives during their push to within a 30-minute drive of the Kurdish regional capital Arbil. Picture taken August 11, 2014. REUTERS/Rodi Said (IRAQ - Tags: POLITICS CIVIL UNREST TPX IMAGES OF THE DAY) FOR BEST QUALITY IMAGE ALSO SEE: GM1EA8M1B4V01Дважды отверженные
Почему от женщин, вырвавшихся из плена боевиков, отворачивается общество
Все там будем
Почему невозможно уберечься от рака
Замороженная стволовая клетка человека Внутренние бомбы
Как клеточный суицид помогает против рака и старости
«Это было волшебно!»Дефект массы
Как продолжение культовой серии Mass Effect стало одной из худших игр в истории
Неиллюзорная красота
Как постичь тайны мироздания через женские формы
Девочки кровавые в глазах
Кино недели с Денисом Рузаевым: от «Манчестера у моря» до «Демона внутри»
«Оргиастический акт любви и счастья»
Дина Рубина о советских кулинарных традициях
Пижон Джон
Дикий сэр Элтон, каким его уже мало кто помнит
Рай на земле
Лучшие для жизни города мира
Там, где цветет иван-чай
Продолжение рассказа о путешествии по Колымской трассе
Германия по карману
Как попасть в Баварию за две тысячи рублей и получить удовольствие
«Мы делаем не крымское вино, а севастопольское»
Винодел Павел Швец — о месте России на винной карте мира
Отберут последнее
Коснутся ли новые правила перевозки электроники летящих в США россиян?
Идеал со сроком годности
От Монро до Кардашьян: как менялись пропорции женской фигуры каждые 10 лет
Luxury watches are seen at a shop window in Geneva August 2, 2011. REUTERS/Denis Balibouse (SWITZERLAND - Tags: SOCIETY BUSINESS)«Если русский — значит, соришь деньгами»
Рассказ финансиста из Самары, перебравшегося в Женеву
Новая американская мечта
Что такое Fuck You Money, или Как уйти на пенсию в 35 лет
Спортзал для двоих
Лондонская пара прославилась в сети как самая тренированная в мире
Восточные легенды
Культовые японские автомобили ушедших лет
Цвета для победителей
Самые известные гоночные раскраски в мире
Самые необычные ДТП
Автомобили на крышах, в бассейнах и другие непонятные аварии, достойные премии
Очень страшные «Рейндж Роверы»
Самые жуткие варианты тюнинга автомобилей Land Rover
Бог простит
В церкви нашли квартиру с красной мебелью и портретами в стиле поп-арт
Фрэнк ГериСпугнули рыбу
Почему антисемиты изгнали из Канады создателя «танцующего дома»
«Наш дом — колония строгого режима»
История семьи, оказавшейся на грани распада из-за дачи
Цветам не место в доме
Почему дети мешают взрослым жить счастливо в собственных квартирах