Биологи научились копировать многоклеточные организмы

Пару дней назад стало известно о создании «медузоида» – синтетического конструкта из полимера и мышечных клеток, который способен плавать в точности как реальный кишечнополостный прототип. Он стал, по-видимому, первой попыткой создать искусственный многоклеточный организм. Синтетическая биология, руководимая знаменитым изречением Ричарда Фейнмана о том, что для того, чтобы что-то понять, надо научиться это воспроизводить, решила выйти за пределы генов и бактерий.

Биология – экспериментальная наука. В ней сложно найти теоретическое правило, на которое со временем не нашлось бы исключения (хороший пример правила без исключений – невозможность обратной трансляции). Этот принцип ставит во главу угла эксперимент и не поощряет бесплотное теоретизирование. Он же сопряжен и со всеобъемлющим триумфом редукционизма, то есть сведения поведения целого к свойствам частей. Однако в последнее время появляется все больше амбициозных работ, которыми движет мысль о том, что невозможно говорить об истинном понимании вещи или процесса, если ты не можешь его воспроизвести. Их авторы стремятся понять работу живых организмов, создавая их искусственные копии. Такие работы принято относить к двум близким областям – системной и синтетической биологии.

Расположение мышц у личинки аурелии и у медузоида оптимальной формы.

Навряд ли Кевин Паркер, профессор биоинженерии и прикладной физики в Гарварде, предполагал, что поход в бостонский аквариум закончится для него созданием жутковатого «полуживого» существа и статьей в Nature Biotechnology. Впечатление на ученого произвела самая обычная медуза – Aurelia aurita, которая встречалась каждому, кто бывал на Черном море. Кевин длительное время работал на стыке биологии и инженерии, изучая процессы клеточной подвижности, образования тканей и регенерации. Поэтому, когда он увидел, как незамысловато двигается в аквариуме медуза, он загорелся идеей если не создать полноценную искусственную медузу, то, по крайней мере, сделать нечто, двигающееся точно таким же способом.

Исследователи начали с того, что изучили с точностью до клетки строение и расположение мышечных волокон у личинки аурелии. Большинство из них располагалось по кругу купола медузы, другие расходились восемью отдельными радиальными пучками в щупальца. Центральной нервной системы у кишечнополостных нет, и управление сокращением осуществлялось отдельными группами нервных клеток.

При производстве медузоида используется титановая форма (слева вверху) и кремниевая пластина с микротекстурой (справа вверху). Внизу показаны синие нити фибронектина и красные миоциты.

Для создания искусственной медузы авторы применили фотолитографию – технологию, которую обычно используют при производстве микрочипов. С ее помощью на кремниевую пластину наносили микроструктуру из бороздок, которые повторяли расположение мышечных волокон у медуз. Микроструктуру кремниевой пластины отпечатывали на полимере, а затем наносили на него фибронектин – пептид внеклеточного матрикса, участвующий в скреплении клеток. На обработанную им полимерную подложку помещали взвесь мышечных клеток из сердца эмбрионов крысы. Клетки связывались с фибронектином и самопроизвольно собирались в радиальные и кольцевые мышцы. Далее нужно было только отделить полученный медузоид от подложки и поместить его в подходящий аквариум.

Слова Фейнмана можно трактовать еще и в том смысле, что если искусственная конструкция не работает так, как ожидают исследователи, это говорит о недостаточном понимании изучаемого явления. Исследователи убедились в этом, когда первый прототип медузоида, в точности копирующий строение мышечной системы кишечнополостного, не смог плавать. Для того чтобы добиться правильного движения, ученым пришлось разобраться с гидродинамикой движения медуз и оптимизировать форму щупалец медузоида.

Ученые помещали прототип в аквариум, содержащий взвесь специальных частиц, и анализировали потоки жидкости. Экспериментальные данные сопоставляли с математической моделью, что в конечном итоге позволило подобрать хорошо плавающую форму щупалец.

Далее, из-за того, что у реальной медузы и медузоида сокращение мышц распространялось по-разному, исследователям пришлось поменять расположение мышечных волокон – переместить их из центрального круга к щупальцам.

После такой оптимизации химера смогла плавать практически как настоящая медуза – за исключением того, что движение управлялось экспериментаторами при помощи электрической стимуляции. И, конечно, химера не могла сама управлять направлением движения – она беспорядочно металась в разные стороны.

Робот-кальмар, который движется благодаря
поступлению воздуха через трубку
во внутренние камеры.
Фото Harvard University/Robert Shepherd

Безусловно, медузоид – совсем не полноценный организм. У него нет пищеварительной, нервной, половой системы – вообще ничего, кроме мышечного скелета. Тем не менее, он попал на страницы журнала группы Nature не только из-за своего жутковатого вида. Дело в том, что в этой химере сходятся два важных направления современной технологии и биоинженерии – создание биомиметических роботов и искусственных органов.

С одной стороны, медузоид является собратом целого зоопарка необычных роботов, в которых инженеры пытаются воплотить подсмотренные у природы способы передвижения или необычные приспособления. Достаточно вспомнить недавно созданного японцами робота-слизевика, передвигающегося без какого-то ни было центрального управления. Направление движения каждый из его моторов выбирает самостоятельно, основываясь, например, на концентрации какого-либо вещества, подобно тому, как это делает настоящий слизевик.

Другой пример – робот-кальмар, обладающий мягким телом и способный проникать сквозь узкие щели. У него есть гигантский собрат, тоже мягкий и надувной, шестиногий робот-мул, обладающий самым большим соотношением массы носимого груза к собственному весу. И, конечно, самыми известными роботами из тех, что имитируют способы передвижения живых существ, являются творения компании Boston Dynamics. Эта компания, тесно сотрудничающая с военным агентством DARPA, разработала и робота-блоху, способного перепрыгивать через высокие препятствия и робота-таракана, свободно перемещающегося по грязи, и четвероногого робота-гепарда, самого быстрого среди своих собратьев. Его утяжеленная версия, предназначенная для помощи в переноске грузов морским пехотинцам, может уже в ближайшее время поступить на вооружение американской армии.

С другой стороны, для создания медузоида ученые применили не искусственные моторы, а настоящие живые клетки. Технологии для их нанесения, которые разрабатывались вообще-то для создания искусственных органов, в работе Паркера впервые нашли применение для создания автономного «псевдо-организма». Если коллеги-биоинженеры подхватят интерес профессора к созданию искусственной жизни, у них в запасе найдутся еще более фантастические способы для ее производства.

Печать искусственной почки при помощи
3D принтера. Стоп-кадр из лекции Энтони Атала
на TED.com

Разрабатываемые технологии создания искусственных органов подразумевают нанесение клеток на специальную трехмерную основу (скэффолд). В простом случае основа представляет собой полимер, напоминающий сахарную вату. В более сложном варианте в качестве основы используется орган, из которого детергентами вымываются все клетки, оставляя только пассивный матрикс. В последнее время ученые из группы Энтони Атала научились использовать для создания искусственных органов 3D-принтеры. Они в буквальном смысле печатают ткань, используя вместо скульптурного пластика раствор клеток.

Если ученые, владеющие такими технологиями, загорятся идеей создания чего-то подобного, не такой уж простой медузоид покажется нам верхом примитивизма.

Автор: Александр Ершов