Канал связи между клетками и машинами открывает путь к био-гибридным роботам

Исследователи работают над интеграцией живых клеток с электронными компонентами для создания автономных био-гибридных роботов, способных к самовоспроизведению частей. Ключевая задача — создать интерфейс для связи между биологическими и электронными системами, поскольку большинство клеточных сигналов несовместимы с электроникой.

Группа учёных (Орр Яркони, Линн Донлон и Дэниел Франкель) из Университета Ньюкасла (Великобритания) разработала новый подход: вместо адаптации электроники под биологию они генетически модифицировали биологическую систему. Они создали клетки яичника китайского хомячка, которые производят оксид азота (NO) в ответ на видимый свет.

Почему оксид азота?

Это соединение идеально подходит для передачи сигнала: оно проникает через клетки, обладает высокой диффузией, коротким периодом полураспада и остаётся в газообразной форме в любой клеточной среде. В природе NO участвует в расслаблении мышц, расширении сосудов (вазодилатация) и других процессах.

Генетическая модификация

Исследователи «взломали» электрон-транспортный путь белка, удалив ген, кодирующий сайт связывания для нативного пути. Вместо этого они вставили в белок одну или две свето-кислород-напряжённые (LOV) домена — структуры, способные принимать электрон от фотона. Это заставило белок производить NO в ответ на свет.

Результаты экспериментов

• Модифицированные клетки с LOV-доменами производили больше NO под действием света, чем обычные клетки.
• Увеличение интенсивности света повышало выработку NO у модифицированных клеток.
• Клетки с двумя LOV-доменами производили примерно в два раза больше NO, чем с одним.
• При соединении с платиновым электродом эти клетки генерировали достаточно NO, чтобы изменить ток на электроде. Интенсивностью света можно было управлять сигналом в оптико-химико-электрическом каскаде.

Преимущества и перспективы

В отличие от обычных твердотельных фотодетекторов, такие устройства способны к самовоспроизведению и потенциально могут комбинировать входные сигналы для вычислений. Эта работа — часть проекта «Cyberplasm» по созданию плавающего био-гибридного робота. Модифицированные клетки будут выступать в роли «глаз», реагирующих на свет и дающих команду роботу изменить режим движения.

Потенциальное применение — роботы для работы в загрязнённых зонах, способные обнаруживать химические вещества и передавать данные. Следующий шаг — создание клеток, которые смогут общаться с электроникой в ответ на химические стимулы, а также друг с другом.