Казалось бы, у бактерии кишечной палочки и электронного устройства мало общего, но в ходе недавнего эксперимента учёные Мэрилендского университета соединили их в первую в своём роде замкнутую систему, способную обмениваться сообщениями через технологическо-биологический разрыв.
Команда из Института биомедицинских устройств имени Роберта Э. Фишелла и Института научных и биотехнологических исследований (IBBR) использовала химические реакции и генную инженерию, чтобы продемонстрировать, как электронные сигналы могут управлять биологическими процессами клеток в режиме реального времени, в работе, недавно опубликованной в журнале Nature Communications.
Исследование, проведённое под руководством профессора биоинженерии и директора Института Фишеля Уильяма Э. Бентли и профессора-исследователя ИББР и сотрудника Института Фишеля Грегори Ф. Пейна, может стать первым шагом на пути к созданию «умных» устройств для здравоохранения, таких как системы доставки лекарств для диабетиков или системы отслеживания прогрессирования заболевания у раковых больных в режиме реального времени. (E. coli была выбрана потому, что это легко размножающийся микроорганизм, часто используемый в экспериментах).
Два исследователя уже несколько лет совместно работают над развитием биоэлектроники. Они говорят, что, хотя такие устройства, как дефибрилляторы и электрокардиограммы, работающие с электрическими сигналами сердца, являются большим достижением в области биоэлектроники, ощущается нехватка простых устройств, которые получают доступ к молекулярной информации для оценки состояния здоровья и лечения заболеваний.
«Давним препятствием на пути коммерциализации технологии биоэлектроники является способность успешно установить бесшовную связь между биологическими системами и электронными устройствами, — говорит Бентли. — Как и в случае со многими другими сложными взаимоотношениями, основа решения проблемы требует хорошей связи — успешного обмена информацией».
В обычной электронике информацию передаёт поток электронов через проводники, в то время как в беспроводной связи эту работу выполняют электромагнитные волны.
«В биологии нет свободных электронов, перемещающихся по телу, — говорит Салли Ванг (Sally Wang Ph.D. '23), постдокторский исследователь и соавтор данной работы вместе с Чен-Ю Ченом (Chen-Yu Chen Ph.D. '23), сотрудником лаборатории Бентли. — Что же делают биологические системы, чтобы переместить эти электроны? Они переносят электроны с помощью окислительно-восстановительных реакций».
В клетках образуются окислительно-восстановительные (или восстановительно-окислительные) молекулы, которые могут переносить электроны из одного места в другое с помощью окислительно-восстановительных химических реакций, что приводит к появлению и потере электронов в клетках. Этот перенос электронов приводит к изменению уровня окисления в клетках и играет центральную роль в таких важных биологических процессах, как фотосинтез и дыхание.
Почти шесть лет назад Бентли и Пейн продемонстрировали, что окислительно-восстановительные реакции могут преодолеть разрыв между биологическими и электронными системами. С тех пор они работают над созданием биологических окислительно-восстановительных сетей и манипулируют ими для передачи биоэлектронной информации на разных уровнях, включая белки, отдельные клетки и группы клеток. Эту многогранную и переплетённую связь между системами команда назвала «Интернетом жизни».
Основываясь на этих исследованиях, Ванг и Чен продемонстрировали замкнутую систему, в которой биологическая активность клетки может не только контролироваться в режиме реального времени с помощью электронных сигналов, но и управлять её генетическими системами. Последняя функция называется «электрогенетика» — подход, который был представлен командой UMD и с тех пор принят несколькими группами по всему миру.
Используя инструмент редактирования генов CRISPR, команда создала бактериальные клетки кишечной палочки, включив в них белки и антитела из других организмов, таких как медузы и бактерии Pseudomonas, чтобы позволить кишечной палочке реагировать на электричество особым образом. Получая электроны, они излучают флуоресценцию в виде оптических сигналов, которые можно записать и интерпретировать на компьютере в режиме реального времени. Затем компьютер может определить, нужно ли ей подавать больше тока, чтобы поддерживать передачу электронов между системами, демонстрируя цикл.
Сконструированные клетки могут принимать электроны как от электродов, так и от клеток через окислительно-восстановительные реакции.
