Биороботы

Фантастика или реальность?

Евгения Шабалина, «Биомолекула»

Ключевая особенность человека – жажда творить. На протяжении веков лучшие умы создавали нечто новое, меняя жизнь к лучшему, – когда плавно, когда кардинально. Изобретения, в свое время сотрясшие мир, казались несбыточной реальностью. Электричество, всемирная информационная сеть Интернет – теперь это наша обыденность, привычная и скучная. Уклад двадцать первого века схож с волшебством, фантастикой для предыдущих поколений. Возможно, и мы с таким же изумлением будем созерцать инновационные технологии, которые у наших внуков не будут вызывать и капли удивления. Бегут столетия, мир постоянно меняется, трансформируется. Только желание ученых постичь и создать нечто новое не ослабевает. Благодаря их стараниям то, что фигурирует в фильмах о будущем, скоро станет реальностью. Телепортация, полеты в космос сродни поездкам на автобусе – список можно продолжать бесконечно, пока не истощится воображение. Однако в этот раз мы поговорим о другом. О биороботах.

«Нет ничего более изобретательного, чем природа»

Трудно создать биологическую систему более совершенную, чем та, что уже существует в природе. В ней нет ничего лишнего, эволюция сделала все за человека – и ученым достаточно лишь внести свои коррективы в отлаженный временем механизм. Лаборатория iBionicS Университета Северной Каролины в 2012 году представила радиоуправляемого таракана (рис. 1). Принцип его действия заключается в воздействии на нервную систему через сенсоры-усики.

Рисунок 1. Сопоставление размеров модифицированного насекомого с монетой США номиналом 25 центов (диаметр – 2,4 см). Рисунок с сайта slate.com.

На спине насекомого закрепляли чип, подающий сигналы на антенны таракана и таким образом корректирующий траекторию его движения (видео 1). Перед учеными встала непростая дилемма: для успешной работы чипа требовались батарейки, которые значительно утяжеляли таракана. Было найдено изящное решение, которое можно назвать демонстрацией слаженной работы научных отраслей: с помощью физики удалось отыскать новое применение естественным биологическим процессам в организме таракана. При переваривании пищи таракан выделяет сахар трегалозу. На одном из электродов трегалоза раскладывается на две молекулы глюкозы. С помощью фермента гексокиназы происходит реакция фосфорилирования глюкозы и образуется глюкозофосфат. Эта реакция сопровождается выделением электронов, которые движутся ко второму электроду, то есть создают электрический ток. Ученым удалось добиться того, что таракан своей жизнедеятельностью сам и обеспечивает успешную работу чипа. Внедренные технологии удачно вписались в отлаженные эволюцией механизмы.

Видео 1. Движение радиоуправляемого таракана

В марте 2016 года было опубликовано другое исследование, также связанное с управлением насекомыми, но основанное на ином принципе. Группа ученых Наньянского университета работала с жуками Mecynorhina torquata [1]. Воздействие производили на группы мышц жуков, ответственные за движение лапок (рис. 2). То есть стимулировали опорно-двигательный аппарат, а не нервную систему.

Рисунок 2. Анатомия передней ноги жука. а – Мышцы верхней стороны тела жука. б – Мышцы с нижней стороны. Крестиками помечены группы мышц, стимулируемые электрическими импульсами. Рисунок из [1].

Меняли очередность воздействия и его силу – таким образом регулировали скорость передвижения жука (рис. 3).

Рисунок 3. Отслеживание ширины шага и скорости перемещения жука. Красные кресты указывают координаты передней ноги и рога жука, по которым высчитывалась ширина шага, калибруемая по обычной линейке. Рисунок из [1].

Его перемещения отслеживались с помощью технологии захвата движения. Три специальные камеры отслеживали движения жука и представляли их в виде передвижений упрощенной трехмерной модели насекомого. Биология, физика и информатика внесли свой неоценимый вклад в конечный результат – рисунок 4.

Рисунок 4. Установка для захвата движения насекомого и компьютерная модель. а – Компьютерная система захвата движений. б – К передним ногам и спине жука прикрепляли светоотражающие маркеры для отслеживания движений. в – Собранные 3D-данные о движении преобразовывали и показывали в виде трех независимых графических сегментов. Рисунок из [1].

Модифицированные насекомые давно будоражат людское воображение. Они обладают отличной проходимостью, которая может пригодиться в шпионской деятельности. Подобное применение освещалось в кинематографе и имеет неоспоримые преимущества (видео 2).

Видео 2. Отрывок из фильма «Пятый элемент» (режиссер Л. Бессон)

Однако насекомые-киборги пригодятся и в более мирных целях. Например, в поиске пострадавших под завалами.

Создавая новое

Но вместе с тем ученые ставят перед собой и более амбициозные задачи. Как насчет того, чтобы создать нечто новое? В 2012 году сотрудники Гарвардского университета и Калифорнийского технологического института продемонстрировали созданную ими искусственную медузу (рис. 5) [2]. «Медузоид» – это первый в мире искусственный мускул, состоящий из смеси специальных полимеров и мышечных волокон крысы.

Рисунок 5. Конструкция из силикона и клеток сердца крыс, повторяющая настоящую медузу. Рисунок с сайта mk.ru.

Мышечные волокна, взятые из клеток сердечной ткани мышей, выращены на полимерной матрице. В качестве материала для нее использовали полидиметилсилоксан, который по свойствам близок к соединительной ткани медуз – мезоглее. Необходимой формы добивались с помощью нанесения рисунка из протеинового раствора.

Ориентируясь на строение медузы ушастой аурелии (Aurelia aurita), ученые добились такого же принципа перемещения для биобота. Он двигается за счет выталкивания жидкости, для чего необходимо сокращение мышц. Для обеспечения этого «медузоид» был помещен в электропроводящий соляной раствор. Под воздействием электрических импульсов происходит сокращение мышечных клеток, и биоробот осуществляет движение. Пока не удается достичь полного контроля траектории его движения, но данное направление является весьма перспективным. Работа ведется активно и вдохновляет ученых на новые свершения.

Данное исследование дало толчок следующему. В 2016 году группа ученых из Гарварда представила мировой общественности разработку – «золотого» ската (рис. 6) [3, 4].

Подробнее об искусственном скате можно прочитать на «биомолекуле»: «Мечтают ли батоиды об электрокрысах?» [5]. – Ред

Рисунок 6. Глаз и скат. Сейчас мы наблюдаем за скатом, а потом он поможет нам наблюдать за другими организмами. Рисунок из [4].

Это система по принципу строения во многом напоминает ската природного (рис. 7).

Рисунок 7. Особенности строения искусственного ската. а – Живой скат. б – Строение плавника живого ската. в – Четыре слоя тела искусственного ската: слой 1 – корпус из полидиметилсилоксана (силикона, применяемого в медицине, косметологии и даже пищевой промышленности); слой 2 – золотой скелет; слой 3 – снова тонкий слой полидиметилсилоксана, на котором расположены мышечные клетки (слой 4). г – Концепт. д – Обхождение препятствий в зависимости от интенсивности подаваемого сигнала. Рисунок из [3].

Немаловажную роль в исследовании сыграли химия и оптогенетика. Благодаря химическим свойствам золота, а именно нереагентности в нормальных условиях, его и выбрали в качестве материала для скелета. Оптогенетика позволила разработать технологию контроля движения ската. Предварительно в мышечных клетках был изменен геном: ученые внедрили ген, отвечающий за выработку в клетке светочувствительного белка KR2. Под воздействием световых импульсов он становится переносчиком ионов натрия, создает электрический потенциал, вследствие чего клетки сокращаются и скат движется (видео 3).

Очень доступно о том, как хитроумно работает оптогенетика рассказано в статье «Светлая голова» [6]. А как оптогенетика может заставить видеть даже в случае тотального повреждения фоторецепторных клеток сетчатки, описано в статье «Оптогенетика + голография = прозрение?» [7]. – Ред.

Видео 3. Как с помощью живых мышечных клеток и импульсов света удается успешно управлять созданным в лаборатории биоботом

Приведенные выше исследования доказывают: наука вышла на достаточно высокий уровень, чтобы создавать квазиорганизмы искусственным путем, ориентируясь на природные подобия. Пока предприняты лишь первые шаги, которые открывают дорогу более продвинутым исследованиям. Возможно, в скором будущем ученым удастся создать биороботов, более сложных в строении и менее ограниченных в плане среды и условий существования.

Полет фантазии

В результате эволюции организмы, ныне живущие на Земле, достигли совершенства. Все процессы для их успешной жизнедеятельности отлажены и дополняют друг друга. Казалось, не нужно ничего более. Однако не существует границ для человеческой фантазии. Если наличествует должный научный аппарат, почему бы не создать нечто новое, не имеющее аналога в природе? Группа ученых из Университета Иллинойса сделала первые шаги в этом направлении. В 2012 году был показан биобот, приводимый в действие клетками сердечной ткани мышей [8, 9]. Он представлял собой 3D-напечатанный каркас из гидрогеля с высеянными на его поверхность кардиомиоцитами (рис. 8). Клетки сокращаются и расслабляются самостоятельно при соблюдении определенных внешних условий, и биобот размером не более 1 см двигается.

Некоторое время назад «биомолекула» писала о полумягком роботе-прыгуне, тоже созданном посредством 3D-печати: «3D-принтер произвел на свет полумягкого робота-прыгуна» [10]. – Ред.

Рисунок 8. Движения биобота на клетках сердечной мышцы. Рисунок с сайта news.nationalgeographic.com.

Однако контролировать сокращение сердечных клеток – непростая задача, и в 2014 году та же группа ученых представила модернизированную версию биоробота: уже с использованием клеток скелетных мышц мышей (рис. 9). Под воздействием электрических импульсов, подаваемых с внешнего электронного устройства, они сокращаются, вследствие чего биобот передвигается.

Рисунок 9. Строение биобота: гидрогелевый каркас и скелетная мышечная ткань. Рисунок с сайта dailymail.co.uk.

Скорость движения регулируется частотой подаваемого поля – это было установлено экспериментально (видео 4).

Видео 4. Напечатанные на 3D-принтере биоботы, приводимые в движение мышечными клетками и управляемые электическими импульсами

Разработанная технология позволяет использовать гидрогелевые каркасы различных форм и дает достаточно свободы для дальнейших изысканий. Уже достигнутый контроль над движением биоробота планируется улучшить. Ученые собираются внедрить в мускульные ткани нейронные сети. Это усложнит алгоритмы движения, но позволит подключить иные способы управления, например, светом или химическим составом среды.

Большие надежды

Двадцать первый век – время, когда достижения науки позволяют претворять давние мечты в жизнь. Описанные типы биороботов могут найти применение во многих сферах жизни человека. Насекомые-киборги пригодятся в шпионаже и операциях МЧС, оптогенетика позволит создать дронов, держащихся в воздухе за счет сокращения мышечных колец. Военную отрасль будут ждать кардинальные перемены. Биороботы, аналоги природных созданий, пока ограничены средой, однако в будущем эти рамки будут преодолены. Станет возможным создание биороботов более сложной структуры, которые превзойдут живые оригиналы. Появится новое направление в биологии – разве могли предыдущие поколения даже мечтать о подобном?

Фантастика становится реальностью. Ученым двадцать первого века выпал счастливый шанс не только наблюдать, но и принять участие в этом увлекательном процессе.

Литература

1. Cao F., Zhang C., Choo H.Y., Sato H. (2016). Insect–computer hybrid legged robot with user-adjustable speed, step length and walking gait. J. R. Soc. Interface. 13. pii: 20160060;
2. Nawroth J.C., Lee H., Feinberg A.W., Ripplinger C.M., McCain M.L., Grosberg A. et al. (2012). A tissue-engineered jellyfish with biomimetic propulsion. Nat. Biotechnol. 30, 792–797;
3. Park S.J., Gazzola M., Park K.S., Park S., Di Santo V., Blevins E.L. et al. (2016). Phototactic guidance of a tissue-engineered soft-robotic ray. Science. 353, 158–162;
4. Pennisi E. (2016). Robotic stingray powered by light-activated muscle cells. Science News.
5. биомолекула: «Мечтают ли батоиды об электрокрысах?»;
6. биомолекула: «Светлая голова»;
7. биомолекула: «Оптогенетика + голография = прозрение?»;
8. Raman R., Cvetkovic C., Uzel S.G., Platt R.J., Sengupta P., Kamm R.D., Bashir R. (2016). Optogenetic skeletal muscle-powered adaptive biological machines. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 113, 3497–3502;
9. Cvetkovic C., Raman R., Chan V., Williams B.J., Tolish M., Bajaj P. et al. (2014). Three-dimensionally printed biological machines powered by skeletal muscle. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 111, 10125–10130;
10. биомолекула: «3D-принтер произвел на свет полумягкого робота-прыгуна».

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
 20.09.2016