Все новости

Vita ex machina № 4. Кишечная палочка-киборг, одноразовые пароли, генерируемые химическими реакциями, и другие новости бионики

В лабораториях бьются искусственные сердца, молекулярные компьютеры играют в крестики-нолики, а крошечные медицинские роботы учатся взаимодействовать между собой внутри наших тел. Люди всегда мечтали подражать природе, и теперь это получается у нас все лучше. «Чердак» отбирает самые интересные бионические новости, чтобы вы не потерялись в этом новом, странном мире.

Ученые из Германии, Испании и Китая сделали киборгов из кишечной палочки E. coli. Для этого они синтезировали протяженные микротрубочки из биосовместимого полимера полипиррола, а внутреннюю поверхность этих структур покрыли полимером полидопамином PDA, встречающимся в раковинах некоторых моллюсков. Размеры микротрубочек и бактерий совпадали не идеально: длина трубочек была около 8—11 мм, а диаметр 1—1,5 мкм, в то время как кишечные палочки в два раза тоньше и короче, но эксперименту такие несостыковки не помешали. Микротрубочки добавляли к культуре E. coli, бактерии самопроизвольно заходили внутрь этих ловушек и крепко фиксировались в них за счет электростатических сил (поверхность PDA заряжена положительно, а кишечных палочек — отрицательно).

В природе кишечная палочка перемещается за счет движений жгутика — это умение сохранилось и у биороботов. Правда, средняя скорость бактерии-киборга была ниже природной, но зато E. coli в «скафандре» двигались гораздо менее хаотично, что ученые объяснили эффектом полимерной оболочки, подавляющей и направляющей движения жгутика.

В следующем эксперименте в микротрубочки подмешали магниточувствительные наночастицы никеля, и в результате биороборотов научили не просто плыть прямо, но еще и слушаться команд экспериментаторов. Нужно было только приложить магнитное поле, и бактерия покорно плыла вдоль направления его силовых линий. Микротрубочки без E. coli вместо этого бессмысленно вращалась вокруг своей оси, поскольку без жгутика не могли двигаться вперед.

Наконец, еще в одном эксперименте в миниатюрных киборгов заложили простенькую систему самоуничтожения. Для этого к микротрубочкам пришили фермент уреазу, разлагающую мочевину с выделением токсичного аммика, в присутствии которого кишечная палочка сначала перестает двигаться, а потом и вовсе погибает.

Подобные биороботы — еще одно решение для адресной доставки лекарств или других разнообразных веществ внутри организма. К примеру, в прошлом году другая группа немецких ученых сделала спермобота — насадку, ускоряющую движение сперматозоида. В этом исследовании ученые говорят, что их решение хоть и похоже на решение коллег, но гораздо лучше: их киборги универсальней, меньше, а главное — более управляемы.

Фото: Tsukii Yuuji / Wikimedia Commons
Фото: Tsukii Yuuji / Wikimedia Commons

Еще одного биоробота сделали японцы. Их амебоподобная искусственная клетка способна менять свою форму под действием ДНК и состоит из трех основных частей, названных авторами «корпусом» робота (оболочки из липидной мембраны), механическим «приводом» (состоит из белковых микротрубочек с прикрепленными к ним двигательными белками кинезинами — в оригинале эта конструкция отвечает за внутриклеточный транспорт) и «сцеплением» (это молекула ДНК, заякоренная в оболочке мембраны).

В спокойном состоянии эта конструкция оставалась статичной, но как только к ней добавляли подходящие ДНК, способные связаться и с ДНК сцепления, и с кинезинами (к их концам тоже было пришито ДНК), микротрубочки «приклеивались» к стенкам искусственных клеток и за счет своего движения меняли форму искусственной клетки. Обратить этот процесс можно было за счет облучения системы ультрафиолетом, которое «отжимало» сцепление, после чего микротрубочки с кинезинами снова собирались где-то в объеме внутри клеток.

Больше ничего особенного эти новые мягкие роботы пока не умеют, но японцы подчеркивают, что это первый случай создания роботов, сопоставимых с клетками по размерам и реагирующих не на физические сигналы вроде света, температуры или магнитного поля, а на биологические — молекулы ДНК, точно так же, как это делают миллионы клеток нашего организма.

Фото: ironpoison / Flickr
Фото: ironpoison / Flickr

Когда оплачиваешь покупки в интернете, часто сначала просят ввести данные карточки, а потом на телефон приходит одноразовый пароль, без которого закончить операцию нельзя, — это двухфакторная аутентификация. Сегодня за этими процессами в конечном счете стоят электрические схемы, работающие на тысячах транзисторов и других полупроводниковых элементов, но шведские ученые упаковали систему одноразовых паролей и двухфакторной аутентификации в молекулярные вычисления — пароли генерировались за счет протекания химических реакций.

Для этого исследователи взяли смесь из двух фотоизомеров — веществ, меняющих свою структуру под действием света определенной волны. В данном случае эти переключения были обратимыми, а каждая из форм изомеров обладала своим специфическим спектром поглощения — в результате система могла переключаться между четырьмя различными состояниями, одно из которых, что важно, принципиально отличалось от всех остальных — в нем система флуоресцировала на длине волны в 624 нм, если ее облучали светом с длиной волны 500 нм. На этом эффекте и была построена работа молекулярной системы безопасности.

На первом этапе аутентификации пользователь переводит систему из фиксированного начального состояния (это всегда одна и та же комбинация двух форм фотоизомеров) во флуоресцирующее, для чего смесь молекул облучается сначала светом с длиной волны 366 нм, а потом — 623 нм (обязательно в таком порядке). Этот этап — как ввод данных карточки.

На втором этапе система самопроизвольно переходит в одно из двух состояний, после чего пользователю снова нужно вернуть ее к флуоресценции. Для этого автоматически снимаются спектры поглощения смеси, по данным которых пользователь однозначно понимает, в каком состоянии находится система и, соответственно, какой длиной волны ее нужно облучить: смесь поглощает на длине волны A — облучать светом с длиной волны B, поглощает на длине волны C — облучать светом с длиной волны D. Соответственно, показания спектрометра можно сравнить с одноразовым паролем, который присылают пользователю.

Конечно, пока это выглядит не очень впечатляюще. Во-первых, кроме молекулярных вычислений в системе очевидно задействованы и обычные полупроводниковые вычисления — например, та же работа спектрометра. Во-вторых, два одноразовых пароля и скромные «данные карточки» — не самая сильная защита, но шведы обещают масштабировать свой процесс, потому что верят, что однажды молекулярные компьютеры вытеснят привычную электронику: молекулярные вычисления способны проводить отдельные молекулы, а в полупроводниковых микросхемах работают элементы, составленные из миллиардов и миллиардов различных молекул.

Изображение: internetarchivebookimages / Flickr
Изображение: internetarchivebookimages / Flickr

Преждевременное старение, или прогерия, — одно из самых редких генетических заболеваний, которое сейчас зарегистрировано не более чем у 80 человек по всему миру. Оно вызывается мутацией гена, отвечающего за один из белков клеточного ядра. В результате у больных нарушается репарация ДНК, что приводит к характерным «старческим» изменениям кожи и различным проблемам с внутренними органами. Больше всего от преждевременного старения страдают кровеносные сосуды, и поэтому больные прогерией умирают в среднем уже в возрасте 13 лет, а самая частая причина их смерти — проблемы с сердечно-сосудистой системой. Лекарств от прогерии на сегодняшний день нет.

Кровеносные сосуды человека во время своей работы постоянно сужаются и расширяются, и именно с этим связано их стремительное старение: из-за мутации стенки сосудов начинают растягиваться слишком сильно, что провоцирует опасные воспалительные процессы. Чтобы подробнее изучить, как преждевременное старение влияет на сосуды, американские ученые вместе с португальскими коллегами создали модель сосуда-на-чипе.

Устройство представляет собой пластиковый чип с двумя каналами длиной 25 мм и шириной 1 мм. Первый канал был «кровеносным сосудом» — через него постоянно пропускали питательный раствор для роста клеток. Под ним располагался второй канал, отделенный гибкой мембраной. Он играл техническую роль — в нем периодически меняли давление, что приводило к деформации мембраны и имитировало сжатие и растяжение вышележащего «сосуда».

В эксперименте ученые заселяли чипы гладкомышечными клетками, полученными как от здоровых людей, так и от пациентов, страдающих прогерией, и смотрели, как будут вести себя искусственные сосуды под действием механического напряжения. Выяснилось, что сосуды больных прогерией не только гораздо более механочувствительны — постоянное растяжение и сжатие провоцировало в них повышенную экспрессию различных воспалительных маркеров и маркера гипертонического повреждения сосуда.

Теперь ученые надеются с помощью своей модели найти способы лечения прогерии. Им уже удалось подавить аномальный воспалительный процесс в искусственных сосудах, но эти результаты требуют более аккуратной проверки.

В марте были и другие интересные новости бионики, о которых «Чердак» уже рассказывал. Так, дрожжам Saccharomyces cerevisiae собрали новый геном, на структуру ДНК записали один из первых немых фильмов, а ученые из США сделали орган-на-чипе для моделирования менструального цикла.

 Михаил Петров