Робот для ловли мух расширяет возможности биомедицинских исследований

С начала XX века незаметной звездой генетических исследований было маленькое и по сути очень надоедливое существо: плодовая мушка (Drosophila).

В основе каждого значимого открытия, сделанного благодаря исследованиям на плодовых мушках — а их было много, касающихся почти всех аспектов нашей собственной биологии, — лежит ежедневная монотонная работа ученых, корпящих над пластиковыми чашками с обездвиженными мухами.

Теперь команда под руководством Марка Шнитцера, адъюнкт-профессора биологии и прикладной физики, представила решение этой рутины: робота, который может визуально осматривать бодрствующих мух и, что еще лучше, проводить поведенческие эксперименты, невозможные с обездвиженными мухами. Работа описана 25 мая в журнале Nature Methods.

"Роботизированная технология открывает новые перспективы для автоматизированных экспериментов и позволяет исследователям мух делать несколько вещей, которые раньше были невозможны", — сказал Шнитцер. "Например, можно проводить исследования с большим количеством мух, осматриваемых очень точным способом". Группа провела одно исследование на 1000 мухах за 10 часов — задача, которая заняла бы гораздо больше времени даже у высококвалифицированного человека.

Устройство для ловли мух робота больше всего напоминает миниатюрный НЛО, парящий над тарелкой ничего не подозревающих мух. Когда он готов схватить муху, он испускает краткую вспышку инфракрасного света, невидимого для мух, который отражается от груди насекомых, указывая местоположение каждой особи. Робот может распознать каждую отдельную муху по ее рисунку отражения. Затем крошечная узкая всасывающая трубка ударяет в одну из освещенных грудок, безболезненно присасываясь к мухе и поднимая ее.

После того как муха зафиксирована, робот использует машинное зрение для анализа физических характеристик мухи, сортировки мух по полу и даже проведения микро-диссекции для обнажения крошечного мозга мухи. В одном эксперименте машинное зрение робота смогло различить два штамма мух, настолько похожих, что они неразличимы для человеческого глаза.

Ускорение исследований болезней

Все это хорошая новость для легиона аспирантов, которые до сих пор проводят часы в день, разглядывая мух под микроскопом в рамках работы, продолжающей раскрывать механизмы старения, рака, диабета и ряда других заболеваний у человека.

Хотя между мухами и людьми есть очевидные различия, во многих случаях наши клетки и органы ведут себя сходным образом, и изучать эти процессы на мухах проще, чем на людях. Самые ранние сведения о том, как радиация вызывает мутации генов, были получены на плодовых мушках, как и понимание наших суточных ритмов сна/бодрствования. И многие молекулы, ныне известные своей ролью в регуляции межклеточной коммуникации, были первоначально обнаружены учеными, сгорбившимися над микроскопами и разглядывавшими неподвижные тела обездвиженных мух.

Теперь этот список вклада плодовых мушек может быть расширен за счет поведенческих исследований, ранее невозможных, потому что люди, проводящие анализ, не могут ни четко видеть поведение мух, ни различать особей.

В своей статье Шнитцер и его команда заставили робота поднять муху и перенести ее на трекбол. Там они подвергали муху воздействию различных запахов и могли регистрировать ее поведение — мчалась ли она по трекболу, чтобы приблизиться, или пыталась отвернуться.

Плодовые мушки — не единственный крошечный организм, способствующий нашему пониманию биологии человека. Крошечный червь и прозрачная рыбка также широко используются. Поскольку они живут в водной среде, разработать роботов для автоматизации скрининга физических характеристик, пока животные проплывают мимо камер, было гораздо проще.

То, что делало мух такой сложной добычей — как в лаборатории, так и на кухне, — это их скорость полета.

Видя свет

Хоан Саваль, старший научный сотрудник Медицинского института Говарда Хьюза, находился в Стэнфорде, когда услышал о проекте робототехники в лаборатории Шнитцера. "Сначала мы думали, что это не сработает", — сказал Саваль, первый автор статьи. "Дело не только в том, чтобы поднять мух, но и в том, чтобы сохранить их живыми", — сказал он.

Помимо того, чтобы не раздавить мух, роботу нужно было уметь отличать уже осмотренных мух, чтобы не анализировать одну и ту же муху повторно. "Ключом была вспышка инфракрасного света", — сказал Саваль. Этот свет, невидимый для мух, не нарушал их поведение и давал визуальный паттерн, который робот мог использовать для различения особей.

Саваль говорит, что освобождение аспирантов для занятий наукой вместо изнурительной работы в "мушиной комнате" — одно из преимуществ робота, но еще важнее — спектр новых экспериментов, которые станут возможными. "В конечном итоге вы можете действительно продвигать многие области одновременно", — сказал он.