Учёные продемонстрировали управление живыми клетками с помощью электроники

Исследователи из Университета Мэриленда создали первую замкнутую систему, способную к коммуникации через технологическо-биологический барьер, связав электронное устройство с бактериями E. coli.

Команда из Института биомедицинских устройств Роберта Э. Фишелла и Института бионауки и биотехнологических исследований (IBBR) использовала химические реакции и генную инженерию, чтобы показать, как электронные сигналы могут в реальном времени контролировать биологические процессы клеток. Работа опубликована в Nature Communications.

Исследование под руководством профессора биоинженерии Уильяма Э. Бентли и профессора Грегори Ф. Пейна может стать первым шагом к созданию «умных» медицинских устройств, таких как системы доставки лекарств для диабетиков или трекеры развития заболеваний у онкологических пациентов.

Преодоление разрыва между биологией и электроникой

Ключевой проблемой в биоэлектронике является установление связи между биологическими системами и электронными устройствами. В отличие от электроники, где информацию переносят электроны, в биологических системах для переноса электронов используются редокс-реакции (окислительно-восстановительные реакции).

Почти шесть лет назад Бентли и Пейн продемонстрировали, что редокс-реакции могут служить мостом между биологическими и электронными системами. Эта многоуровневая связь была названа командой «Интернетом жизни».

Замкнутая система и «электрогенетика»

В новой работе исследователи Салли Ван и Чен-Ю Чен продемонстрировали замкнутую систему, в которой биологическая активность клетки не только отслеживается в реальном времени с помощью электронных сигналов, но и её генетические системы могут контролироваться электронно. Этот подход назван «электрогенетикой».

С помощью инструмента генного редактирования CRISPR команда модифицировала клетки E. coli, добавив белки и антитела из других организмов (например, медуз и бактерий Pseudomonas). Это позволило бактериям специфически реагировать на электричество: получая электроны, они начинают флуоресцировать, испуская оптические сигналы. Эти сигналы считываются и интерпретируются машиной, которая может оценить, нужно ли подавать больше тока для поддержания переноса электронов, демонстрируя полный цикл.

Модифицированные клетки могут принимать электроны как от электродов, так и от других клеток через редокс-реакции, становясь, по сути, «двуязычными».

Перспективы применения

Технология открывает возможности для создания новых способов подключения информационно-емких технологий к биологии. Помимо медицинских инноваций, у неё есть потенциал в сельском хозяйстве и охране окружающей среды. Например, «умный» монитор сельхозугодий мог бы дистанционно предоставлять информацию для оптимизации содержания микроорганизмов в почве и рекомендовать количество и время внесения пестицидов и гербицидов.