Американские разработчики продемонстрировали прототип устройства, позволяющего регистрировать механические деформации. Живущий в нем планктон люминесцирует в ответ на возникшее напряжение, а на свету подзаряжается сам.
©Jacobs School, UC San Diego
Динофлагелляты — группа одноклеточных фотосинтезирующих организмов, которые пользуются одиночным глазком и парой жгутиков, чтобы замечать свет и двигаться к нему. Это одни из главных представителей морского фитопланктона — от тропических вод до полярных. Многие виды способны к биолюминесценции, стимулирующейся движением воды. Почувствовав его, целые скопления динофлагеллятов подсвечивают волны прибоя или остаются следом за прошедшим в море судном.
Такая реакция связана с реакцией клеток на механический стресс, и команда ученых из Калифорнийского университета в Сан-Диего решила воспользоваться этой особенностью динофлагеллятов для создания новых «натуральных» биосенсоров. Прототип включает живые клетки, заключенные в прозрачную гибкую оболочку, и загорается, почувствовав растяжение, сжатие или изгиб. О нем профессор Шэнцян Цай (Shengqiang Cai) с соавторами пишут в статье, опубликованной в журнале Nature Communications.
Посоветовавшись с биологами, ученые выбрали динофлагеллятов Pyrocystis lunula, помещая их в герметичные упругие оболочки разных форм. Для усиления механического стресса, который испытывают клетки, на внутренней поверхности оболочки сделали небольшие выступы, усиливающие течение воды при деформации. Благодаря этому авторам удалось получить прототипы биосенсоров, которые загораются буквально от легкого прикосновения. Ученые также продемонстрировали, что внутрь устройства можно поместить магниты, и тогда под действием внешнего поля они движутся — и светятся.
В качестве оболочек использовали упругий полимер полидиметилсилоксан. Материал изготавливался на матрице с микроскопическими порами, проделанными с помощью лазера, поэтому он также сохранил эти поры. Они задерживают клетки и крупные биомолекулы, но обеспечивают обмен кислорода и других газов. Благодаря этому динофлагелляты внутри устройства остаются живы, и для «подзарядки» им достаточно побыть на свету. Фотосинтез поможет восстановить потраченные на люминесценцию ресурсы.
В остальном же созданные прототипы исключительно просты и не требуют никакого ухода. «Мы вносим культуру внутрь, и на этом все заканчивается, — говорит профессор Цай. — Пока они заряжаются на солнце, их можно использовать снова и снова, на протяжении как минимум месяца. Не нужно обновлять раствор и так далее. Каждое устройство — это небольшая живая экосистема».
Теперь ученые планируют усовершенствовать прототипы — в частности, получить такую структуру, чтобы живые клетки могли встраиваться непосредственно в нее. Это сделает устройства более надежными и универсальными. Когда-нибудь в будущем они могут найти применение, например, в системах мониторинга Мирового океана, подводных роботах или просто обеспечивать подсветку, не требуя электричества.
