3 способа контролировать поведение бактерий и животных: научная революция
Легкий электрический ток может заставить бактерии танцевать (или, вернее, плавать) так, как того захотят ученые. В новой статье, опубликованной в Nature Communications, исследователи сообщают, что электричество может сделать реверс или даже отключить некоторые гены в клетках кишечной палочки, что заставляет микробов двигать жгутиками или по команде передавать определенную информацию сородичам. Работа с этими бактериями является первым шагом к созданию новых биосенсоров и других устройств, в которых живые клетки смешаны с искусственными материалами. Однако это не единственный способ, с помощью которого можно управлять бактериями или даже более крупными живыми существами. Ученые уже используют комбинацию светового и магнитного излучения, чтобы командовать животными, и имеют определенные планы на человеческие клетки. Подобные методы дистанционного управления однажды помогут нам узнать больше о природе наших тел и вылечить такие заболевания, как слепота, диарея и болезнь Паркинсона. Вот как это работает:
Электричество
Новое исследование, как уже было сказано выше, указывает на то, что электричество — это быстрый и высокоточный способ контроля над клетками. Исследователи подвергали E. coli (ту самую кишечную палочку) воздействию тока и снабжали их белком под названием пиоцианин. Пиоцианин служил в качестве приемника для положительного заряда, ретранслируя его в клетку палочки, что позволяло регулировать работу генетического аппарата. Имплантируя клеткам E. coli необходимые гены, которые будут располагаться в непосредственной близости от этого механизма приема и передачи, исследователи могут осуществлять контроль над ДНК и теми ее фрагментами, которые обычно нечувствительны к воздействию тока. В частности, во время испытания ученые заставили кишечную палочку плавать в необходимую им сторону и секретировать информационные молекулы в среду, где обитают другие клетки.
В данном случае клетки были модифицированы таким образом, чтобы светиться под воздействием тока. Однако электричество может влиять даже на поведение тех клеток, над которыми не производили непосредственные манипуляции. По словам соавтора исследования Уильяма Бентли, биоинженера из Мэрилендского университета, сигнал может быть интерпретирован и другими клетками, которые не подвергались генетическим манипуляциям. Уильям утверждает, что можно просто активировать в клетке любой ген, который в состоянии реагировать на электрический ток, а потом, с помощью избирательной сигнализации, запустить любые другие гены, которые обычно реагируют на сигнальную молекулу данного типа.
Человеческое тело, разумеется, тоже не осталось без внимания. Ученые уже пропускали ток сквозь наши тела с помощью нейростимуляции, кардиостимуляции и аналогов. Но преимущества нового метода как раз и заключается в том, что теперь можно будет задействовать целевые процессы, которые обычно попросту не отвечают на электростимуляцию. В будущем, к примеру, биоинженеры надеются с помощью точечного стимула заставить клетки вырабатывать гормоны и другие вещества, естественная продукция которых была нарушена. Бентли объясняет, что это будет похоже на небольшой «клеточный завод» в специальной медицинской капсуле, которую человек проглатывает. Подобное устройство может провести анализ внутренней среды и выявить проблему, после чего самостоятельно начнет компенсировать недостаток, к примеру, инсулина или ТТГ, а также стимулировать иммунную систему для борьбы с инфекцией.
Свет
За такую мощную отрасль науки, как оптогенетика (использование светового излучения для контроля активности мозга), ученые могут поблагодарить... водоросли. Именно микроскопические зеленые водоросли, живущие в воде, обладают светочувствительными белками, которые позволяют им ориентироваться в сторону источника света, чтобы успешно осуществлять фотосинтез. Ученые поняли, что нейронами человека тоже можно управлять с помощью подобных белков. Этот прием уже был успешно использован, чтобы вызвать у грызунов охотничьи инстинкты. Эта же технология позволяет активировать ложные воспоминания или удалить (не навсегда) некоторые реальные.
Этот же метод помогает создавать продвинутых биороботов. Слой мышечных клеток, выращенных в лабораторных условиях, может сокращаться и расслабляться под действием электрического света, что позволяет самому роботу передвигаться в различных направлениях. Оптогенетика может помочь и в излечении неврологических проблем, правда для этого генетическую структуру пациента придется немного отредактировать. Многие полагают, что в данном случае уместнее будут оптоволоконные кабели или специальные импланты, помещаемые в мозг хирургическим путем.
В прошлом году оптогенетики впервые провели эксперимент с участием человека: женщине внедрили вирус, который изменил структуру глаза и имплантировал туда светочувствительные белки. У пациентки был обнаружен пигментный ретинит — тип слепоты, при котором фоторецепторы оболочки глаза медленно отмирают. Новая ДНК должна позволить другим, еще неповрежденным клеткам сетчатки реагировать на свет, а также восстановить некоторые из них. В результате, для клинических испытания удалось привлечь еще 15 добровольцев, и если они пройдут успешно, это даст науке мощный толчок к развитию.
Магнетизм
Еще одним инструментом, позволяющим осуществлять контроль над клетками организма, является намагничивание белков. Исследователи из Университета штата Вирджиния хотели изобрести способ активации клеток, который был бы менее агрессивным, чем оптогенетика, и действовал бы быстрее, чем традиционные лекарства. Они разработали систему Magneto с помощью синтеза двух клеточных магнитных активаторов. Один из них — это ферритин, белок, сохраняющий железо в организме. Другой, TRPV4, может быть активирован с помощью магнитного растяжения, чтобы вызвать реакцию нервных клеток.
Исследователи вводили вирусные агенты, содержащие Magneto, в мышей и личинки рыбы данио-рерио. В итоге, помещенная в намагниченный аквариум рыба начинала извиваться, а мыши полюбили те углы просторной клетки, куда был установлен магнит — магнитное поле приводило к выработке гормона счастья, дофамина. Однако это не единственное подобное устройство. Ранее ученые использовали магнетизм для того, чтобы увеличить выработку инсулина у больных диабетом мышей, снижая уровень сахара в крови. Технология дистанционного управления может помочь и людям, особенно тем, кто страдает от болезни Паркинсона.
Подводя итог: подобные исследования — передовая и одна из самых перспективных отраслей развития медицины и науки в целом. Основная проблема здесь заключается в том, что получить разрешение на клинические испытания удается далеко не всем исследователям, поскольку это требует серьезного вложения финансов и преодоления бюрократических трудностей. Возможно, в будущем нас и в самом деле ждет поколение биороботов и медицинских имплантов, основанных на подконтрольных живых клетках.