Химический хамелеон распознает лекарства

Сокращение и релаксация кардиомиоцитов (клеток сердечной мышцы, стрелки вправо и влево) на гидрогельной «платформе». Фото Physorg

В одном из фантастических произведений, появившемся на волне набиравших силу биотехнологий и только-только начинавшегося создания генетически модифицированных организмов, были описаны рыбы, несущие на своих боках красно-белый логотип популярного напитка. Впрочем, уже тогда это не казалось такой уж фантастикой, ведь мы со школы знали о рыбах и осьминогах, способных «подстраиваться» под рисунок дна и кораллов. А на суше натуралистов давно поражали своими радужными переливами рептильные Furcifer pardalis – «(лео)пардный вилконос» (сравни: бифуркация – развилка).

Столь грозное имя носит обитающий на Мадагаскаре хамелеон, греческое имя которого означает «земной лев» (лев-леонид был у спартанцев царский титул; бази/василевс – император Византии). Возможно, что эллины называли так этих ящериц за их – как и у львов – способность сливаться с фоном.

Микроскописты довольно быстро разобрались, в чем тут дело: под эпидермисом у хамелеона залегают три вида пигментных клеток – «переливающихся» иридофоров, темных меланофоров и «цветных» хроматофоров. При доминировании в тот или иной момент меланина хамелеон может становиться черным. Свет, падающий на хамелеона, отражается от хроматофоров желтым. Другие лучи проходят глубже до иридофоров, давая синее отсвечивание. Синие лучи смешиваются с желтыми, давая зеленую окраску. Но это – когда клетки «расслаблены». Если же они возбуждены, то иридофоры отливают красным, который, смешиваясь с желтым, дает оранжевый цвет.

Однако целый век оставался открытым вопрос: что же происходит в иридофорах, в результате чего они меняют свой цвет?

Частично он был решен в 2015 году, когда одно из приложений журнала Nature опубликовало статью, полученную из Женевского университета. В ней рассказывалось о реверсивной, то есть обратимой, смене цветов в результате отражения волн с длинами волн 240–480 нанометров (синего-зеленого-красного цветов, как в субпикселях дисплейных светодиодов). С помощью электронного микроскопа в иридофорах поверхностного и глубокого слоев ученые увидели гуаниновые кристаллы размером 110–145 нанометров, меняющие свое расположение в спокойном и возбужденном состояниях (гуанин – азотистое основание ДНК).

В спокойном состоянии кристаллы образуют квадрат, в возбужденном же – пчелиную соту или бензольное кольцо. При этом ученые не смогли сказать, что отвечает за возбуждение иридофоров. Темная окраска может объясняться стрессом, потому что дома в привычной обстановке хамелеоны становятся синими или зелеными.

В конце 1930-х химики синтезировали производное адреналина, дав ему название «изопротеренол». Это вещество позволило обнаружить два типа адреналиновых рецепторов. Тогда еще никто не знал, что это протеиновые молекулы, встроенные в клеточную оболочку. Вещество оказалось миорелаксантом бронхов, снимает приступы одышки, а также увеличивает силу сердечных сокращений, действуя на кардиомиоциты, или мышечные клетки сердца.

Сотрудники Юго-Восточного университета в Нанкине, отталкиваясь от идей их женевских коллег и имея возможность получать из стволовых клеток кардиомиоциты крысиного сердца, создали на основе гидрогеля «сердечного» робота на чипе. Помимо создания робота это дало возможность иметь надежную платформу для скрининга сердечных лекарств, одним из которых является изопротеренол. (В скобках заметим, что клетки сердечной мышцы автономны в своем цикле сокращений и релаксаций, а также в самосборке клеточных ансамблей.)

Для получения химического «хамелеона» они добавили в гидрогель кристаллы гуанина, меняющие цвет при сокращении, вызванном добавлением производного адреналина. Всю конструкцию авторы назвали весьма мудрено – «биогибридно-цветные гидрогельные пленки». Их можно использовать для создания 2D- и 3D-структур с цветным сенсором обратной связи для управления поведением и действием биогибридных роботов.

Помимо испытаний лекарств такие роботы позволят визуализировать микрофизиологические и клеточные параметры, а также, возможно, создавать актуаторы искусственного интеллекта и soft-роботов. Авторы предсказывают создание носимой электроники, то есть тканей и одежды, меняющей цвет в соответствии с изменением сердечного ритма…

Все знают замечательную книгу «Парк юрского периода», по которой был поставлен фильм, породивший динозавроманию. К сожалению, мало кто помнит Майкла Крайтона, придумавшего методами биотехнологии воссоздать геномы давно вымерших ящеров и заселить ожившими чудищами тропический остров. После этого писатель пытался повторить успех задумки, но придумал лишь рекламу на проплывающих рыбах.