Биологические коммуникационные сети для управления клетками в организме

Биологические клетки обмениваются сообщениями подобно электронным устройствам, но используют для этого совершенно другие механизмы. Учёные сообщают о прогрессе в создании крошечных коммуникационных сетей, которые преодолевают этот языковой барьер, позволяя электронике «подслушивать» клетки и изменять их поведение — и наоборот. Такие системы могут найти применение, например, в носимом устройстве для диагностики и лечения бактериальной инфекции или в капсуле, которую можно проглотить для отслеживания уровня сахара в крови и выработки инсулина по мере необходимости.

Принцип работы: «переводчики»-медиаторы

Технология основана на редокс-медиаторах — небольших молекулах, которые переносят электроны в клетках. Эти молекулы осуществляют клеточную активность, принимая или отдавая электроны в реакциях восстановления или окисления. Поскольку они также могут обмениваться электронами с электродами, генерируя ток, редокс-медиаторы способны стать мостом между аппаратным обеспечением и живой тканью.

Достижения: от электроники к клеткам и обратно

В одном из проектов исследователи сконструировали клетки, которые получают электронно сгенерированную информацию и передают её в виде молекулярных сигналов. Клетки были запрограммированы реагировать на перекись водорода (H₂O₂). При помещении рядом с заряженным электродом, генерирующим этот редокс-медиатор, клетки производили соответствующее количество молекулы кворум-сенсинга, которую бактерии используют для общения и изменения поведения через регуляцию экспрессии генов.

В другом проекте были созданы два типа клеток, которые получают молекулярную информацию от патогенной бактерии Pseudomonas aeruginosa и преобразуют её в электронный сигнал. Одна группа клеток производила аминокислоту тирозин, а другая — фермент тирозиназу, превращающий тирозин в молекулу L-DOPA. Клетки были сконструированы так, чтобы производить этот редокс-медиатор только в присутствии одновременно молекулы кворум-сенсинга и токсина, связанного с вирулентной стадией роста P. aeruginosa. Сила генерируемого L-DOPA тока указывала на количество бактерий и токсина в образце.

Перспективы применения

• Медицина: Носимое устройство или проглатываемая капсула могли бы диагностировать инфекцию, передавать данные врачу и пациенту, а затем автоматически вводить терапевтический препарат. В перспективе — автономная система для диабетиков: капсула с клетками следит за уровнем глюкозы, отправляет данные на смартфон, который, в свою очередь, даёт команду другим клеткам в капсуле выработать инсулин.
• Биотехнологии: Разработаны «умные шарики» для мониторинга условий (например, уровня кислорода) в промышленных биореакторах для производства лекарств. Шарики циркулируют по всему объёму, передают данные по Bluetooth и в будущем смогут служить интерфейсом для управления поведением инженерных клеток в реакторе.