Создан искусственный организм, вопроизводящий технику перемещения живых медуз

Работа ученых может послужить доказательством в пользу возможности реализовывать на практике концепцию реинжиниринга (обратного проектирования) различных мышечных органов и простых живых организмов. Она также расширяет само понятие «синтетической жизни», под которым ранее подразумевалась репликация органических строительных блоков.

Метод проектирования органической ткани для создания медузы, прозванной «Медузоидом» (Medusoid), описывается в выпуске Nature Biotechnology от 22 июля.

Эксперт по клеточным и тканевым активным системам, соавтор работы Кевин Кит Паркер (Kevin Kit Parker) незадолго до этого уже продемонстрировал биоинженерную «конструкцию», которая может хватать окружающие предметы и даже самостоятельно передвигаться. Кроме того, его желание перейти к проектированию более сложных искусственных организмов совпало с неудовлетворенностью состоянием дел в кардиологической сфере.

Так же, как человеческое сердце прокачивает кровь через организм, медуза перемещается в воде, нагнетая и выпуская воду подобно помпе. Цель исследования заключалась в том, чтобы разобраться в принципах функционирования этой «живой помпы» и затем воспроизвести искусственную систему на базе модели двигательных способностей медузы.

Medusoid, или искуственная медуза, созданная для того, чтобы показать возможности проектирования и конструирования искусственных живых организмов

«В 2007 году меня посетила мысль о том, что мы, возможно, плохо понимаем фундаментальные законы, касающиеся мышечных помп», - говорит Паркер, профессор биоинженерии и прикладной физики из Гарвардской Школы Инженерных и Прикладных Наук (Harvard School of Engineering and Applied Sciences, SEAS) и участник подразделения по изучению клеточного ядра в Институте Биоинженерии Гарвардского Университета. «Тогда я стал присматриваться к морским организмам, которые передвигаются за счет органической помпы. Затем я увидел медузу в Аквариуме Новой Англии и сразу же отметил для себя сходство и различие между тем, как медуза и человеческое сердце прокачивают жидкость».

Профессор Паркер конструировал Медузоида в сотрудничестве с главным автором работы Дженной Наурот (Janna Nawroth), докторантом-биологом Калифорнийского Технологического Института (the California Institute of Technology, Caltech), которая проводила свои исследования в лаборатории Паркера. Также участие в этом проекте принимал профессор аэронавтики и биоинженерии Джон Дабири (John Dabiri), эксперт по биологическим двигательным системам.

«Перед нами стоит задача серьезно продвинуть вперед проектирование тканей», - поясняет Дженна. «Сейчас это скорее что-то вроде искусства, когда люди пытаются скопировать ткань или орган, отталкиваясь лишь от своих представлений о важности тех или иных базовых компонентов –  по сути, не понимая, действительно ли нужны эти компоненты для осуществления определенной функции, и без анализа возможностей применения разных материалов».

Медузы как старейшие организмы, содержащие в себе различные функциональные органы, стали идеальными объектами для изучения, поскольку они используют мускулатуру для прокачки воды и перемещения в водной среде, а их морфология подобна человеческому сердцу.

Снимки, демонстрирующие на наноуровне структуру мышечной ткани настоящей медузы (слева) и искусственного организма (справа)

Для реинжиниринга медузы исследователи позаимствовали аналитический инструментарий у криминалистической биометрии и кристаллографии, чтобы составить карты субклеточных протеиновых сетей внутри всех мышечных клеток животного. После этого они изучили электрофизиологические и биомеханические особенности сокращения мускулатуры и движения медузы в воде.

Оказалось, что наиболее подходящим исходным материалом для создания синтетической медузы является искусственно выращенная ткань миокарда крысы, которая, находясь в жидкой среде, способна сокращаться под воздействием электрической стимуляции. В дальнейшем команда ученых поместила силиконовую полимерную основу искусственного существа в тонкую мембрану, своей формой напоминающую медузу с восемью отростками-щупальцами.

Опираясь на все те же аналитические инструменты, исследователи смогли совместить субклеточную, клеточную и тканевую архитектуру мускулатуры медузы с клетками миокарда крысы.

Впоследствии искусственную биоконструкцию погрузили в соленую воду, химически схожую с океанической, после чего синхронизированные сокращения, инициированные электроимпульсами, привели новый организм в движение. (На самом деле, мышечные клетки начали сокращаться сами по себе еще до того, как начали поступать управляющие электрические сигналы).

Искусственно выращенная медуза (справа) перемещается в водной среде практически таким же образом, как и живая медуза (слева)

«По-моему, удивительно, что нам удалось воссоздать комплексное плавательное поведение, характерное для живой медузы, при помощи сравнительно простых компонентов: силиконовой основы и мышечных клеток», - замечает профессор Дабири.

Такой подход к проектированию, по словам исследователей, можно будет применять для реинжиниринга мышечных органов человека.

«Нам как инженерам привычно конструировать объекты из стали, меди или бетона», - дополняет Паркер. «Я рассматриваю клетки как альтернативный строительный материал, но нам необходимы его точные количественные характеристики, чтобы технология проектирования тканей стала доступной для регулярного применения. Медуза предоставляет алгоритм для реинжиниринга функции органа и установления параметров его работы. Мы можем выполнить полный цикл инженерно-проектировочного процесса: проектирование, конструирование и тестирование».

Помимо прогресса в области проектирования тканей, профессор Паркер считает важным создание живого существа с целью бросить вызов традиционной синтетической биологии, которая «сфокусирована на генетических манипуляциях с клетками». Вместо того чтобы конструировать одиночную клетку, он намерен «создать целое животное».

В будущем ученые собираются усовершенствовать искусственную медузу, так чтобы она могла разворачиваться и двигаться в определенном направлении, и даже включить в ее состав простой «мозг», чтобы организм был способен реагировать на окружающую его среду, а также демонстрировать более продвинутое поведение вроде следования за источником света или получения энергии из пищи.