Американские ученые создали биоэлектронное устройство для управления ростом клеток человека
Группа ученых из Калифорнийского университета в Санта-Круз (UCSC) разработала перспективное биоэлектронное устройство. С помощью электроники и благодаря обратной связи на основе машинного обучения ученые смогли задать и часами удерживать определенное мембранное напряжение в стволовых клетках человека. Это изобретение позволит управлять ростом и специализацией стволовых клеток, что ведет к прогрессу в регенеративной медицине.
Живая клетка человека - это устойчивая саморегулирующаяся система, а иначе и не может быть. Причем она сама себе на уме, даже если больна. Поэтому изменить гомеостаз клетки представляется сложной задачей, которую ученые все-таки смогли решить. Сделать это помогла контролируемая алгоритмами машинного обучения электроника, которая поддерживала заданный учеными баланс ионов в непосредственной близости от культивируемых стволовых клеток человека.
Поясним, мембранное напряжение формируется как разность потенциалов между внутренней средой живой клетки и ее ближним окружением. Эту разность потенциалов - довольно строго определенную для разных типов клеток - поддерживают белки в составе клеточной мембраны. Для этого белки создают в мембране ионные каналы, что ведет к восстановлению баланса (напряжения) при нарушении концентрации ионов внутри или снаружи клетки. Попытка изменить концентрацию ионов (и мембранное напряжение) вызывает обратную реакцию клетки и сводится на нет. Во всяком случае, длительно удерживать точное напряжение клеточной мембраны простым способом не получится.
Ученые решили задачу следующим образом. Они создали вокруг колонии стволовых клеток систему протонных насосов, с помощью которых добавляли или удаляли ионы водорода из раствора в непосредственной близости от культивируемых стволовых клеток. Эта система управлялась самообучающимся алгоритмом ML. Причем система не проходила предварительного обучения на моделях, а училась на ходу по мере наблюдения за поведением клеток и оценки концентрации раствора. За мембранным напряжением система следила визуально, для чего ученые так модифицировали белок мембраны, чтобы он флюоресцировал в зависимости от величины мембранного напряжения. Тем самым алгоритм получил систему обратной связи и мог оценивать свое влияние на потенциал мембраны.
В ходе поставленного эксперимента ученые смогли целых десять часов поддерживать заданный уровень мембранного напряжения у живых клеток. Для работы со стволовыми клетками - это ключевое достижение, хотя в поставленном опыте исследователи не стремились добиться дифференцировки клеток. Но они показали, что процессом выбора специализации стволовых клеток можно управлять. Проект, кстати, финансируют военные США. Однако управляемая регенерация тканей - это то, что будет полезно каждому человеку на Земле.
