Многочисленные работы по интеграции электронных схем и биологических организмов строятся на тех или иных операциях по вживлению мёртвого в живое. Открытие шведских учёных может в корне изменить подход и привести к по-настоящему полной интеграции машины и человека. Разветвлённую сеть электродов можно будет создавать прямо в клетках и живых тканях с использованием биологического строительного материала.

Источник изображения: Thor Balkhed

Многолетнее исследование учёных из университетов Линчепинга, Лунда и Гетеборга помогло разработать содержащий специальные ферменты гель с «молекулами сборки», инъекция которого в живые ткани запускает реакции по формированию токопроводящих электродов в живых организмах. При этом никаких внешних воздействий или изменений в генах не требуется, и это первый такой успешный опыт за всю историю исследований.

В ходе опытов учёные вводили чудо-гель в рыбок данио-рерио и в медицинских пиявок. После этого электроды были обнаружены в мозге, сердце и хвостовых плавниках рыбок и вокруг нервной ткани пиявок. Ни рыбки, ни пиявки не пострадали от геля или после синтеза электродов.

«Внося разумные изменения в химический состав, мы смогли разработать электроды, которые были приняты тканями мозга и иммунной системой. Рыбки данио-рерио — отличная модель для изучения органических электродов в мозге», — объяснил Роджер Олссон (Roger Olsson), профессор медицинского факультета Лундского университета.

Электронная схема создаётся в организме практически естественным образом и не оказывает на него пагубного влияния. «В течение нескольких десятилетий мы пытались создать электронику, имитирующую биологию, — сказал Магнус Берггрен (Magnus Berggren), профессор Университета Линчепинга. — Теперь мы позволяем биологии создавать электронику за нас».

Представленная разработка — это лишь основа для будущих кардинальных изменений в подходах для интеграции электронных компонентов в тело животных и человека. С точки зрения медицины открытие даёт надежду на лечение тяжёлых неврологических заболеваний. Речь идёт как о стимуляции поражённых тканей, так и об их замене компьютерными платформами. Но быстрых решений не будет — это точно.

Современная электроника в виде камер и микрофонов превзошла возможности людей и животных видеть и слышать. С обонянием всё намного сложнее, но электроника выручает и в этом: датчики газов, взрывчатых и наркотических веществ постепенно развиваются. Особенно перспективно направление на стыке биологии и электроники, когда рецепторы живых существ, обычно насекомых, включают в электрические схемы.

Источник изображения: Tel Aviv University

В недавнем прошлом было много экспериментов с усиками саранчи, которые отвечают у насекомого за определение запаха. Рецепторы в усиках посылают в нейронную систему саранчи электрические импульсы, значение которых можно расшифровать с помощью компьютерных алгоритмов, называемых сегодня искусственным интеллектом.

С помощью усиков саранчи ученые из Мичиганского государственного университета, например, учились искать по запаху раковые клетки и преуспели в этом. Ещё раньше были опыты с поиском взрывчатых веществ и, наверняка, было и есть что-то ещё в этой сфере. Сегодня о таком успешном опыте сообщили исследователи из Тель-Авивского университета, о чём подробно рассказали в статье в журнале Biosensor and Bioelectronics.

Учёные сделали автономное шасси с ИИ и датчиками на основе усиков саранчи. Алгоритм научился распознавать восемь «чистых» запахов, включая герань, лимон и марципан плюс две смеси разных запахов. При этом чувствительность гибридного «носа» оказалась в 10 тыс. раз больше, чем у современных специализированных анализаторов запахов. По словам разработчиков, однажды их платформа сможет находить наркотики, взрывчатые вещества и многое другое.

Выращенные из стволовых клеток ткани человеческого мозга имплантировали в мозг мыши, после чего учёные впервые смогли наблюдать за реакцией внешних раздражителей на вживлённые в чужеродный мозг искусственные ткани. Помогли в этом специальные графеновые электроды, которые сочетали прозрачность и электрическую чувствительность.

Источник изображения: David Baillot

Прогресс в исследованиях со стволовыми клетками дошёл до того, что учёные научились выращивать трёхмерные клеточные популяции, имитирующие настоящие органы человека. И хотя до выращивания полноценных органов ещё далеко, органоиды открывают возможность изучать влияние лекарств и процессов максимально близко к биохимическим процессам в органах живых людей без необходимости рисковать здоровьем пациентов в клинических испытаниях. По крайней мере, на раннем этапе испытания лекарств.

Ранее мы сообщали, что учёные провели ряд экспериментов с органоидом мозга человека — клеточной популяцией, выращенной из индуцированных стволовых клеток в примитивное подобие человеческого мозга. В Стэнфордском университете учёные не только смогли научить органоид мозга играть в компьютерную игру Pong, но также провели опыт по имплантации тканей органоида в мозг новорожденных крыс, где те успешно прижились.

Исследователи из Калифорнийского университета (UC) в Сан-Диего развили работу коллег, показав, что органоиды человеческого мозга, имплантированные мышам, способны реагировать на внешние раздражители. В частности, ткани органоида мозга были вживлены в зрительную кору мышей.

Для контроля над экспериментом поверх клеток органоида расположили прозрачный графеновый электрод. Прозрачный электрод позволил изучать ткани мозга на глубину с помощью двухфотонного лазерного микроскопа. Это позволило увидеть, как кровеносные сосуды мозга мыши проникают в органоид и начинают питать его всем необходимым для жизни клеток. Электрические датчики графенового электрода снимали активность нейронов в органоиде и в родной зрительной коре мозга мыши.

Опыт показал, что вспышки света перед глазами мыши сопровождались активностью тканей органоида. Проще говоря, ткани «человеческого» мини-мозга вжились в структуру мозга мыши и начали принимать участие в его работе по прямому назначению — реагировать на внешние раздражители. В данном случае — на свет, что позволило впервые уверенно сказать, что искусственный мозг ведёт себя как настоящий. На таком мозге возможно будет испытывать новые лекарства и проверять новые методики, а значит, дело с поиском средств для лечения множества опасных и даже смертельных болезней пойдёт намного быстрее.

Возможность посадить дрон на ветки, провода или на выступающие части конструкции значительно расширила бы автономность и функциональность беспилотников. Сидя высоко на дереве, можно вести наблюдение или снимать показания датчиков при выключенных двигателях. Более того, солнечная батарея дрона сможет зарядить аккумуляторы для перелёта на другую ветку, если нужно сменить угол обзора. Но для этого необходим захват, как у птиц и учёные занимаются этим.

Источник изображений: EPFL/Raphael Zufferey

В рамках междисциплинарного европейского проекта GRIFFIN (General compliant aerial Robotic manipulation system Integrating Fixed and Flapping wings to INcrease range and safety) специалисты из Федеральной политехнической школы Лозанны и Университета Севильи разработали монозахват для орнитоптера (махолёта). У дрона для облегчения его веса предусмотрена всего одна «куриная ножка». Однако конструкция создана таким образом, что это не снижает устойчивость дрона при посадке и удержании на импровизированном насесте.

«Как только орнитоптер сможет освоить автономную посадку на ветку дерева, у него появится потенциал для выполнения конкретных задач, например, ненавязчивого сбора биологических образцов или измерений с дерева. В конце концов, он сможет приземляться даже на искусственные конструкции, что откроет новые области применения», — сказал Рафаэль Зуффери (Raphael Zufferey), работающий над GRIFFIN в Севилье.

Испанские и швейцарские учёные не одни работают над проектами перспективных шасси для дронов, подсмотренных у природы. Год назад мы рассказывали о «куриных ножках» для дронов, созданных в Стэнфордском университете. Учёные решали более прозаическую задачу — они придумали шасси с захватом для обычных дронов с роторными двигателями. Проект GRIFFIN пошёл дальше по пути природы. Европейские учёные намерены повторить путь эволюции птиц. Европейский «дрон с ножками» не только садится на ветки, он ещё машет крыльями и держит себя ими в воздухе.

Ряд психических заболеваний и возрастные изменения вызывают ухудшение рабочей памяти у людей. Учёные ищут пути к простой стимуляции мозга, чтобы спасать пациентов от таких явлений. Например, уже предложены методики электрической и электромагнитной стимуляции правого полушария, эффект от которых держится до одного месяца. Новое исследование обещает улучшить кратковременную память с помощью лазера, просто посветив им в нужную область мозга сквозь черепную коробку.

Источник изображения: Science Advances

Учёные из Великобритании, Китая и США провели серию исследований на 90 студентах, в ходе которых убедительно доказали возможность неинвазивной (без хирургического вмешательства) лазерной стимуляции мозга, о чём они подробно рассказали в журнале Science Advances.

Молодые люди в возрасте от 18 до 25 лет обоих полов были разделены на две группы. Людей из одной группы облучали со стороны левой префронтальной коры, а испытуемых из другой группы облучали со стороны правой префронтальной коры. Облучение велось лазером с длиной волны 1064 нм и на более коротких длинах волн. Также в каждой группе проводили эксперименты с ложными включениями лазера, чтобы исключить эффект самовнушения (плацебо).

Студенты в процессе эксперимента должны были запомнить и позже воспроизвести либо цвета объектов, либо их ориентацию в пространстве. Как выяснилось, внимательность однозначно увеличивалась примерно на 10 % только в одном случае — когда на правую префронтальную кору светили лазером с длиной волны 1064 нм. Этот результат позволяет надеяться, что в будущем могут появиться инструменты простой и не требующей хирургического вмешательства операции по улучшению кратковременной памяти.

Впрочем, до этого ещё далеко. Пока учёные не понимают механизма реакции мозга. Это может быть как улучшение снабжения клеток мозга кислородом, так и стимуляция митохондрий, которые, в свою очередь, увеличивают выброс молекул АТФ в мозг и насыщают нейроны энергией. В любом случае предложенная методика не имеет последствий для здоровья мозга и человека (хотя если это перерасход АТФ, то это ещё вопрос).

На следующем этапе исследований учёные намерены проследить, как долго держится эффект стимуляции памяти лазером. Если эффект долговременный, то можно будет работать над его включением в клиническую практику.

Во время поиска новых гибких и растяжимых материалов для электроники, команда учёных под руководством Дорис Даннингер (Doris Danninger) и Роланда Прукнера (Roland Pruckner) из Университета Иоганна Кеплера в Австрии обнаружили, что ткани гриба Ganoderma lucidum, который обычно растёт на разлагающихся деревьях лиственных пород в Европе и Восточной Азии, можно использовать в качестве замены подложки, используемой в электронике.

Ткани гриба Ganoderma lucidum обладают изоляционными свойствами и могут выдерживать высокие температуры. Источник изображений: Soft Matter Physics, JKU Linz

Обычно подложка для электрических цепей, которая должна изолировать отдельные цепи и охлаждать размещённые на ней электронные компоненты, изготавливается из неразлагающихся пластмасс. Согласно исследовательской работе австрийских учёных, грибной мицелий обладает чуть меньшей изолирующей способностью, чем пластик, но при этом так же успешно работает в электрических цепях, имея толщину бумаги и способность выдерживать температуру свыше 200 °С.

Упомянутые грибы образуют тонкую защитную оболочку из мицелия, чтобы защитить свою питательную среду — древесину от других грибов и бактерий. Таким образом подложка из грибного мицелия легко производится на базе отходов древесины, не нуждается в дополнительной обработке и полностью разлагается в течение двух недель в обычном домашнем компосте. В сухих условиях изоляционная защита подложки из грибной ткани сохраняется в течение длительного времени.

Прототип субстрата, изготовленный с использованием тканей гриба

«В нашем открытии изрядная доля случая», — говорит Мартин Кальтенбруннер (Martin Kaltenbrunner), руководитель университетского отделения физики мягких материалов и соавтор исследовательской работы — Нам удалось найти у природы уникальный изоляционный материал, который грибы вида Ganoderma lucidum используют для защиты своей среды от проникновения других грибов или бактерий»

Исследователи создали датчики приближения и влажности, чтобы протестировать свойства нового материала подложки

Работа австрийских учёных пока носит экспериментальный характер и далека от массового производства, но в перспективе, биоразлагаемая грибная подложка может стать альтернативой некоторым видам пластиков для использования в электронике, которая не требует долговечных электрических цепей, таких как датчики здоровья и метки NFC для электронных устройств.

Отсутствие мощных автономных источников питания остаётся проблемой не только электрического транспорта, но также робототехники и особенно той её части, которая стремится к миниатюризации. Частичным решением может стать возобновляемая и, конкретно, солнечная энергетика, что показали китайские учёные на примере системы управления мозгом птиц с резервным питанием от солнечных элементов.

Источник изображения: Journal of Biomedical Engineering

Управление живыми организмами с помощью раздражения тех или иных центров в головном мозге — это предложение не сегодняшнего дня. Миниатюризация электроники и продвижение в нейронауках позволяют делать это всё лучше и лучше, хотя вопрос питания продолжает оставаться слабым местом. В частности, в экспериментах китайских учёных из колледжа электротехники и автоматизации Шаньдунского университета науки и технологии вооружённые мозговыми имплантатами голуби могли летать под контролем людей до 45 мин. На большее прикреплённой к птице литиевой батарейки просто не хватало до тех пор, пока на её спину не установили небольшую солнечную панель.

С солнечным элементом размерами с половину экрана смартфона голубь управлялся в воздухе до двух часов. Птица поддавалась контролю — её можно было разворачивать в нужную сторону — с вероятностью 80–90 %. Добиться 100-процентного выполнения команд мешали различные сильные раздражающие факторы в окружающей среде, что, в общем-то, неудивительно. Управление разворотом обычно осуществляется с использованием болевых ощущений, что не всегда позволяет преодолеть инстинкты.

Увеличить длительность управляемого полёта позволили хитрые алгоритмы управления питанием. Алгоритм рассчитывал прогнозируемое потребление «мозгового» контроллера и оценивал запас энергии в батарее. Если разряд приближался к критически низкому значению, птице автоматически отдавались команды направляться в сторону лучшего освещения элемента солнцем. Таким образом, даже в пасмурный день время автономного полёта увеличивалось на 40 %.

В целом система показала способность управлять полётом птицы до двух раз дольше, чем хорошим коммерческим дроном. Подобное может пригодиться во время спасательных операций и в военных миссиях. С точки зрения обычного человека всё это выглядит негуманно, но человеческие жизни это может спасти. Главное не увлекаться и не проецировать эти технологии для использования на людях. Впрочем, верить в такое было бы наивно.

Исследователи из Массачусетского университета в Амхерсте сообщили о разработке по-настоящему экологически чистого источника электропитания, в основе которого лежат бактерии, а работает он от выделяемого человеком пота.

Источник изображения: Xinying Liu

«Это очень интересная технология, — сообщил Сяоменг Лю (Xiaomeng Liu), аспирант кафедры электротехники и вычислительной техники Инженерного колледжа UMass Amherst и ведущий автор статьи. — Это настоящая зелёная энергия, и в отличие от других так называемых "зелёных" источников энергии, её производство абсолютно экологически чистое».

Источник изображения: Xinying Liu

Представленная биоплёнка — это тонкий лист бактериальных клеток толщиной с лист бумаги. Она производится естественным путём с помощью модифицированной версии бактерии Geobacter sulfurreducens. Бактерии G. sulfurreducens вырабатывают электричество и ранее использовались в «микробных батареях» для питания электрических устройств. Недостатком предыдущих методов было то, что живые бактерии требовалось кормить — подавать питательный раствор. Новая разработка использует колонии мёртвых бактерий, которые в кормёжке не нуждаются.

Колонии бактерий G. Sulfurreducens растут в виде тонких плёнок с тесными связями между отдельными клетками. Из этих плёнок можно кроить какую угодно форму, и учёные с помощью лазера вырезали нужную. Затем плёнка из бактерий помещалась между электродами и запечатывалась в мягкий, липкий и дышащий полимер, который можно наносить прямо на кожу.

Источник изображения: Xinying Liu

«Ограничивающим фактором носимой электроники, — говорят исследователи, — всегда был источник питания. Батареи разряжаются, их приходится менять или заряжать. Кроме того, они громоздкие, тяжелые и неудобные». Прозрачная, маленькая, тонкая гибкая биопленка, которая производит непрерывную и стабильную подачу электричества и которую можно носить, как пластырь, наклеенный прямо на кожу, решает все эти проблемы.

Учёные из Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли генетически модифицировали бактерии, чем заставили их синтезировать очень и очень эффективное биотопливо. Плотность энергии этого топлива оказалась выше, чем у ракетного топлива и в полтора раза выше, чем у бензина, что позволит проезжать на одном баке большее расстояние.

Источник изображения: Jenny Nuss/Berkeley Lab

Синтез пока не позволяет вырабатывать достаточно топлива для испытаний в двигателях, но согласно компьютерному моделированию, новое топливо будет безопасным и стабильным при комнатной температуре, а его энергетическая плотность составит более 50 мегаджоулей на литр (МДж/л). Это значительно больше, чем у существующих видов топлива. К примеру, плотность энергии у бензина составляет около 33 МДж/л, а у керосина для реактивных и ракетных двигателей — около 43 МДж/л.

С химической точки зрения новое топливо — это полициклопропановые метиловые эфиры жирных кислот (POP-FAME). Они состоят из семи наборов циклопропановых колец, каждое из трёх атомов углерода, соединённых в треугольную форму со связями под углом в 60 градусов. Разрушение связей ведёт к высвобождению потенциальной энергии, что происходит при горении. Длину цепочек можно регулировать, получая твёрдое топливо при максимальной длине молекулы, дизельное топливо при средней длине и лёгкое ракетное топливо на сильно укороченных цепочках.

Источник изображения: Pablo Cruz-Morales

Специально выведенные с помощью пересадки генов бактерии из семейства Streptomyces поедают растительные остатки и синтезируют вещество, которое требует всего одной химической обработки для получения топлива с заданными свойствами. Пока бактерии и новое биотопливо не готово к массовому использованию. Предстоит ещё много работы по получению штаммов бактерий с лучшей продуктивностью, но проделанная работа удивительна, что подтверждает публикация в журнале Joule.

Наличие в США источников редкоземельных элементов не противоречит тому, что в стране отсутствуют заводы по отделению и очистке этого сырья. Это очень грязное производство, которое поручили другим странам, например, Китаю. И если подобное разделение труда оправдано экологически и экономически, то стратегически США оказались в сложном положении. Редкоземельное сырьё критически важно для оборонного сектора, а внутреннего источника нет. Поэтому США ищут варианты.

Источник изображения: DARPA

Решить проблему экологической чистоты и получения редкоземельных элементов на территории США поручено, в том числе, учёным из Национальной лаборатории им. Лоуренса (LLNL). Лаборатория заключила контракт с Агентством перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) на проведение первой фазы исследований по выявлению и искусственному выращиванию биологических микроорганизмов, которые могли бы естественным путём отделять и очищать редкоземельные элементы из малообогащённых руд и отвалов.

Контракт заключён в рамках исполнения программы DARPA EMBER (Environmental Microbes as a BioEngineering Resource). Стоимость контракта на выполнение первой фазы составляет $4 млн. Если учёными будут решены поставленные задачи, контракт будет продлён на последующие фазы с оплатой работ на сумму $9 млн.

«Команда будет использовать достижения в области микробной и биомолекулярной инженерии для разработки масштабируемой стратегии разделения и очистки редкоземельных элементов (РЗЭ) на основе биоматериалов с использованием недостаточно развитых отечественных источников. РЗЭ — это набор из 17 элементов периодической таблицы, включающий 15 лантаноидов, а также скандий и иттрий», — сказано в пресс-релизе LLNL.

Учёные намерены как испытать ранее идентифицированные микробы и белки, которые уже были протестированы и использованы для очистки и разделения редкоземельных элементов, так и проведут поиск новых микроорганизмов. В конечном итоге учёные надеются представить коммерчески зрелые платформенные биотехнологии для разделения и очистки редкоземельных элементов в промышленном масштабе.