Объединение в одном устройстве синтетических материалов и живых компонентов или хотя бы каких-то элементов биологических систем, в том числе и в наномасштабе, позволило бы, если не выйти на новый уровень, то открыть новую область в медицине, робототехнике и некоторых других сферах. Но успехов здесь, к сожалению, не так много, как хотелось бы.
Для работы в данном направлении инженеры и биологи Массачусетского технологического института (MIT) решили объединить свои усилия. Итогом их совместного творчества стал эластичный биосовместимый материал на основе гидрогеля, в котором находятся живые клетки, которые светятся в присутствии определённых химических веществ.
Биологическая часть команды во главе с Тимоти Лу (Timothy Lu) специализируется на создании так называемых биологических схем. Для этого они "перепрограммируют" на генетическом уровне живые клетки, например, кишечной палочки Escherichia coli, таким образом, чтобы они могли выполнять логические операции подобно элементам электрической цепи, то есть последовательно.
В итоге можно получать микроорганизмы, которые будут выполнять строго заданные функции, например, определять присутствие конкретного вируса или токсина и подавать сигнал об этом.
До сих пор модифицированные таким образом клетки удавалось заставить работать только "в пробирке", то есть в чашках Петри, где можно тщательно контролировать состав питательной среды, которая необходима для поддержания их нормального функционирования. Но для движения к намеченной цели нужно было создать комфортные условия для существования клеток внутри синтетического материала, чего добиться чрезвычайно трудно.
"Основная задача при создании живых материалов – это сохранение жизнеспособных и функционирующих клеток внутри устройства, — рассказывает Лу в пресс-релизе института. – Они требуют определённой влажности, питательных веществ, некоторые из них нуждаются в кислороде. Вторая проблема состоит в том, чтобы не допустить побега биологической составляющей из материала".
Группе доктора Сюаньхэ Чжао (Xuanhe Zhao) удалось разработать, по их мнению, идеальный материал, а именно гидрогель, который решил большую часть проблем. За несколько лет работы они получили несколько отличающихся по составу прочных, эластичных гидрогелей. Последние варианты содержали до 95% воды, что позволило создать необходимую для клеток питательную среду.
Для того чтобы бактериям было комфортно внутри гидрогеля, исследователи напечатали из него на 3D-принтере листы, изрезанные каналами. Основой для листа стала пористая подложка из биосовместимого эластомера, которая хорошо пропускает кислород.
Затем клетки E. coli "запрограммировали" так, чтобы они начинали светиться в присутствии определённых химических соединений, например, вещества бактериального происхождения DAPG.
После заселения бактерий в подготовленные "квартиры" материал пропитывали питательным раствором, который сохранял "жильцов" в активном состоянии на протяжении нескольких дней. Для демонстрации возможностей изобретения было создано несколько опытных образцов, в том числе, чувствительный лист и перчатка.
В своей статье, опубликованной в журнале PNAS, авторы сообщают, что все их устройства действительно работали согласно ожиданиям.
Наконец, исследователи разработали теоретическую модель, которая поможет в будущем, не только им самим, но и любым другим специалистам, наиболее эффективно конструировать "живой материал" с заданными свойствами.
Чжао полагает, что разработка его команды проложит путь к созданию многих функциональных продуктов, которые смогут найти применение в медицине и других областях, где необходимы надёжные системы предупреждения о наличии химической или другой опасности.
Кстати, бактерии уже проявляли себя и раньше в программируемом поиске опасных веществ. Например, недавно мы писали об успешной "вербовке" той же самой кишечной палочки израильскими учёными.
