Пробив в биоинженерството: Учени програмират живата по тъкан по команда да се сгъва в 3D форми

Международен екип от учени разработи метод за програмиране на плоски листове от живи клетки, който ги кара да се самосглобяват в определени триизмерни структури. Технологията демонстрира за първи път, че е възможно да се контролират силите и крайната форма на жива тъкан чрез управление ориентацията на нейните клетки. Изследването открива нови възможности в областта на тъканното инженерство, биохибридната роботика и разработването на интелигентни живи материали.

Биологичните тъкани имат способността да се организират и да променят формата си под въздействието на силите, генерирани от собствените им клетки. Биоинженерите използват това свойство, за да създават изкуствени живи материали, способни да приемат определени форми. Прецизното контролиране на поведението на тъканта и насочването на вътрешните ѝ сили, за да приеме желаната форма, обаче остава голямо предизвикателство.

Новото изследване на Института по биоинженерство на Каталуния, Политехническия университет на Каталуния и Международния център за числени методи в инженерството, в сътрудничество с Европейската лаборатория по молекулярна биология в Барселона, представя стратегия за „програмиране“ на тези промени във формата чрез контролиране на ориентацията на клетките в тъканта посредством химически модели.

Резултатът е жива тъкан, способна да се деформира по контролиран начин, за да създава възпроизводими триизмерни структури.

Технологията използва свойството на разтегнатите клетки да се подравняват със съседните си клетки в подредени области – поведение, наречено нематичен ред. На местата, където този ред е нарушен, се появяват топологични дефекти – места, където се концентрират механични сили. Изследователите прилагат химически микромодели (линии от адхезивен протеин, заобиколени от неадхезивен полимер) върху плоски повърхности, за да определят ориентацията на клетките и позицията на дефектите.

Решаващият момент настъпва, когато тъканта се отлепва от подложката. В прикрепеното състояние клетъчните сили остават закотвени и листът остава плосък. След откъсването им натрупаното напрежение се преразпределя, което кара тъканта да се огъва и сгъва във форма, определена от модела на ориентация на клетките. Изследователите сравняват това с еластичен лист, опънат и фиксиран в краищата: докато се държи, няма деформация, но ако се освободи, той придобива нова форма, определена от вътрешните напрежения.

Теоретичните модели, разработени от изследователите, им позволяват да предвидят как даден модел на ориентация се трансформира в конкретна триизмерна форма, се казва в съобщението за пресата.

„Ние демонстрираме способността да проектираме формата на жива тъкан като просто контролираме ориентацията на нейните клетки“,

заяви Хавиер Трепат от Университета в Барселона, един от изследователите.

Новата технология проправя пътя за създаване на живи тъкани без използване на скелети, биологични задвижващи механизми за биохибридни роботи и живи повърхности, които се преоформят в отговор на околната среда.