Бионическая инженерия: первые ростки
Когда-то давно, когда деревья были большими, трава — зеленее, а слово «биоинженерия» ещё не придумали, мне очень хотелось стать биоинженером, когда вырасту. Но это слово лично для меня тогда обозначало что-то на стыке биологии, электроники и механики, результатом же должны были быть разнообразные устройства, сочетающие в себе живые (или уже мёртвые) биологические структуры и электрические схемы управления.
Применения этой воображаемой технологии находились везде. Например, вырастить дом из сплетённых деревьев при должном терпении можно и сейчас, а вот заставить раздвигаться дверь из живых веток по голосу хозяина — это уже не так просто. Думаю, вы все видели концепт гибкого смартфона, который шевелится благодаря сплаву с эффектом запоминания формы — ничто не мешает внедрить что-то подобное на этапе роста в растение и потом заставить его двигаться по своему усмотрению. Можно научить плетёную мебель подстраиваться под позу сидящего; использовать живые комнатные растения для контроля и автоматической корректировки условий среды в помещении; создавать живые футляры для документов, открывающиеся в ответ на строго определённые условия среды, специфические раздражители или просто через заданный срок. Но какое отношение это всё имеет к реальной, современной биотехнологии и биоинженерии?
Сейчас на слуху у всех, следящих за новостями науки, биомедицинские технологии и генная инженерия. Микроорганизмы с заранее заданными свойствами для получения специфических веществ. Использование бактерий для построения биологического компьютера. Управляемые мозгом протезы, превращающие людей в киборгов из фантастических книжек. Лекарственные вещества, по сути являющиеся нанороботами, вроде биспецифических антител, «приковывающих» Т-киллер к заражённой клетке… И никаких вам танцующих цветов. Или постойте-ка?…
Бионический климат-контроль в составе «умного дома».
На самом деле любезная мне научная область становится всё реальнее с изобретением органической (пластиковой) электроники в двухтысячном году. Она движется семимильными шагами, пробуя «на зубок» разные области традиционной электроники. Этой осенью, наконец, первые проводники из полимера PEDOT проросли в живом организме (розе), создав законченную электрическую схему, меняющую в зависимости от напряжения цвет листьев с зелёного на сине-зелёный. Здесь уже была об этом статья, хотя и не слишком развёрнутая.
Вот так полимерный «провод» встраивается в сосуды растения.
Перспективы технологии впечатляют: дистанционная «прослушка» сельскохозяйственных растений; живые сенсоры; прямой съём электричества, которое образуется в процессе фотосинтеза, без повреждения самих растений; разнообразные медицинские устройства для диагностики и лечения болезней…
Несколько больше существует примеров «частичного» использования растений в технике, например, встраивание клеточных мембран в электронные устройства для создания сенсоров или создание искусственных мышц на основе высушенной луковой шелухи.
Щипчики из «луковых» искусственных мышц. С помощью сушки после заморозки исследователи убрали воду, затем поместили пленку в раствор серной кислоты, чтобы сделать ее более эластичной. После этого покрыли слоем золота и прикрепили электрод. Возможно, скоро это решение будет испробовано в «гибкой» робототехнике.
Внедрение искусственных органов, создание искусственных тканей, чипы в мозгу крыс и в человеческом теле уже стали обыденной реальностью, а меняющие цвет листья цветка — экзотика. Между появлением электропроводного пластика и попыткой как-то применить его к растению прошло 15 лет, в технике PEDOT как только не используют уже, а тут такое отставание. Почему же киборгизация животных — казалось бы, более сложных организмов — настолько опережает киборгизацию растений? Здесь сошлись сразу несколько факторов.
Двигателем бионики и биотехнологии в животном царстве стала медицина. Эта индустрия может позволить себе даже неокупающиеся исследования. К тому же, можно работать с одним видом существ, а потом перенести (хотя и не всегда, естественно) эти результаты на другой. К тому же, знания о метаболизме человека и экспериментальных животных накапливаются десятилетиями, а некоторые — и столетиями, в растениях же обычно важен не процесс, а результат, и информация собирается в основном о фенотипе и плодах в частности.
Команда Biomechatronics Group из MIT Media Lab изучает работу мышц для управления протезами.
Медленный метаболизм и долгий рост растений затягивают эксперименты на месяцы и годы: Мендель когда-то, например, потратил всю жизнь на одну-единственную работу, и это он за однолетним горошком наблюдал, а не за дубом, который начинает плодоносить лет в пятьдесят. Темпы современной жизни делают эксперименты с растениями гораздо менее популярными и привлекательными для исследователей, втянутых в «гонку публикаций».
Долгое время мне тогда не давала покою идея музыкального инструмента, деревянный резонатор которого заставляют звучать проводники тока в некоторых его сосудах. Свойства такого инструмента менялись бы в ходе его жизненного цикла, и только после смерти и высыхания дерева он обретал бы законченный звуковой портрет. Несомненно, выращивание поющих деревьев стало бы искусством не менее тонким и разносторонним, чем бонсаи, и некоторые садовники тратили бы десятки лет на создание особо необычных инструментов, которые потом называли бы их именем, как скрипки Страдивари… Например, таким уникальным явлением могла бы стать часовня-орган, сочетающая в себе свойства здания, растения и музыкального инструмента. Но массовым производством здесь не пахнет, а то, что нельзя произвести и продать массово, просто не получит грантов на развитие в наш век прикладной науки.
А вот так можно получить музыку из бонсаи на современном уровне технологии.
Ещё одна проблема — отсутствие разработанных универсальных методов «неубивающего вмешательства». Не все растения позволяют даже банальную прививку, каждому виду свойственны свои физиологические процессы и процедуры, которые он может выдержать. Но разработка какой-нибудь технологии для ели, если её нельзя применить на абрикосе — это тупиковый путь, он рационален только на этапе конечного внедрения уже работающей идеи. Удивительно, но формирование обычной древесины было изучено на живых растениях только в 2015 году, и для этого учёным пришлось генетически сконструировать и вырастить «растения наизнанку», у которых в поверхностном слое клеток начала формироваться вторичная клеточная стенка — основной компонент древесины — которая обычно является самым внутренним слоем клеточной стенки.
Схема строения оболочек обычной, не вывернутой растительной клетки.
Идея «проращивания», а не «вшивания» электроники, более органичная для растений, наталкивается на индивидуальность строения организма, ведь геном — это не форма для отливки идентичных копий, а скорее, написанная в стихах инструкция по изготовлению. Соответственно, каждый «выращенный» образец устройства тоже будет индивидуален, а это уже скорее искусство, чем наука, и требует иных подходов и другого склада ума.
В общем, лавинообразного роста изобретения и использования растительных бионических устройств пока ничто не предвещает. Но первые кибер-ростки уже есть, отсталые области науки понемногу подтягиваются к общей массе, и я радуюсь каждой крупице информации по этой теме.
