Клетки-киборги

Футурологи часто озвучивают прогнозы о том, что в будущем люди фактически превратятся в киборгов за счет многочисленных вживляемых в тело электронных устройств. Но, оказывается, таким «гибридом» можно сделать и живую клетку, если скрестить ее материал с синтетическим. Это смогли осуществить американские ученые. Статья о разработке под названием Cyborg Cells была опубликована в журнале Advanced Science.

Специалистам удалось собрать синтетическую полимерную сеть внутри клеток бактерий. В результате они утратили способность к делению, но при этом сохранили остальные биологические функции и вдобавок обрели свойство противостоять стрессовым факторам, разрушающим естественные клетки. Эти качества могут использоваться, например, для терапии онкологических заболеваний, ведь можно модифицировать таким образом и раковые клетки.

«Клетки-киборги демонстрируют силу синтетической биологии в объединении естественных клеток и синтетических материалов», – прокомментировал один из авторов проекта, доктор философии из Academia Sinica Джек Ху. «Мы воодушевлены потенциальным применением клеток-киборгов для решения экологических проблем, диагностики или лечения заболеваний и модуляции нарушенной микробиоты», – добавляет его соавтор, доктор философии из Калифорнийского университета в Дэвисе Чименг Тан.

Похожее открытие сделали также сотрудники Университета Линчепинга (LiU) (Швеция). Они создали синтетический нейрон, точно имитирующий характеристики биологических нервных клеток.

Первым вариантом такой клетки стал искусственный органический нейрон, который затем в качестве эксперимента интегрировали в живое плотоядное растение. Речь идет о растениях, которые способны заманивать в «ловушку» и съедать мелкие живые организмы, например насекомых. В принципе они могут «захватить» и человеческий палец, например, но, скорее всего, человеческая плоть окажется им не по зубам. Хотя с помощью клетки удавалось управлять открытием и закрытием «пасти» растения, лишь две из ее характеристик соответствовали параметрам настоящей биологической клетки.

В 2018 году эта же исследовательская группа разработала органические электрохимические транзисторы на основе полимеров n-типа, способных проводить отрицательные заряды. Их можно использовать для создания комплементарных органических электрохимических схем на гибкой подложке, а также для разработки искусственных нервных клеток.

Недавно в журнале Nature Materials были опубликованы результаты очередного исследования группы органической наноэлектроники в Лаборатории органической электроники (LOE) во главе с доцентом Симоной Фабиано. Ее участники разработали новый вариант искусственной нервной клетки – органический электрохимический нейрон (c-OECN), точно имитирующий 15 из 20 нейронных характеристик естественных биологических процессов.

По словам Фабиано, в отличие от традиционных искусственных нейронов, изготовленных из кремния, c-OECN используют для коммуникации ионы, подобно реальным биологическим нервным клеткам.

Здесь ионы применяются для управления потоком электронного тока через проводящий полимер n-типа. Это приводит к тому, что внутри устройства происходят скачки напряжения. Ток можно увеличивать или уменьшать по почти идеальной колоколообразной кривой, напоминающей график колебаний, соответствующих активации и инактивации ионных каналов натрия.

«Несколько других полимеров демонстрируют такое поведение, но только жесткие полимеры устойчивы к беспорядку, что обеспечивает стабильную работу устройства», – рассказывает Фабиано. В сотрудничестве с Каролинским институтом (KI) Фабиано и его команда провели серию экспериментов, в ходе которых c-OECN подключили к блуждающему нерву мышей. В результате частота их сердечных сокращений повысилась на 4,5%.

Основное преимущество органических полупроводников состоит в том, что они являются гибкими и биосовместимыми. Что же касается применения разработки, то тут важно основное свойство нового вида синтетических нейронов – стимуляция блуждающего нерва, играющего ключевую роль в иммунной системе организма и обмене веществ. А это открывает существенные перспективы для лечения самых различных недугов. Возможно, новинка сумеет помочь тем, кто страдает неврологическими заболеваниями, вплоть до паралича. Следующей задачей для исследователей является снижение энергопотребления искусственных клеток, которое пока остается значительно выше, чем у настоящих нейронов.

В общем, расти есть куда. «Мы еще многого не понимаем в человеческом мозге и нервных клетках, – говорит один из соавторов исследования, доктор Падинхаре Чолаккал Харикеш. – На самом деле мы не знаем, как нервная клетка использует многие из этих 15 продемонстрированных функций. Имитация нервных клеток может позволить нам понять мозг лучше и создавать схемы, способные выполнять интеллектуальные задачи. У нас впереди долгий путь, но это исследование – хорошее начало».

Кстати, и в нашей стране изобретались искусственные нейроны. Несколько лет назад специалистам из Томского государственного университета совместно с зарубежными коллегами из пяти стран удалось создать искусственную копию человеческого мозга. Проект был реализован международной лабораторией центра превосходства «Интеллектуальные технические системы». Сначала ученые построили математическую и компьютерную модели мозга человека. После этого они сконструировали радиоэлектронный прибор, содержащий перцептроны (искусственные нейронные сети).

Хотя искусственные нейросети существуют уже довольно давно, но проблема в том, что для работы каждого кибернетического нейрона необходимо около 20 транзисторов. Это приводит к повышенному потреблению энергии и выделению большого количества тепла, что нежелательно. Не говоря уж о затратах прочих ресурсов на создание таких сетей. Но российские ученые предложили использовать нанопроводы из золота, что позволяет сэкономить потребление энергии. Для достижения нужного эффекта требуется всего лишь охладить нейронные массивы до криогенных температур, то есть значений, близких к абсолютному нулю.

Исследователи подсчитали, что на основе новой разработки можно будет создавать массивы, состоящие из нескольких миллиардов кибернетических нейронов и при этом не выйти за рамки разумного бюджета.

Ирина ШЛИОНСКАЯ