Створено пристрій для управління ростом клітин людини

Група вчених з Каліфорнійського університету в Санта-Круз (UCSC) розробила перспективний біоелектронний пристрій. За допомогою електроніки і завдяки зворотного зв’язку на основі машинного навчання вчені змогли задати і годинами утримувати певний мембранне напруження в стовбурових клітинах людини. Цей винахід дозволить управляти зростанням і спеціалізацією стовбурових клітин, що веде до прогресу в регенеративної медицини.

Жива клітина людини — це стійка саморегулююча система, а інакше і не може бути. Причому вона сама собі на умі, навіть якщо хвора. Тому змінити гомеостаз клітини представляється складним завданням, яку вчені все-таки змогли вирішити. Зробити це допомогла контрольована алгоритмами машинного навчання електроніка, яка підтримувала заданий вченими баланс іонів в безпосередній близькості від культивованих стовбурових клітин людини.

Пояснимо, мембранне напруга формується як різниця потенціалів між внутрішнім середовищем живої клітини і її ближнім оточенням. Цю різницю потенціалів — досить строго певну для різних типів клітин — підтримують білки в складі клітинної мембрани. Для цього білки створюють в мембрані іонні канали, що веде до відновлення балансу (напруги) при порушенні концентрації іонів всередині або зовні клітини. Спроба змінити концентрацію іонів (і мембранне напруга) викликає зворотну реакцію клітини і зводиться нанівець. У всякому разі, які тривалий час утримувати точне напруга клітинної мембрани простим способом не вийде.

Вчені вирішили задачу в такий спосіб. Вони створили навколо колонії стовбурових клітин систему протонних насосів, за допомогою яких додавали або видаляли іони водню з розчину в безпосередній близькості від культивованих стовбурових клітин. Ця система управління нею самонавчальним алгоритмом ML. Причому система не проходила попереднього навчання на моделях, а вчилася на ходу в міру спостереження за поведінкою клітин і оцінки концентрації розчину. За мембранним напругою система стежила візуально, для чого вчені так модифікували білок мембрани, щоб він флюоресціровать в залежності від величини мембранного напруги. Тим самим алгоритм отримав систему зворотного зв’язку і міг оцінювати свій вплив на потенціал мембрани.

В ході поставленого експерименту вчені змогли цілих десять годин підтримувати заданий рівень мембранного напруги у живих клітин. Для роботи зі стовбуровими клітинами — це ключове досягнення, хоча в поставленому досвіді дослідники не прагнули домогтися диференціювання клітин. Але вони показали, що процесом вибору спеціалізації стовбурових клітин можна управляти. Проект, до речі, фінансують військові США. Однак керована регенерація тканин — це те, що буде корисно кожній людині на Землі. Джерело