Биоэлектроника

Органическая биоэлектроника: как электропроводящие полимеры помогают совмещать электронику и живые ткани

Биоэлектроника

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Ученые давно мечтают превратить животных и растения в киборгов, управляемых электрическими сигналами, и пробуют сделать это самыми разными способами.

Так, около 10 лет назад появилась новая научная область — органическая биоэлектроника, — в которой посредниками между живыми существами и компьютерами выступают электропроводящие полимеры.

Дистанционное управление цветом листьев розы, искусственный нейрон и точечное лечение боли — первые результаты этого тройственного союза уже впечатляют.

Все живые организмы суть немного роботы или компьютеры. Только вместо привычного электричества — электронов, бегущих по проводам в розетку и обратно, — нами управляют нервные импульсы, потоки заряженных молекул, называемых ионами.

А на «кнопки» в живых электрических схемах нажимают не пальцы, а особые вещества — нейромедиаторы.

Когда их концентрация превышает определенный предел, в клеточных мембранах нейронов начинается цепочка биохимических реакций, которая заканчивается возбуждением нервного импульса.

Сейчас ученые стараются «поженить» компьютеры внутри нас с привычными кремниевыми микросхемами: интерфейсы «мозг-компьютер» уже умеют распознавать активность нервных клеток и преобразовывать их в осмысленные команды для электроники [1].

Так, используя силу мысли, можно играть в простенькие игры, двигать роботизированным протезом руки или даже управлять квадрокоптером.

Однако все эти устройства пока еще грешат ошибками и неточностями — скрестить в одном устройстве электронные и ионные токи непросто.

«Переводчиками» с языка живого на язык микросхем могут стать электропроводящие полимеры, которые проводят одновременно оба типа тока (рис. 1). Открытые в 70-х годах прошлого века, эти материалы активно исследовались многими учеными: на их основе делали транзисторы, солнечные батареи, органические светоизлучающие диоды (OLED) и другие устройства органической электроники.

Рисунок 1. Схематическое представление органических (справа) и неорганических (слева) полупроводников в контакте с электролитом.

Размеры заряженных ионов значительно больше расстояний между атомами в неорганических полупроводниках и потому ионная проводимость в этих материалах невозможна.

Одновременно с этим характерные размеры пустот между цепочками макромолекул сопряженных полимеров сопоставимы с размерами гидратированных ионов и потому ионная проводимость в этом классе соединений возможна.

Теперь преимущества электропроводящих полимеров — гибкость, простоту и вариативность синтеза, а также биосовместимость и ионную проводимость — пробует использовать органическая биоэлектроника — совсем молодая область материаловедения, которой уже есть, чем похвалиться [2].

Диагностика изнутри

Работа многих интерфейсов «мозг-компьютер» завязана на снятии ЭЭГ: на голове у человека закрепляют шапочку с электродами, в которых под действием ионных токов, протекающих в головном мозге, возникают свои собственные электронные токи. В работе 2013 года ученые из Франции предложили для тех же целей использовать органические электрохимические транзисторы [3].

Обычные полупроводниковые транзисторы — это основные компоненты всех электрических логических схем, своеобразные электронные кнопки с тремя контактами.

Сравнительно большим током, протекающим в них от одного контакта к другому, можно управлять с помощью небольшого сигнала (значительно меньшего тока или напряжения в случае полевого транзистора), который подается на третий контакт.

Собирая много транзисторов в одной схеме, можно усиливать, ослаблять и преобразовывать любые электрические сигналы или, говоря другими словами, обрабатывать информацию.

Похожим образом работают и органические транзисторы, с помощью которых исследователи записывали эпилептическую активность у живых лабораторных мышей. Третий управляющий контакт в этом транзисторе был сделан из проводящего полимера и введен прямо в мозг грызунов.

Полимер менял свою структуру (и, как следствие, проводимость) вместе с колебаниями электрической активности нервных клеток и в результате даже небольшие характерные изменения ионных токов в мозгу «киборга» приводили к заметным перепадам тока, текущего от входного контакта транзистора к выходному (рис. 2).

Рисунок 2. In vivo регистрация электрической активности мозга с помощью органических транзисторов.

Розовым цветом дана зависимость, снятая с помощью органического электрохимического транзистора, синим — пластикового электрода, черным — металлического электрода.

Обращаем внимание, что последние два электрода регистрируют электрический сигнал по скачкам потенциала, а транзистор — по скачкам тока в электропроводящем канале.

В своем эксперименте французы показали, что органические транзисторы позволяют фиксировать электрическую активность мозга заметно точнее их современных неорганических аналогов. В экспериментах других научных групп органические транзисторы успешно используют для снятия ЭКГ [4] или, например, определения концентрации молочной кислоты [5], глюкозы [6] и других биомолекул.

Пластиковые нейроны

Сегодня неврологические и психиатрические заболевания лечат, в основном, с помощью лекарств, но подобрать их дозировку, точечно доставить препарат в определенные клетки и одновременно учесть его побочное действие на самые разные процессы в организме бывает очень сложно.

Большой коллектив шведских ученых из нескольких институтов предложил решать эти проблемы с помощью все тех же электропроводящих полимеров, а точнее, с помощью еще одного устройства органической биоэлектроники — органического электронного ионного насоса, способного перекачивать ионы из одной среды в другую [7].

В своей работе исследователи изучали лабораторных крыс, у которых они сначала вызывали нейропатическую боль (ее причина — не внешний раздражитель, а нарушенная работа самих нейронов), а потом лечили ее с помощью точечного введения нейромедиатора ГАМК (гамма-аминомасляная кислота), который снижает раздражение центральной нервной системы [8]. Миниатюрный органический насос (около 12 см в длину и диаметром 6 мм) вводили в спинной мозг крыс, а его резервуар был наполнен ГАМК (рис. 3). С подачей внешнего электрического напряжения молекулы ГАМК начинали выходить по четырем ионпроводящим полимерным каналам в межклеточное пространство (видео 1).

Рисунок 3. Имплантируемый органический электрохимический насос.

A — фотография устройства, B — схематическое представление устройства, слева — электрический контакт, по центру — резервуар с ГАМК, справа — выводящие каналы.

Общая длина устройства составляет 120 мм, диаметр резервуара — 6 мм. С — четыре выхода органического электрохимического расположены в тех точках, где ветви седалищного нерва входят в спинной мозг.

 1. Органоэлектронный ионный насос

В результате у крыс пропадала боль (это проверяли с помощью тактильного теста: к лапам крыс подводили эластичные нити различной жесткости и следили, начиная с какого давления животное отдернет лапу), и не наблюдалось никаких побочных эффектов.

С использованием всех остальных методов лечения нейропатической боли при помощи ГАМК препарат вводится в спинной мозг в большой дозе, которая распределяется по нервной системе и помимо подавления боли приводит к нарушениям ходьбы, заторможенности и другим побочным действиям.

Параллельно с этой работой та же группа исследователей сделала первый искусственный нейрон на основе полимеров [9].

В нем ионный насос совместили с биосенсорами, чувствительными к глутаминовой кислоте (самому распространенному возбуждающему нейромедиатору [10]) и ацетилхолину (нейромедиатору, передающему сигнал от нейронов к мышечной ткани [11]).

К примеру, в одном из экспериментов «пластиковый» нейрон следил за уровнем глутамата в чашке Петри, и при превышении определенного порога в нем возбуждался ток, который открывал резервуар ионного насоса, выпускающего в окружающую среду ацетилхолин.

Работа искусственного нейрона очень похожа на то, как функционируют настоящие: нервный импульс возбуждается в одном из них и бежит через всю клетку к месту контакта с другим нейроном, там выделяется глутаминовая кислота, которая как бы нажимает кнопку и возбуждает следующий нейрон (рис. 4).

Так, по цепочке нейронов, импульс добегает до мышечной клетки, которая уже возбуждается не глутаминовой кислотой, а ацетилхолином. Созданный шведами пластиковый нейрон вполне может повторять эти действия и передавать сигналы другим клеткам.

В эксперименте это были клетки нейробластомы SH-SY5Y, активацию которых отслеживали по характерным увеличениям концентрации ионов при связывании ацетилхолиновых рецепторов.

Рисунок 4. Схема преобразования химического сигнала в электрический и обратно в искусственном полимерном нейроне идентична схеме работы живого нейрона.

Биосенсор (представлен зеленым) реагирует на повышение концентрации одного нейромедиатора (оранжевые точки), что генерирует поток электронов, возбуждающий органический электрохимический насос (представлен синим), выделяющий другой нейромедиатор (синие точки).

От электронных роз до самой зеленой энергии

Исследования на мышах, крысах и других лабораторных зверях нужно согласовывать с комиссиями по этике, а потому самые смелые эксперименты в органической биоэлектронике легче ставить на растениях.

Так, в конце 2015 года все та же шведская группа сделала первую розу-киборга [12].

Правда, ничего зрелищного она пока не умеет — ни раскрываться по нажатию кнопки на пульте управления, ни менять свой цвет в зависимости от влажности среды, ни захватывать мир, но кое-что интересное у исследователей все-таки получилось.

В первом эксперименте срезанную розу ставили в воду с растворенным электропроводящим полимером, который поднимался по черенку и формировал в розе проводящий канал.

Дальше ученые подводили к концам канала электрические контакты и вводили в черенок управляющий электрод — золотую проволоку, покрытую проводящим полимером. Так внутри розы собирался своеобразный органический транзистор.

При этом к одному каналу можно было подвести сразу несколько управляющих электродов и сделать простейшую логическую схему, по которой ток течет только при подаче определенных управляющих напряжений на обе золотые проволоки.

Во втором опыте в листья розы при помощи шприца накачивали водный раствор уже другого электропроводящего полимера, который умеет менять цвет при подаче внешнего напряжения.

К листу подводили электроды, включали ток и — вуаля: прожилки листочка обретали синевато-зеленый оттенок. Это закачанный в них полимер превращался из бесцветного в голубой (видео 2).

При этом, когда напряжение снимали, лист снова становился здорового зеленого цвета.

 2. Изменение цвета листа «электронной» розы.

Так ученые показали, что с помощью несложной техники внутри растений можно создать простые электронные схемы.

В перспективе это позволит управлять их физиологией и, например, добиваться повышения урожайности без генных модификаций или даже делать крошечные электростанции на энергии фотосинтеза.

Конечно, пока это звучит слишком дорого, но зато когда-нибудь технологии органической биоэлектроники позволят точечно контролировать каждое растение, а не сразу всю популяцию.

Первые эксперименты показали, что устройства органической биоэлектроники вполне могут принимать, передавать и обрабатывать биоэлектрические сигналы. Что дальше? Сейчас полимерные материалы научились делать биосовместимыми и биодеградируемыми, а потому чипами на их основе можно буквально напичкать любой живой организм [13].

Останется только научить их беспроводной передаче информации, и внутри человеческого тела можно будет создать локальную сеть сенсоров, постоянно следящих за различными медицинскими показателями вроде уровня глюкозы, сердечного ритма и электрической активности избранных нейронов, а потом передающими свои сигналы имплантированным медицинским роботам на основе тех же ионных насосов, чтобы они начинали бороться с проблемой.

Если же мысль стать таким киборгом вам совсем не по душе, можно будет просто проглотить таблетку со встроенной гибкой микросхемой — по кислотности, температуре и концентрации разных веществ она точно вычислит, где выпустить лекарство, и, сделав доброе дело, просто переварится у нас внутри как какой-нибудь кусочек сахара.

Текст впервые опубликован на портале «Чердак» [14].

  1. Киборги сегодня: нейрокомпьютерные технологии становятся неотъемлемой частью нашей жизни;
  2. Berggen M. and Richer-Dahflors A. (2007). Organic bioelectronics. Adv. Mater. 19, 3201–3213;
  3. Khodagholy D., Doublet T., Quilichini P., Gurfinkel M., Leleux P., Ghestem A. et al. (2013). In vivo recordings of brain activity using organic transistors. Nat. Commun. 4, 1–7;
  4. Yao C., Li Q., Guo J., Yan F., Hsing I.M. (2015). Rigid and flexible organic electrochemical transistor arrays for monitoring action potentials from electrogenic cells. Adv. Health. Mater. 11, 528–533;
  5. Khodagholy D.D., Curto V.F., Fraser K.J., Gurfinkel M., Byrne R., Diamond D. et al. (2012). Organic electrochemical transistor incorporating an ionogel as a solid state electrolyte for lactate sensing. J. Mater. Chem. 22, 4440–4443;
  6. Macaya D.J., Nikolou M., Takamatsu S., Mabeck J.T., Owens R.M., Malliaras G.G. (2007). Simple glucose sensors with micromolar sensitivity organic electrochemical transistors. Sens. Actuators, B. 123, 374–378;
  7. Johnson A., Song Z., Nillson D., Meyrson B.A., Simon D.T., Linderoth B., Berggren M. (2015). Therapy using implanted organic bioelectronics. Sci. Adv. 4, 1–6;
  8. Спокоен как GABA;
  9. Simon D.T., Larsson K.C., Nillson D., Burstorm G., Galter D., Berggren M., Richter-Dahflors A. (2015). An organic electronic biomimetric neuron enables auto-regulated neuromodulation. Biosens. Bioelectron. 123, 374–378;
  10. Очень нервное возбуждение;
  11. Молекула здравого ума;
  12. Stavrinidou E., Gabrielsson R., Gomez E., Crispin X., Nilsson O., Simon D.T., Berggren M. (2015). Electronic plants. Sci. Adv. 1, e1501136;
  13. Berggren M., Simon D.T., Nillson D., Dyreklev P., Norberg P., Nordlinder S. et al. (2016). Browsing the real world using organic electronics, Si-chips and a Human Touch. Adv. Mater. 28, 1911–1916;
  14. Петров М. (2016). Роза-киборг, искусственный нейрон и другие гибриды живых существ и машин. Чердак;
  15. Rivany J., Owens R.M., Malliaras G.G. (2014). The rise of organic bioelectronics. Chem. Mater. 26, 679–685.

Источник: https://biomolecula.ru/articles/organicheskaia-bioelektronika-kak-elektroprovodiashchie-polimery-pomogaiut-sovmeshchat-elektroniku-i-zhivye-tkani

Достижения в биоэлектронике

Существование такого направления как биоэлектроника стало возможным благодаря работам Л. Гальвани и А. Вольта еще в 18 веке. Гальвани первый предположил, что сокращение нервно-мышечного аппарата лягушки было вызвано биоэлектричеством. Он считал, что нервное волокно выступало проводником.

 Только в 19 веке было выяснено, что существует ряд возбудимых клеток, способных создавать электрические поля. Именно благодаря работам Гальвани и Вольта стали моделировать различные биологические системы, изучать их функции и возможности.

Это поспособствовало созданию искусственных органов, биочипов, биосенсоров.

Как обстоят дела в наше время

Сегодня имеет место взаимосвязь между двумя разными областями: биохимией и электроникой, которая выразилась в новом направлении – биоэлектронике. Это область, которая объединяет биотехнологию и электронику.

Она основана на электрических свойствах биологических материалов. Биоэлекторника способствует замене традиционных неорганических полупроводников на органические.

 Первым достижением биоэлектроники является создание биосенсоров, за которые следует благодарить создателей первого в своем роде биосенсора Л. Кларка, а также К. Лионе.

Биосенсоры

Это анализирующие устройства, применяющие биологические материалы для обнаружения различных молекул и посылающих электросигнал об их количестве и присутствии. Это изобретение позволяет анализировать разные биологические жидкости, оно работает как биорецептор живого организма.

 Любой из биосенсеров состоят из пары частей: биохимического (состоящего из биологического материала) и физического преобразователя сигнала в электрический (речь идет о трансдьюсере). В качестве биологического материала могут использоваться ферменты, белки, иммобилизованные клетки, антитела и прочие биологические объекты.

Назначение физического трансдьюсера – преобразование сигнала. В этом процессе участвуют электроды, оптические, спектроскопические, термические преобразователи, гравитационные, калориметрические системы. Схема работы биосенсора: концентрация биологической жидкости ->биосенсор ->трансдьюсер ->запись и преобразование сигнала.

 Самые распространенные биосенсоры: ферментные; клеточные. Первые включают электроды, микрокалориметрические датчики. Также в конструктивными элементами являются датчики на основе хеми- и биолюминесценции.

Особенность работы микрокалориметрических датчиков – используют тепловой эффект от химической реакции, участниками которой являются ферменты. Их конструкция включает измерительную и контрольную колонки, которые содержат субстрат с иммобилизованными ферментами, а также термисторы.

 Что касается хеми- и биолюминесцентных вариантов датчиков, то в их работа основывается на улавливании излучения, образующегося в результате ферментативной реакции. Конструктивные особенности – колонки с иммобилизованными ферментами + элемент, улавливающий свет. Этот вид датчика обладает высокой чувствительностью.

 Биосенсоры, имеющие в своем составе электроды с иммобилизованными ферментами, способны проводить до нескольких сотен измерений, а биосенсоры с простыми ферментными препаратами только около 50.

 Биосенсоры, также способны определять субстраты различных ферментов (на кислородном электроде), а также наоборот, способны определять по концентрации субстрата активность ферментов. Клеточные биосенсоры. Широко применяются для иммобилизации клетки микроорганизмов, растений, животных.

Они должны легко культивироваться и развиваться в чистой культуре. Для их применения не нужно дорогостоящих стадий очистки. Благодаря современным методикам возможно длительное сохранение активности ферментов, реализация сложных последовательных реакций.

Клеточные биосенсоры обладают рядом недостатков:

  • Так как применяются толстые мембраны, то электрод обладает медленным откликом.
  • Низкая селективность.

Биосенсоры могут применяться для:

  • измерения пищевой ценности и безопасности продукции,
  • анализа различных биологических жидкостей,
  • определения степени загрязнения экологических ниш,
  • получения металлов стоков,
  • очистки различных видов вод, в том числе сточных вод,
  • генетической терапии.

Биочипы

Также перспективным направлением в биоэлектронике является производство биочипов. Биочип – миниатюрная аналитическая система, которая применяется для разработок новых препаратов, создания новых диагностических тестов, для секвенирования.

Биочипы состоят из сенсорной системы, трансдьюсера, аналого-цифрового преобразователя и микропроцессора, который рассчитывает результаты анализа. Впервые что-то подобное современному биочипу создал Э. Саузерн в 1975 году. В России разработкой биочипов занялись в начале 90-х.

 Сегодня биочипы широко применяются в медицине, фармацевтике, экологии, различных видах экспертиз и анализов.

Среди биочипов выделяют:

  • на матричной оснвое,
  • на микрофлюидной основе,
  • на микросферной основе, с задаваемой цветной кодировкой.

Сумма всех ячеек на чипе составляет 103-105, а его линейный размер примерно равен 1 см. Микрозонды, взаимодействующие с исследуемым материалом, наносят на подложку небольшого размера. Микрозонд представлен небольшой каплей около 100 микрон. Ячейки одного микрозонда имеют один размер и расположены по10-30 капелек на 1 мм2.

Биочипы различаются по плотности расположения ячеек.При помощи данного механизма на обычном биочипе стало возможным размещать анализаторы, которые способны обрабатывать информации 100 тысяч генов. Биочипы изготавливаются из стекла, пластика, полупроводников и металлов.

На пластиковые, стеклянные и прочие пластинки наносят ДНК, белки, ферменты, которые могут избирательно связывать вещества в исследуемом растворе. Практически все биочипы используют при своей работе различные химические реакции.

Механизм работы биочипов заключается в том, что молекулы анализируемого материала объединяются с микрозондом, который размещен в ячейке биочипа. Присутствие определенных веществ или генов определяют по люминесцентному свечению на прореагировавшем чипе. Перед началом работы биочипа, анализируемый материал метят флуоресцентным красителем.

При взаимодействии биочипа с образцом в определенной ячейке, происходит реакция, в результате которой происходит свечение этой ячейки. Анализ результатов проводят с помощью широкопольного микроскопа, соединенного с компьютером и видеокамерой.

В гелевых биочипах поверхность стекла предварительно обрабатывается, далее на стекло наносят полиакриламидный гель и проводят фиксацию ДНК. Механизм иммобилизации основан на формировании химических связей, образующихся в результате фотореакции при обработке УФ лучами. ДНК-микрочипы применяются для:

  • обнаружения мутаций в генах,
  • установления функций генов,
  • генетической терапии,
  • распознавания генов,
  • для исследования патогенных и полезных микроорганизмов.

Нашумевшие достижения

Карбин. Это линейный углеродный полимер, форма молекул которого напоминает длинную тонкую цепочку, включающую углеродные атомы.

Фуллеренами. Эта новинка представлена полыми молекулами – полыми многогранниками, включающими атомы углерода. В одной 1 молекуле может быть до 560 атомов.

Нанотрубки. Представляют собой материал в составе которого имеется углерод. Длинна не превышает пары микронов.

Графен. Это уникальный пленочный материал, который имеет особую углеродную структуру. Ее толщина равняется толщине одного атома углерода.

Материал «заживляющий раны». Парижские ученые не так давно получили эластичный материал, заживляющий раны. Этот чудо-материал в какой-то степени схож с резиной. Хитрость быстрого эффекта заживления связана с надмолекулярными связями.

Человек-невидимка – миф или реальность?

Мы привыкли, что невидимка – это не более чем сказочный персонаж. Шапка-невидимка или таковой плащ – это одежда персонажей фильмов, мультиков – миф. Ранее подобные размышления были на все сто правильными. В наше время ситуация несколько иная. Ученые разработали материалы, которые на перспективу действительно позволят людям становится невидимыми.

 Представители биомолекулярной электроники предъявили общественности результаты своих исследований. Столичными научными деятелями И. А. Наумовым, В.А. Каплуном получены материалы с оптическими световодами, которые на перспективу будут использоваться в качестве военной маскировочной формы.

 В этом плане не отстают японские инженеры – запатентовали «костюм», также делающего человека невидимым. Он сделан из наноматериала, представленного тонким пленочным, кристаллическим телеэкраном. Затылочная миниатюрная телекамера передает изображение на перед камуфляжа, а передняя камера проецирует картинку на его заднюю часть.

 Американцы заверили, что им удалось получить при помощи зеленого лазера объект-невидимку.

Источник: https://LivePosts.ru/articles/hi-tech-at/electronics/dostizheniya-v-bioelektronike

Сможет ли биоэлектроника вылечить рак в будущем?

Интересно, когда вы слышите о том, что киборги становятся реальностью, вспоминаете ли вы о красноглазом Арнольде из стали? Как бы то ни было, будущее, в котором человек и машина станут одним целым, связано не только с гайками и болтами. Без биологии никуда.

Тим Мали, который сам себя называет экспертом по киборгам, рассказал ресурсу Gizmodo о том, каким будет первый киборг. Скорее всего, это будет не механическое тело, а выращенное с помощью биотехнологий, и едва ли мы увидим в нем Робокопа — скорее, оно будет собрано по частям из небольших улучшений.

И эти улучшения уже начались.

Сфера, известная как биоэлектроника, является именно тем, чем кажется: когда биология встречает электронику. Прежде чем забегать вперед, важно определить, что такое биоэлектроника. После перейдем к ее интереснейшим возможностям.

Краткая история

Биоэлектроника представляет собой довольно новое слово, когда дело доходит до научных дисциплин, хотя ее истоки лежат за столетия до этого. Первая электрокардиограмма была сделана в 1895 году и заложила собой начало биоэлектроники.

Тогда стало очевидно, что электронные системы будут иметь серьезное влияние на все области медицины.

Сегодня по всему миру имплантируется более полумиллиона дефибрилляторов в год, превращая миллионы людей в киборгов, вне зависимости от того, понимают они это или нет.

Сфера биоэлектроники только недавно стала известной. По факту, около 95 % статей, написанных на эту тему, было опубликовано после 1990 года. И только за последние пару лет начали происходить действительно прорывы мирового значения.

После того как 20 век принес нам почти все, от кардиостимуляторов до роботизированных протезов, амбициозные ученые начали задаваться вопросом, куда можно было бы завести отношения между биологией и электроникой.

Вместо того, чтобы строить электронные устройства, которые могут быть имплантированы в биологические системы, например, почему бы не построить устройства, которые станут их частью?

Биокомпьютеры

До сих пор все происходило на клеточном уровне. Ученые строят биокомпьютеры, которые используют биологически полученный материал для выполнения вычислительных функций.

Эти маленькие невероятные изобретения используют ДНК для производства белков в системе в соответствии с очень конкретным направлением.

Конкретнее, они используют белки и ДНК для обработки информации вместо кремниевых чипов.

Чтобы считаться компьютерами, им нужно уметь делать три вещи: хранить информацию, передавать ее и выполнять функции в соответствии с системой логики. Ученые давным-давно выяснили, как хранить и передавать информацию. (В конце концов, сама ДНК хранит и передает информацию). Только в прошлом году стало известно, как заставить биокомпьютеры производить вычисления.

Команда во главе со стэнфордским биоинженером Дрю Энди создала систему передачи генетической информации, которая использует нечто под названием «транскрипторы», работающие как электронные транзисторы.

В то время как транзисторы работают по принципу пропускать или не пропускать электроны через шлюз, транскрипторы позволяют протеину под названием РНК-полимераза проходить или не проходить в нить ДНК.

Это неизбежно позволило ученым создать полностью функциональный биокомпьютер.

Когда биология встречает электронику

Построение биологической системы, которая будет работать как электронная, еще нельзя назвать биоэлектроникой. Биокомпьютер — это строительный блок для чего-то большего, понимания того, как биологические и электронные системы могут существовать в симбиозе.

Именно этим занималась группа ученых Гарвардского университета в 2012 году, когда создала «кибернетическую» ткань, которая совмещала трехмерную сеть функционирующих, биосовместимых и наноразмерных проводов с человеческой тканью.

Это открытие уже можно назвать синергией, обозначенной выше.

«Современные методы, которые позволяют нам наблюдать или взаимодействовать с живой системой, крайне ограничены», — говорит профессор Чарльз Либер, руководящий исследованием. — «Мы можем использовать электроды для измерения активности клетки или ткани, но это повредит их.

Благодаря новой технологии мы впервые можем работать в тех же масштабах, что и биологическая система, не мешая ей. В конечном счете, речь идет о слиянии ткани с электроникой таким образом, что становится трудно определить, где заканчивается ткань и начинается электроника».

Просто задумайтесь об этом.

Человеческое тело управляется серией электрических сигналов, поэтому Либер и его команда разработали новый материал в виде автономной нервной системы, использующей наноразмерные провода, которые выступают в роли нервов.

В настоящее время материал, вероятно, будет использоваться в фармацевтической промышленности, чтобы увидеть как человеческие ткани реагируют на лекарства, но нет никаких ограничений для создания электронных частей тела.

Биоэлектронное лекарство от рака

Давайте сразу проведем черту. Материал, который является частью электроники (читай: с проводами) и частью биологии (читай: сделан из живых клеток) безусловно биоэлектронный.

Но конечная цель биоэлектроники лежит еще дальше.

Например, в устройствах, по большей части гипотетических, которые будут использовать принципы биовычислений и архитектуры биологической электроники, чтобы делать невероятные вещи.

Чтобы добраться туда, потребуется время. Пока мы только добились успеха в манипуляции электрическими свойствами живых клеток.

Биолог Михаил Левин из университета Тафтса, например, считает, что есть возможность настроить существующие электронные сигналы в клетках, чтобы образовать новые модели роста.

Это почти ничем не отличается от настройки потока белков в биокомпьютерах для выполнения определенных функций, кроме того, что может изменить мир.

Просто представьте, какое влияние могут оказать эти исследования на лечение рака. В феврале прошлого года команда Левина опубликовала статью, которая описывает, как конкретные электрические сигналы связаны с ростом опухоли. В сущности, если бы вы могли определить этот уникальный биоэлектронный сигнал на ранней стадии, можно было бы обнаружить опухоль еще до того, как она начнет расти.

Более того, если вы можете манипулировать этими биоэлектронными сигналами, вы вообще можете остановить рост рака. В идеале такие манипуляции не только могли бы излечить людей от всех болезней, но и выращивать новые конечности, например.

Давайте превратим вас в живой компьютер

Вот где находится грандиозное применение биоэлектроники: в медицине. Разные типы устройств уже продаются как носимые датчики, способные рассказать вам что-то о вашем теле.

Не так давно Google представила контактные линзы, которые способны определять уровень глюкозы в вашей крови. Это прекрасный пример.

Некоторые из этих устройств работают в тандеме со смартфоном или компьютером, но ученые в конечном счете надеются, что те будут работать автономно, без проводов и даже без батарей.

Такое будущее мне нравится. Чуть больше месяца назад фармацевтический гигант GlaxoSmithKline объявил приз на миллион долларов за инновацию в сфере биоэлектроники.

Они ищут гениальных ученых, способных построить «миниатюрное, полностью имплантируемое устройство, которое сможет читать, записывать и блокировать электрические сигналы тела, чтобы излечить болезнь». Звучит невероятно.

День, когда мы избавимся от астмы и диабета, что потенциально спасет миллионы жизней, не за горами. А благодаря последним исследованиям, мы знаем, что это возможно.

Честно, меня переполняет радость при одной мысли о том, что я, возможно, стану представителем поколения, которое будет жить долго и безболезненно. Очень долго.

Источник: https://hi-news.ru/technology/smozhet-li-bioelektronika-vylechit-rak-v-budushhem.html

Поделиться:
Нет комментариев

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.