Космос для не космонавтов - Денис Игоревич Юшин
Синтетические эритроциты и нейроны
Это не сюжет фантастического фильма. Человечество уже очень далеко продвинулось в подобных исследованиях, находясь при этом в самом начале пути.
Группа учёных разработала копию эритроцитов, которые оказались эффективнее наших собственных красных кровеносных телец (Jimin Guo, 2020). Биоинженерам удалось создать синтетические эритроциты, полностью имитирующие широкие свойства нативных: размер, двояковогнутую форму, деформируемость, пропускную способность кислорода и длительное время циркуляции.
Таким образом, объединив биологический материал с выращенными в лаборатории полимерами, специалисты смогли создать класс длительно циркулирующих искусственных в кровеносной системе гибридных материалов, копирующих эритроциты, с широким спектром потенциальных применений. На что они способны?
Начнём с того, что проектирование и синтез искусственных материалов, имитирующих структуру, механические свойства и, в конечном счёте, функциональные возможности биологических клеток, остаётся в настоящее время Святым Граалем материаловедения.
Функциональные возможности синтетических эритроцитов исследовали на эмбрионах кур и мышей. Эти крошечные киборги могут быть модифицированы для доставки лекарств, например, убивающих опухоль, нести на себе различные сенсоры, контролирующие состояние организма в реальном времени, и многое другое, что ещё совсем недавно было уделом фантастических романов.
Эритроциты столь привлекательны для биоинженеров благодаря простоте своего устройства. При этом они функциональны и способны проникать во все органы.
А что там с нейронами? Специалисты сделали серьёзный шаг на пути создания компьютеров, способных работать по принципу человеческого мозга. Они создали ключевые элементы синтетических клеток мозга, которые способны хранить «воспоминания» в течение миллисекунд.
Эти искусственные «нейроны» используют заряженные частицы, ионы, для получения электрического сигнала. Точно так же информация передается между реальными нейронами в нашем мозге.
В журнале Science была опубликована компьютерная модель этих искусственных нейронов, способных производить такие же электрические сигналы, которые нейроны используют для передачи информации в мозге (PAUL ROBIN, 2021).
Но учёные пошли ещё дальше.
На более тонком уровне исследователи создали систему, имитирующую процесс генерации потенциалов действия – всплесков электрической активности. Их генерируют нейроны, которые являются основой деятельности мозга. Чтобы создать потенциал действия, нейрон начинает пропускать больше положительных ионов, которые притягиваются к отрицательным ионам внутри клетки.
Электрический потенциал (напряжение на клеточной мембране) заставляет «дверные проёмы» в клетке, (ионные каналы) с напряжением открываться, повышая заряд ещё больше, прежде чем клетка достигает пика и возвращается к нормальному состоянию через несколько миллисекунд. Затем сигнал передается другим клеткам. Так информация перемещается в мозге.
Чтобы имитировать управляемые напряжением ионные каналы, исследователи смоделировали тонкий слой воды между листами графена (листами углерода толщиной в один атом). Слои воды были глубиной в одну, две или три молекулы. Их исследователи охарактеризовали как квазидвухмерную щель.
В данной имитации «память» о предыдущем состоянии ионов длилась несколько миллисекунд. Примерно столько же времени, сколько требуется реальным нейронам, чтобы произвести потенциал действия и вернуться в состояние покоя.
Далеко ли до синтетического интеллекта?
Специалисты уверены, что практически применимые компьютеры, работающие по принципу мозга, скорее всего, будут созданы ещё не очень скоро. Однако данное исследование может помочь учёным лучше понять, как мозг обрабатывает информацию.
Более того, проведя это исследование с помощью компьютерного моделирования, учёные воплотили свою теорию в жизнь. Они использовали её для создания искусственного синапса (части нейрона, передающей электрические сигналы) и уже начали проводить с ним эксперименты. То есть речь идёт о первой в истории физической модели участка синтетического мозга, способного не только передавать информацию от «нейрона» к «нейрону», но даже хранить её. Пусть и очень короткое время.
Тут интересен тот факт, что учёные в общем-то не видят никаких фундаментальных ограничений в создании синтетического сознания. Это вопрос времени и развития технологий, что порождает огромное количество самых разных вопросов, включая этические. Вот уж действительно наука будущего.
3D-бипринтинг. Биочернила: уже не фантастика
Биочернила, важнейший компонент развития биопринтинга, – уже реальность. Причём способов решения проблем технологии печати живыми клетками существует на сегодня уже несколько.
Самым первое и при этом самое простое решение – создание водных физиологических растворов с добавлением солей, необходимых для поддержания жизни. Однако этот метод не оправдал себя. Клетки в таких растворах быстро агрегировали (объединялись в единую массу) и выпадали в осадок, делая процесс печати невозможным.
Тогда для борьбы с агрегацией и седиментацией (выпадением в осадок) клеток в состав биочернил стали добавлять растворы биополимеров низкой вязкости. И, хотя это улучшило жизнеспособность клеток, подобные чернила долго не хранились и вообще приводили к поломкам печатных головок.
Эти факторы постаралась учесть группа биоинженеров. Специалисты предложили добавлять к биополимеру геллану (геллановая камедь, Е418), а также два поверхностно активных вещества (Novec FC4430 и Poloxamer 188), необходимых для снижения поверхностного натяжения клеток. Такой состав позволил оптимизировать качество струйной печати и одновременно защитить живые клетки от механических повреждений.
Некоторые учёные в разработке биочернил пошли другим путём. Они стали их создавать на хорошо известном биологическом материале – желатине. Желатин получают из коллагена – основного компонента соединительной ткани. Чтобы адаптировать биологические молекулы для печати, исследователи модифицировали гелеобразующие свойства желатина. В отличие от немодифицированного желатина, быстро образующего гидрогель, биочернила в процессе печати остаются жидкими. Жидкость превращается в гидрогель только после облучения ультрафиолетовым светом, сшивающим молекулы коллагена.
Ещё одним решением стало использование в качестве биочернил не живых клеток, а различных препаратов, воздействующих на скорость роста и формирование клеток. Человеческий организм представляет собой своего рода «биореактор», в котором одновременно формируются клетки различных типов. Разработанный исследователями прибор представляет своего рода струйный принтер, заправляемый в качестве «биочернил» различными факторами роста.
Исследователи из Университета Эдинбурга также решили не печатать ткани, а сосредоточиться на печати клеток. Они создали принтер клеток, который создаёт живые эмбриональные стволовые клетки. Принтер способен не только печатать клетки одинакового размера, но и поддерживать клетки живыми, сохраняя их способность к развитию на разных этапах. Их цель – создание клеток непосредственно в теле человека.
Что есть сегодня?
Китайская биотехнологическая компания Sichuan Revotek Co объявила о создании первого в мире 3D-биопринтера, позволяющего печатать кровеносные сосуды для создания персонализированных человеческих органов.
В основе устройства лежит собственная технология китайской компании по созданию биочернил для печати стволовых клеток, объединённая с платформами облачных вычислений. Чернила, которые были названы Biosynsphere, позволяют создавать кровеносные сосуды с учётом особенностей организма отдельно взятого человека и потом на их основе «выращивать» новые органы.
В свою очередь группа учёных Пхоханского университета науки и технологии и Пусанского национального университета (Корея) разработала биочернила для 3D-печати кровеносных
