Учёные создали биологическое вычислительное устройство из клеток, напечатанных на бумаге

Исследовательская группа по синтетической биологии для биомедицинских применений Университета Помпеу Фабра (Барселона, Испания) разработала клеточное устройство, способное к вычислениям, с помощью печати клеток на бумаге. Впервые создано живое устройство, которое можно использовать вне лаборатории без участия специалиста, и которое можно производить в промышленных масштабах с низкой себестоимостью. Исследование опубликовано в Nature Communications и выполнено Сирой Могас-Диес, Евой Гонсалес-Фло и Хавьером Масией.

Современные электронные устройства (компьютеры, планшеты) обладают высокой вычислительной мощностью, но ограничены в обнаружении биологических маркеров, например, указывающих на заболевание. Поэтому несколько лет назад начали развиваться «биологические компьютеры» — живые клеточные устройства, способные детектировать множественные сигналы и генерировать сложные ответы. В них используются биологические рецепторы для обнаружения внешних сигналов, которые с помощью методов синтетической биологии модифицируются для выдачи соответствующего ответа.

До сих пор клеточные устройства могли работать только в лаборатории, ограниченное время, в специфических условиях и требовали управления специалистом-молекулярным биологом. Новая технология позволяет «печатать» клеточные устройства на бумаге для использования вне лаборатории.

В качестве «чернил» используются разные типы клеток с питательными веществами. Клетки остаются живыми и функциональными в порах бумаги, где продолжают расти и выделять сигналы, которые перемещаются по бумаге и достигают других клеток. Выбор бумаги (или других поверхностей, например, тканей) обусловлен практичностью, дешевизной и простой адаптацией к промышленному производству. «Мы хотели создать масштабируемую модель и подумали о системе печати, как для футболок», — поясняет Сира Могас-Диес. «Мы делаем трафареты с нашим рисунком, пропитываем их разными клеточными чернилами, как буфером, наносим на бумагу, и клетки осаждаются». Важное преимущество — эти бумажные устройства можно хранить в холодильнике или даже замораживать, так как клеточные чернила содержат криопротекторы. Таким образом, в отличие от предыдущих устройств, их можно долго хранить перед использованием.

Каждый элемент устройства — это группа клеток (в данном случае бактерий) с минимальными генетическими модификациями, способная детектировать разные сигналы. Клетки живут на бумажной полоске, общаются друг с другом, интегрируют сигналы и генерируют тот или иной ответ в зависимости от комбинации обнаруженных сигналов. Элементы неизменны, но, меняя их пространственное расположение с помощью рисунка на бумаге, можно создавать устройства с разными функциями. «Таким образом, порядок размещения клеток — это программное обеспечение, клетки — аппаратное обеспечение, а бумага — физический носитель, на котором находятся эти клетки», — иллюстрирует Хавьер Масия.

Команда разработала несколько биосенсоров, в том числе для детекции ртути. Преимущество системы в том, что она позволяет визуально оценить концентрацию ртути без лабораторного измерительного прибора. В зависимости от количества ртути на тест-полоске появляется больше или меньше точек, которые можно подсчитать невооружённым глазом.

Ещё одно разрабатываемое применение — обнаружение холеры в загрязнённой воде. «В поселениях, где есть риск холеры, часто нет ни лаборатории, ни специалиста. Поэтому наша идея — разработать метод, позволяющий вывести живые технологии из лаборатории и использовать их в полевых условиях. Наш подход интересен для решения такого рода проблем, поскольку он недорогой и позволяет производить клеточные устройства в промышленных количествах», — объясняет Сира.

Ещё одно потенциальное применение — определение, например, риска преэклампсии. Её обнаружение зависит не от одного маркера, а от сложной их комбинации. Полоска с клеточным устройством соответствующей конфигурации могла бы детектировать комбинации биомаркеров, анализировать их и определять риск развития этого заболевания у беременной женщины.

«Безусловно, предстоит много работы, но эти первоначальные результаты позволяют предположить, что разработанная методология может стать средством для облегчения создания коммерческих продуктов на основе живых устройств», — заключает Хавьер Масия.