Юный техник, 2015 № 09

Гены гравитации

Устройство и форма живых организмов во многом зависят от того, в каких условиях окружающей среды они живут. Например, полярные медведи запасаются толстым слоем подкожного жира и весьма теплой шубой. А вот шерстка обезьян, живущих в тропиках, совсем редкая…

Большое значение имеет и сила тяжести. Так, самые крупные сухопутные животные — слоны — весят несколько тонн. Но они заметно уступают по массе и размерам, например, голубым китам, которые живут в воде, где гравитационные нагрузки переносятся значительно легче.

Но что именно в живом организме подсказывает, до каких размеров ему стоит расти? Оказывается, здесь неоценимую услугу, как и во многих других случаях, нам и другим существам, живущим на планете Земля, оказывают гены.

В этом недавно убедилась международная группа ученых под руководством доктора Макото Фурутани-Сейки из Университета регенеративной медицины Японии. Исследователи из Японии, Австрии и США идентифицировали ген YAP, который помогает организму противостоять действию гравитации, и показали, что произойдет, если его работа будет нарушена.

В своей статье ученые пишут, что при повреждении гена YAP у рыбки оризии ее ткани искажаются в направлении силы тяжести, а также теряют пропорции, в результате чего у нее развивается плоское, почти двумерное тело. Они также обнаружили, что разрушение гена YAP в клетках человека опять-таки приводит к искажениям формирования клеточных 3D-кластеров.

структуры. Для зрения необходимо, чтобы все части глаза имели уникальные трехмерные формы и были точно выровнены по продольной оси органа. Иначе мы попросту не смогли бы видеть. За это и отвечают гены гравитации.

Тот же механизм лежит в основе правильного формирования тканей в развивающемся организме.

Человеческий глаз состоит из линзы и куполообразной

Кандидата в космонавты готовят к экспериментам на центрифуге.

Один из соавторов разработки, доктор Штефан Бегби, сказал на пресс-конференции журналистам: «Сегодня мы можем выращивать 3D-скопления клеток в лаборатории, но не можем воспроизвести точные структуры отдельных тканей, необходимых для выращивания таких сложных органов, как глаза или сердце. На основе обнаруженной роли гена YAP мы надеемся воздействовать на выращиваемые ткани с целью создания сложных органов для дальнейшей пересадки».

Правда, как именно работает антигравитационный ген, как и когда он включается, какие другие гены находятся у него в подчинении, исследователям еще только предстоит выяснить.

Дальнейшие эксперименты, как надеются ученые, не только позволят узнать, почему мы стали выглядеть так, как выглядим сейчас, но и помогут разработать надежные методы создания искусственных органов. Управляя генетической системой, отвечающей за «объемность» органа, трансплантологи, например, смогут выращивать в лаборатории печень или почку точно таких размеров, какие нужны данному конкретному пациенту.

Контроль над генами гравитации, очевидно, помог бы и космонавтам, которым при взлете и посадке приходится переносить немалые перегрузки. Пока же их спасают специальные перегрузочные кресла с индивидуальными ложементами, которые изготавливают для каждого члена экипажа. Процедура, кстати, весьма любопытная. Начинается все с того, что космонавт ложится в специальную ванну с теплым жидким гипсом. Потом гипс застывает, и точно по форме тела каждого космонавта изготавливают ложементы.

При длительных экспедициях космонавты прилетают на станцию на одном «Союзе», а улетают на другом. В этих случаях они всегда переносят свои ложементы из одного корабля в другой.

Золотая луковица

Для изготовления искусственных мускулов исследователи применяют всевозможные материалы на основе диоксида ванадия, электроактивные эластомеры, скрученные нанотрубки и даже «мятый» графен. Однако проблема заключается в том, что, как правило, такие мускулы способны либо с усилием расширяться, либо, напротив, только сокращаться.

И лишь недавно ученые из Национального университета Тайваня успешно решили эту проблему, сообщает издание Applied Physics Letters. «Сейчас существует множество способов создания искусственных мышц, — пишет в своей статье руководитель исследования профессор Вэнь-Пин Ши. — В прошлом году, к примеру, из обыкновенной рыболовной лески ученые сконструировали искусственные мышцы, которые оказались в 100 раз мощнее мышечных волокон человека. Однако у всех предложенных технологий создания искусственных мускулов была масса недостатков».

Главной задачей создателей искусственных мышц стала разработка такого материала, который мог бы сгибаться и сокращаться одновременно, как это делают настоящие мышцы. Когда человек принимает классическую позу, чтобы продемонстрировать мышцы руки, его бицепс сокращается и одновременно изгибается, чтобы поднять предплечье.

Группа, возглавляемая профессором Вэнь-Пин Ши и его аспирантом Чин-Чун Ченом, попыталась создать подобную искусственную мышцу. В поисках подходящего материала они обнаружили под микроскопом, что клетки луковой кожицы очень похожи на микроструктуру мышц.

Чистить этот жгучий овощ непросто, тем не менее, ученые сумели снять тонкий слой эпидермальных клеток со свежей очищенной луковицы и промыли его чистой водой. Затем они выкачали из него всю влагу путем сублимационной сушки, не повредив сами клетки. В результате микроструктура стала жесткой и хрупкой, поэтому ученые обработали ее кислотой, чтобы удалить из клеток гемицеллюлозу, которая придает клеточным стенкам прочность, и сделать эту микроструктуру эластичной.

Затем исследователи заставили луковые пленки двигаться, подобно мышцам. Для этого на них нанесли золотые электроды, которые проводят электричество. Эти электроды были разной толщины — 24 нм с одной стороны и 50 нм с другой — чтобы заставить клетки сжиматься и растягиваться так же, как мышечные клетки. Этому способствовало и естественное свойство луковой кожицы изгибаться в различных направлениях под воздействием электрического напряжения.

Напряжение величиной от 0 до 50 В заставляло клетки растягиваться и уплощаться по сравнению с их изначальной изогнутой структурой, а более высокое напряжение — от 50 до 1 000 В — заставило клетки лука сжиматься и изгибаться вверх. Контролируя напряжение и, таким образом, приводя в движение эти искусственные мышцы, ученые смогли при помощи 2 луковых пленок, как при помощи пинцета, поднять маленький шарик из ваты, о чем профессор Ши и его коллеги написали в своей статье.

Однако, чтобы подвинуть этот ватный шарик, ученым понадобилось очень высокое напряжение. Это, по их словам, является на данном этапе самым главным недостатком проекта. Если бы движения искусственных мышц можно было контролировать при помощи низкого напряжения, то в качестве источников питания имплантов или систем роботов можно было бы применять крохотные аккумуляторы, что чрезвычайно удобно. «Нам предстоит понять конфигурацию и механические свойства стенок клетки, чтобы преодолеть это препятствие», — объясняет В.-П. Ши.

Кислота, сахар и немного золота. Вот, собственно, и все, что потребовалось ученым, чтобы превратить кожицу лука во фрагмент искусственной мышцы.

«Выращивание клеток, которые смогут сформироваться в участок мышечной ткани, способный создавать силу тяги, — это очень сложный процесс, — продолжает он. — Люди прежде уже пытались использовать живую мышечную ткань. Но в этом случае основная проблема заключается в том, как сохранять клетки живыми. Мы использовали клетки овощей, потому что их стенки сохраняют мышечную силу независимо от того, живые они или нет»…

Однако остается еще решить и проблему долговечности. Золотое покрытие помогает защищать луковые мышцы от воздействия внешних факторов, однако влага все равно со временем может проникнуть сквозь стенки клеток и изменить их свойства. «Мы собираемся покрыть искусственную мышцу из луковой кожицы очень тонким слоем фторида, — пишет в заключение В.-П. Ши. — Это не позволит влаге проникнуть внутрь клеток и при этом не изменит их свойств».

С. НИКОЛАЕВ