Ученые из Мюнхена создали микророботов, способных перемещаться внутри клеток

Микророботы — это одно из самых перспективных направлений в современной науке и технологии. Они могут применяться в различных областях, от медицины и биологии до астрономии и наноиндустрии. Однако создание микророботов, способных перемещаться внутри живых клеток и воздействовать на них, представляет собой большой научный и технический вызов. Как такие микророботы могут быть сделаны, как они работают и какие перспективы они открывают для человечества?

Недавно группа ученых из Технического университета Мюнхена (TUM) под руководством профессора Берны Озкале Эдельманн (Berna Özkale Edelmann) сообщила о создании первых в мире микророботов, способных навигироваться внутри групп клеток и стимулировать отдельные клетки. Это достижение является результатом разработки технологической платформы для массового производства таких микророботов, которые называются TACSI (Thermally Activated Cell-Signal Imaging).

TACSI — это сокращение от термически активированного изображения сигналов клеток. Другими словами, это система, которая способна нагревать клетки, чтобы активировать их. TACSI — это своего рода «такси» в полном смысле этого слова — в будущем эти крошечные роботы будут «ездить» прямо к тем местам, где ученые хотят изучать клеточные процессы.

Как выглядят и как работают эти микророботы?

Они имеют круглую форму, диаметром около 30 микрометров (мкм), то есть в полтора раза тоньше человеческого волоса. Они состоят из золотых нанопалочек и флуоресцентного красителя, окруженных биоматериалом, полученным из водорослей. Они могут управляться лазерным светом, чтобы двигаться между клетками. Эти микророботы также могут нагреваться и постоянно показывать свою температуру. Это важно, потому что, помимо способности находить путь к отдельным клеткам, они также предназначены для нагревания мест отдельных клеток или групп клеток.

Производство микророботов основано на использовании «микрофлюидических чипов», которые моделируют процесс изготовления. Биоматериал вводится через канал на левой стороне чипа. Затем он смешивается с золотыми нанопалочками и флуоресцентным красителем. После этого биоматериал выталкивается через другой канал на правой стороне чипа, где он затвердевает и формирует микророботы. Таким образом, можно получить тысячи микророботов за один цикл.

Для управления микророботами используется лазерная система, которая позволяет перемещать их в трехмерном пространстве. Лазерный свет воздействует на золотые нанопалочки, которые абсорбируют его и превращают в тепло. Это тепло передается биоматериалу, который изменяет свою форму и создает силу тяги для микроробота. Также лазерный свет может нагревать микророботы до определенной температуры, которая влияет на клетки, окружающие микроробот. Например, повышение температуры может вызвать изменение уровня кальция внутри клетки, что является одним из важных сигналов для клеточной активности.

Для измерения температуры микророботов и клеток используется флуоресцентный краситель, который меняет свою интенсивность в зависимости от температуры. Таким образом, можно получать обратную связь о состоянии микророботов и клеток в реальном времени. Кроме того, флуоресцентный краситель позволяет визуализировать микророботы и клетки под микроскопом.

Что дает такая система для науки и медицины?

Прежде всего, это уникальный инструмент для изучения клеточных процессов на молекулярном уровне. С помощью микророботов можно активировать или подавлять определенные сигналы в клетках, а также измерять их реакцию. Это может помочь понять, как работают различные биологические механизмы, например, как клетки общаются друг с другом, как они реагируют на стресс или как они развиваются.

Кроме того, такая система может иметь потенциал для разработки новых методов лечения различных заболеваний. Например, с помощью микророботов можно доставлять лекарства прямо к нужным клеткам или тканям, минимизируя побочные эффекты. Также можно использовать микророботов для уничтожения патогенных или раковых клеток путем нагревания или других способов.

Однако перед тем, как такие микророботы будут применяться в живых организмах, необходимо решить ряд проблем. Во-первых, нужно обеспечить безопасность и биосовместимость микророботов, чтобы они не вызывали иммунной реакции или токсичности. Во-вторых, нужно разработать способы контроля и отслеживания микророботов внутри тела, чтобы они не заблудились или не повредили здоровые клетки или органы. В-третьих, нужно учитывать сложность и динамику живых систем, которые могут влиять на работу микророботов.

Таким образом, микророботы, созданные учеными из Технического университета Мюнхена, являются прорывом в области микроробототехники и клеточной биологии. Они открывают новые возможности для исследования и воздействия на живые клетки с высокой точностью и эффективностью. Однако для того, чтобы такие микророботы стали реальностью в клинической практике, необходимо решить ряд научных и технических проблем, связанных с их безопасностью, контролем и адаптацией к живым системам. В будущем, такие микророботы могут стать мощным инструментом для диагностики и лечения различных заболеваний, а также для улучшения качества жизни людей.

Какие преимущества имеют золотые нанопалочки по сравнению с другими материалами для создания микророботов?

Золотые нанопалочки имеют ряд преимуществ, таких как высокая электропроводность, химическая стабильность, биосовместимость и способность абсорбировать и излучать свет в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Это позволяет управлять ими с помощью лазерного света, а также использовать их для оптической детекции и термической терапии.

Какой биоматериал используется для оболочки микророботов и почему он подходит для этой цели?

Для оболочки микророботов используется биоматериал, полученный из водорослей. Этот биоматериал называется альгинатом и представляет собой полисахарид, который образует гелевую структуру при контакте с кальцием. Альгинат имеет ряд преимуществ, таких как низкая токсичность, высокая биосовместимость, возможность модификации химического состава и физических свойств, а также способность изменять свою форму при нагревании.

Какие клеточные процессы можно изучать и воздействовать с помощью микророботов?

С помощью микророботов можно изучать и воздействовать на различные клеточные процессы, связанные с передачей сигналов между клетками или внутри клеток. Например, можно активировать или подавлять уровень кальция в клетках, который является одним из ключевых сигналов для клеточной активности. Также можно изучать роль других молекул, таких как циклический аденозинмонофосфат (cAMP), который регулирует многие клеточные функции, такие как рост, деление, дифференцировка и апоптоз. Кроме того, можно воздействовать на генную экспрессию клеток путем доставки специфических РНК или ДНК с помощью микророботов.

Источник: https://phys.org/news/2023-09-microrobots-capable-groups-cells-individual.html