В 1959 году Ричард Фейнман мечтал о будущем, в котором микророботы будут плавать вокруг человеческого тела, постепенно восстанавливая поврежденные клеточные ткани и органы. Спустя почти 70 лет ученые становятся все ближе к этой реальности. Недавно инженеры из Токийского университета нашли способ приводить в движение микроскопические структуры без внешнего источника энергии: с помощью одноклеточных водорослей. В результате проекта были разработаны две микромашины, получившие названия «ротатор» и «скутер».
Это не первый случай разработки микромашин, питающихся от водорослей. В 2021 году исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего (UCSD) разработали микророботов, питающихся от водоросли спирулины. Их наполнили противораковыми препаратами, а затем ввели в опухоли легких мышей. Помимо того, что водоросли обеспечивают эффективное движение, они обладают биосовместимыми и биоразлагаемыми свойствами.
Результаты исследования, проведенного в 2021 году, показали эффективную адресную доставку лекарств и снижение побочных эффектов. В 2020 году ученые из Гонконгского университета также провели аналогичное исследование, направленное на изучение возможности использования микророботов, движимых водорослями, для доставки противовоспалительных молекул при лечении язвенного колита (одной из форм воспалительной болезни кишечника). Эксперименты на животных показали значительное снижение воспаления и заметное улучшение состояния тканей кишечника.
Однако остается ряд проблем. Одна из главных — движение «микроботов», из-за их очень маленького размера, может быть затруднено кровотоком. Поэтому в течение последних нескольких лет исследователи пытались найти способ оснастить их крошечными двигателями, достаточно мощными, чтобы перемещать их по телу.
Как сообщают исследователи из Токийского университета в пресс-релизе, посвященном их новому исследованию, именно анализ способности зеленой водоросли Chlamydomonas reinhardtii к быстрому плаванию привел их к идее использовать ее потенциал для перемещения роботов. Как и водоросль спирулина, Chlamydomonas reinhardtii имеет два жгутика, которые двигают ее вперед, и безопасна для человека.
Уникальное и эффективное решение
Чтобы провести эксперимент, исследователи начали с изготовления крошечных транспортных средств размером 0,001 мм с помощью двухфотонной стереолитографии (метод 3D-печати, использующий свет для создания пластиковых микроструктур). Затем они разработали конструкции в форме корзины и напечатали их на 3D-принтере, чтобы поймать хламидомонас в ловушку — это была самая сложная часть процесса. Им пришлось тщательно оптимизировать дизайн корзин, чтобы захватить водоросль и при этом оставить достаточно места для жгутиков, которые приводят микророботов в движение. Харука Ода (ведущий автор исследования) и ее коллеги разработали два типа транспортных средств.
Первый, названный «скутером», состоит из двух корзин, направленных вперед, чтобы захватить две клетки водорослей, каждая размером 10 микрометров. По мнению исследователей, корзины направлены в одну сторону, что приводит транспортное средство в движение по прямой линии. Однако, к своему большому удивлению, они обнаружили, что вместо того, чтобы следовать линейному движению, скутер двигался «10 раз перекатываясь и 15 раз разворачиваясь«. «Это побудило нас более детально изучить, как коллективное движение нескольких водорослей влияет на движение микромашины«, — говорит Ода.
Вторая модель транспортного средства, называемая «ротатор», включает в себя четыре корзины, расположенные в форме ветряной мельницы. Когда в каждой из корзин находится клетка водоросли, конструкция «вращается» со средней скоростью 20-40 микрометров в секунду (в свободном состоянии C. reinhardtiise движется со скоростью более 100 микрометров в секунду).
Одно из главных преимуществ этой биосовместимой системы заключается в том, что ни 3D-печатные транспортные средства, ни водоросли не нуждаются в каких-либо искусственных модификациях. Организмы свободно плавают в 3D-печатных ловушках, не нуждаясь в сложных направляющих конструкциях. Однако команда Оды еще не определила, как долго две микромашины смогут работать на максимальной мощности. Хотя отдельные клетки водоросли C. reinhardtii живут несколько дней, во время испытаний ученые обнаружили, что прототипы работают всего несколько часов. Однако серьезных технических проблем не возникло.
Шоджи Такеучи, который руководил проектом, сказал: «Разработанные здесь методы полезны не только для визуализации индивидуальных движений водорослей, но и для создания инструмента, способного анализировать их скоординированные движения в стесненных условиях«. «Эти методы имеют потенциал для развития в будущем в технологию, которая может быть использована для мониторинга водной среды и переноса веществ с помощью микроорганизмов, например, перемещения загрязняющих веществ или питательных веществ в воде«, — добавил Такеучи.
На следующем этапе исследования «ротатор» будет усовершенствован таким образом, чтобы он мог достигать более высокой скорости вращения. Команда также рассматривает возможность создания более сложных микромашин из водорослей.