Биологические сенсоры на кончиках перчаток

Группа исследователей из Массачусетского технологического университета создали биологический материал для определения химических средств, плотный эластический гидрогель инфильтрированный живыми клетками. Ученые продемонстрировали перчатки, которые смогли определить химические соединения на коже и окружающей среде.

В основе проекта лежит несколько важных открытий в биологии. Вначале группа специализировалась на создании закрытых биологических систем, а именно колонии генетически перепрограммированных живых клеток, таких как бактерий Escherichia coli. Ученые успешно создали светящие колонии бактерий. Затем пришла идея создать клетки, которые выполняют определенные функции, а именно выявлять и сигнализировать о наличии вирусов и различных токсинов.

Новые перепрограммированные клетки успешно росли и развивались на питательной среде в чашках Петри. Однако главной трудностью было перенести колонию на синтетический твердый материал.

Руководитель проекта говорит: «Основная проблема в создании живых материалов заключается в поддержке и функционировании биологических клеток. Им необходима определенная влажность, кислород, питательные вещества. Еще одна трудность – как закрепить клетки на твердом материале».

Во многих научных лабораториях пытались решить эту задачу. Одни использовали высушенные генетически модифицированные клетки, инфильтрированные в бумагу. Это дешевый метод, который может использоваться при создании диагностических полосок. Однако высушенные клетки обладают низкой чувствительностью и теряют большую часть своих функциональных возможностей.

В других - на резиновую основу наносились тонкий слой кардиомиоцитов. Биоматериал планировалось использовать для различных механизмов и роботов. Но при многократном сгибании пленки растрескивались и переставали функционировать. Решение нашли в соседней материаловедческой лаборатории Массачусетского технологического университета. Новый биоматериал представлял собой смесь полимеров и воды. Твердый и гибкий гидрогель представлял собой идеальным вместилищем для живых клеток.

Две группы объединились для того, чтобы внедрить перепрограммированные бактерии в жесткую основу. Сначала был создан лист гидрогеля с извилистыми узкими канальцами. Затем гидрогель «спаяли» с листом пористой резины, который свободно пропускал кислород.

В микроканальца гидрогеля были помещены генетически измененные клетки Escherichia coli, которые начинали флюоресцировать при контакте с определенными веществами. Гидрогель пропитали питательными веществами и смогли поддерживать функционирование бактерий на протяжении нескольких дней.

Для демонстрации эффективности технологии ученые создали перчатки с гидрогелем. На кончиках пальцах находились вихреподобные канальца с различными чувствительными бактериями. Каждый палец светился при касании ватного тампона, намоченного определенным веществом.

Руководитель проекта говорит, что биологический материал различает множество химических соединений и может использоваться от криминалистики до медицинской диагностики. Перчатки, бинты, пластыри и даже одежда поможет быстро обнаружить инфекцию и поставить диагноз на самых ранних стадиях заболевания.

Результаты исследования опубликованы Proceedings of the National Academy of Sciences