Исследователи создали биологическое устройство, способное к вычислениям путём печатания клеток на бумаге

Исследовательская группа по синтетической биологии для биомедицинских применений в Барселонском университете имени Пумпеу Фабры в Испании разработала клеточное устройство, которое производит вычисления, печатая клетки на бумаге. Впервые они создали устройство, которое можно использовать вне лаборатории и без специалиста, и производить в промышленных масштабах по низкой цене. Исследование, опубликованное в Nature Communications, было проведено Сирой Могас-Диэс, Евой Гонсалес-Фло и Хавьером Масией.

Researchers design a biological device capable of computing by printing cells on paper

Сейчас у нас есть много доступных электронных устройств, таких как компьютеры и планшеты, и их вычислительные мощности очень эффективны. Но несмотря на всю их мощь, эти устройства очень ограничены в определении биологических маркёров, например, тех, что говорят о присутствии болезни. По этой причине несколько лет назад начали разрабатываться «биологические компьютеры», другими словами, устройства на живых клетках, которые могут распознавать множество маркёров и выдавать сложные ответы. Внутри них исследователи используют биологические рецепторы, которые позволяют детектировать экзогенные сигналы и посредством синтетической биологии модифицировать их, выдавая ответ в соответствии с обнаруженной информацией.

На данный момент разработаны клеточные устройства, которые можно применять только в лаборатории, причём только на протяжении ограниченного времени и в особых условиях, а саму операцию должен выполнять специалист по молекулярной биологии. Но сейчас команда исследователей из Барселонского университета имени Пумпеу Фабры разработала новую технологию «печати» клеточных устройства на бумаге, которую можно использовать вне лаборатории.

Что интересно, учёные используют «чернила» из разных типов клеток, смешанных с питательными веществами, чтобы «рисовать» контуры. Клетки остаются зафиксированными в бумаге, живые и работающие, и там они продолжают расти и способны выдавать сигналы, которые путешествуют по бумаге и достигают других клеток. Причина, почему это делается на бумаге (или других волокнистых поверхностях, например, тканях), — чисто практическая: это дёшево и легко адаптируется к промышленному использованию, так что можно произвести большое количество устройств по низкой цене. «Мы хотели разработать масштабируемую модель, так что подумали о печатающей системе, наподобие той, что используется для печати на футболках, — объяснила Сира Могас-Диэс, первый автор исследования. — Сначала мы “рисуем” заливные формы, затем вымачиваем образец в различных клеточных чернилах, накладываем их на бумагу и клетки располагаются в нужных местах». Одна из сильных стороны этих устройств на бумаге — их можно хранить в холодильнике или даже заморозить, потому что в клеточные чернила включены криопротекторы, позволяющие это. Так что в отличие от предыдущих устройств, их можно хранить долгое время перед использованием.

В новом подходе каждый элемент устройств — это группа клеток, в данном случае бактериальных, с минимальными генетическими модификациями, которые могут определять различные сигналы. Клетки живут на полоске бумаги и общаются друг с другом, объединяют сигналы и генерируют тот или иной ответ в зависимости от различных комбинаций детектированных сигналов. Элементы не варьируются, но изменяя их расположение в пространстве путём размещения их на бумаге при рисовании, можно построить устройства с разным функционалом. «Таким образом, порядок, в котором клетки расположены на бумаге — это программы, сами клетки — это компьютерное “железо”, а бумага — физический субстрат для этих клеток», — проводит аналогию Хавьер Масия, координатор работы.

Команда исследователей разработала различные биосенсоры, один из которые специфически определяет наличие ртути. Новая система, по сравнению с уже существующими аналогами, может визуально оценивать концентрацию ртути без необходимости лабораторных измерений. В зависимости от количества предоставленной ртути на реакционной полоске появляется больше или меньше точек, которые можно сосчитать невооружённым глазом.

Другим применением устройства может быть определение холеры в загрязнённой воде. «Поселения, где есть риск холеры, часто не имеют лабораторий или специалистов. Поэтому нашей идеей было разработать новый метод, который позволял бы получить живую технологию вне лаборатории, которую можно использовать в полевых условиях. Наш подход интересен тем, что решает эту проблему, потому что он недорогой и позволяет производить клеточные устройства в промышленных количествах», — объясняет Сира.

Ещё одним вариантом использования может быть определение, например, риска преэклампсии — одного из очень серьёзных осложнений при беременности. Его определение зависит не от одного маркёра, а от сложной их комбинации. Полоска клеточного устройства с подходящей конфигурацией могла бы определять комбинации биомаркёров, анализировать их и определять, рискует ли беременная женщина пострадать от этого заболевания.

«Конечно, предстоит ещё много работы, но эти начальные результаты предполагают, что разработанную методику можно применить для создания коммерческих продуктов, основанных на живых устройствах», — заключает Хавьер Масия.

_______________
Перевод Антон Меньшенин, редактор Марлен Тальберг

Исследование — Sira Mogas-Díez et al, 2D printed multicellular devices performing digital and analogue computation, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-21967-xИсточник — Researchers design a biological device capable of computing by printing cells on paper

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход /  Изменить )

Google photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google. Выход /  Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход /  Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход /  Изменить )

Connecting to %s