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 20 мая 2017

Большая резня

Зачем британцы жестоко истребляли домашних кошек и собак
Дональд ТрампТанцы с саблями
Президент США с удовольствием и пользой провел время в ваххабитском королевстве
Смерть на стадионе
Взрыв в британском Манчестере унес жизни десятков человек
Manchester Arena incident Police at Manchester Arena after reports of an explosion at the venue during an Ariana Grande gigКровь Манчестера
Что известно о взрыве, унесшем жизни минимум 22 человек
Kurdish Peshmerga forces guard their position at Omar Khaled village near Tal Afar, west of Mosul August 24, 2014. Peshmerga forces intensified their defences in the southern parts of the oil-rich city of Kirkuk on Saturday, defending ramparts just a few hundred metres away from Islamic State militants.Боевой народ
Рассорят ли курды США и Турцию
«Он просто идиот без всякого плана»
Что думают о Трампе и его политике простые жители Ближнего Востока
Памела Андерсон на Каннском фестивалеПамела, которую мы потеряли
Звезда «Спасателей Малибу» и другие знаменитости, очарованные ботоксом
Трое — не толпа
Как живется в любовном союзе, если в нем больше двух человек
«Здесь все проще относятся к жизни»
История крымчанки, переехавшей в американский Портленд
От нашего стола
Российские интерьеры, сводящие иностранцев с ума
Зависли на хате
Украинцы придумали дом, который может обойтись без российского газа
Москва за нами
Какие квартиры можно купить в пределах МКАД по цене до трех миллионов рублей
Сносное настроение
Демонтаж жилых домов в Москве: что нужно знать
Вышка светит
Как выглядит частный особняк, побивший мировой рекорд этажности