Мы – электрические. Новая наука об электроме тела

По мере обнаружения подобных свойств исследователи начинают активнее работать с такими материалами с целью создания устройств, способных регулировать неэлектронные токи. Инженер-химик Элон Городецки из Университета Калифорнии в Ирвине обнаружил, что рефлектин проводит протоны настолько быстро, что его можно использовать для создания протонного транзистора: как транзисторы в обычных вычислительных ячейках создают электронный ток в электронных устройствах, так протонный транзистор вместо этого может создавать поток ионов[434]. Городецки и его коллеги протестировали вещества из членистоногих животных и полагают, что они сформируют новое поколение биосовместимых, проводящих протоны материалов и новых протонных устройств[435]. Они даже могут стать основой для создания съедобных батареек, которые, возможно, будут полезными для изготовления протезов[436].

Однако, несмотря на все достижения в этой области после первых исследований в сфере “кальматроники”, Роланди перестал заниматься головоногими. “Поначалу мы выбрали путь биоматериалов”, – рассказывал он мне, пыхтя, во время нашей прогулки по идиллическому университетскому кампусу в Санта-Круз, где он теперь руководит факультетом инженерии. “Тогда мои мысли на этот счет еще не полностью оформились”. Прошло больше десяти лет после его первых исследований в сфере биологической электроники, и ему стало безразлично, какие именно материалы использовать. Он понял, что важно контролировать протоны – и неважно, какими способами.

Роланди начал создавать протонные устройства для воздействия на клеточные токи, используя хлорид серебра и палладий. Его идея заключалась в том, что протоны могут быть для нас промежуточным этапом в понимании возможностей воздействия на отдельные ионы и отдельные ионные каналы и послужить более точным инструментом взаимодействия и контроля, чем электроны. В 2017 году Роланди выпустил статью, которая попала в руки Майклу Левину, и они связались друг с другом. Левин уже точно знал, как можно использовать этот метод.

Левин обнаружил, что судьба клетки (костной, нервной, жировой ткани и др.) связана с ее мембранным потенциалом, как мы уже обсуждали ранее. Потенциал жировой клетки составляет около –50 милливольт по отношению к внеклеточной жидкости. Клетки кости поляризованы сильнее, и их мембранный потенциал составляет –90 милливольт. Клетки кожи и нейроны расположены где-то посредине с потенциалом –70 милливольт. Левин также установил, что потенциал стволовых клеток находится на уровне нуля, а по мере поляризации их мембраны до определенного значения соответствующим образом изменяется и их идентичность. Теперь он хотел научиться настраивать мембранный потенциал стволовых клеток, чтобы контролировать их предназначение. Если мы научимся воспроизводимо направлять превращение стволовых клеток в жировые, клетки костной ткани или нейроны, это докажет, что с помощью электричества можно контролировать огромное множество генетических и химических процессов.

Но как удержать живую клетку в одном и том же состоянии на протяжении достаточно длительного времени (нескольких часов или даже дней), чтобы она смогла превратиться во что-то новое? Проблема заключается в том, что клетки стремятся к гомеостазу: если их потенциал по какой-то причине нарушается, они быстро возвращаются к состоянию равновесия. В организме эта задача решается за счет регуляторных сигналов, постоянно посылаемых микроокружением клетки. Но в арсенале электрофизиологов не было такого инструмента, который мог бы имитировать эти сигналы.

Тут на помощь пришло DARPA. Исследования в таких направлениях, как создание протезов конечностей или нейропротезов, уже давно получают от них значительное финансирование. Приблизительно в то же время, когда встретились Роланди и Левин, агентство DARPA заинтересовалось биоэлектричеством благодаря назначению нового управляющего Пола Шихана, на которого протонный транзистор Роланди произвел глубокое впечатление. (На предыдущей работе в Морской исследовательской лаборатории США Шихан использовал протонный насос для создания изменяющих цвет биоэлектронных устройств, основанных на камуфляжной способности кальмара[437].)

Теперь, когда у него был доступ к фондам DARPA, Шихан выделил Роланди и Левину финансирование для работы над проектом со стволовыми клетками. На эти деньги Роланди и Левин взяли на работу Марселлу Гомес – математика и системного биолога из Университета Санта-Круз, которая специализировалась на теории контроля и кибернетике. Она была знакома с математическим аппаратом, подходящим для описания биологических систем, и поняла, что им нужна система машинного обучения, которая могла бы отслеживать и постоянно корректировать мембранный потенциал клеток в реальном времени. И она разработала такую систему.