Биосенсоры потеснили обычную электронику

Копирование природы и интегрирование биологии рождает новые технологии и решения. Миниатюрные электронные устройства с биологическими элементами становятся двигателями технологической революции. Скоро в нашу жизнь войдут особые биосенсоры, которые будут контролировать и сообщать о тех процессах, отследить которые напрямую человек не способен.

Фото:

Кстати, с их помощью можно будет контролировать и состояние самого человека.

Сам принцип использования биологических организмов для получения сигналов о других процессах известен человечеству издавна. Народные приметы — обобщения той же природы. Они сложились в результате анализа поведения тех или иных видов живых существ и бытовали как способ обнаружения невидимых глазу процессов через изменения в живом посредники.

Читайте также: Муха подсказала идею скафандра

Живые объекты использовали и в индустрии. Спускаясь в забои в начале прошлого века шахтёры, брали с собой клетку с канарейками, которые предупреждали их об утечке взрывоопасного метана. Но применение полноценного живого организма не всегда оправданно и надежно, а иногда и спорно с моральной точки зрения. Страдает точность определения, да и изменения на микроуровне с помощью канареек не отследишь.

Здесь на помощь человеку пришла техника. Созданы многочисленные устройства, которые способны реагировать на те или иные изменения определенных параметров окружающей среды. Развитие микроэлектроники сделало возможным соединение биологического и технического подхода.

Порождение этого союза — появление особого вида миниатюрных сигнальных устройств — биосенсоров. Это техническая аналитическая система, центральной частью которой являются биологические объекты — начиная от ферментов и заканчивая клеточными культурами или тканями. Например, в лаборатории генной инженерии НИИ физико-химической медицины Росздрава российские учёные удалось сконструировали биосенсор с бактерией Helicobacter pylori, по которой на ранней стадии по изменению среды желудка выявляют раковую опухоль.

Использование органики — это готовое решение, так как клетки являются живыми детекторами определенных молекул. Они опознают присутствие, а техническая периферия фиксирует возникшую реакцию и позволяет трансформировать изменение параметров среды в понятный для человека оптический или электрический сигнал.

Большинство биосенсоров первоначально создавалось для анализа биологических жидкостей. И это понятно, так как к электрохимическим реакциям такого рода живые клетки и приспособлены. Наибольшее развитие получили ферментные и клеточные биосенсоры.

Принципиальная схема биосенсора включает в себя биоселектирующую мембрану (ферменты, рецепторы, нуклеиновые кислоты, антитела, клетки, бактерии) и трансдьюсер, который преобразует сигнал в электрический. В ролитрансдьюсера могут выступать преобразователи на различных принципах — от оптических до гравитационных. Различные мембраны могут комбинироваться с разными трансдьюсерами, что и позволяет создавать различные типы сенсоров. Также монтируются микросистемы считывания и записи информации.

Создание таких устройств стало возможным благодаря работам на стыке научных областей, где и происходят сейчас наиболее значительные открытия. На потенциально громадном мировом рынке биосенсоров, который сейчас оценивается примерно в 15 миллиардов долларов, используются и комбинируются наработки самых различных научных отраслей — от биологии до электроники.

Первая волна устройств — диагностические системы на основе биосенсоров и биочипов. Созданы устройства отслеживающие содержание кислорода, водорода показателя, бактерий и нескольких других физико-химических параметров среды для применения экспресс-тестах различных биологических образцов, например, мочи, крови. Но логичным видится следующий шаг, который на практике реализует заложенный в самой идее потенциал воздействия на точечные объекты.

Биосенсоры могут не только фиксировать, но и влиять, выступать инструментом вмешательства и корректировки процессов, идущих на микроуровне. Разработаны подключаемые к нейронам сенсоры не только регистрирующие электрическую активность мозга, но способные к раздражению нейроном микроимпульсами, что влияет на поведение нейрона, группы нервных клеток и, соответственно, обладателя этой нервной системы. Такие возможности вызывают особый интерес и нетрудно прогнозировать рост объема инвестиций в исследования и НИОКР.

И даже компьютеры могут быть сделаны из живых клеток — реальная перспектива на ближайшие годы. Сразу две группы ученых из США распортуют о создании биологических аналогов транзистора. В Стэнфордском университете сконструирован биологический прото-транзистор из белков, который контролирует движение РНК-полимеразы по ДНК. Он работает как переключатель, регулируя приток этого фермента и, следовательно, плотность полимеразного потока. Еще одно достижение — это схема с использованием ряда биотранзисторов, которая способна выполнять определенные вычисления. Подобные разработки принадлежат Массачусетскому технологическому институту.

В этом случае человечество сможет не только экспериментировать со своим здоровьем под присмотром ДНК-компьютеров, но и создавать живые здания, которые могут самостоятельно собираться в определенной последовательности. Учёные уже додумались до "умной пыли" — сети, состоящей из тысяч наносенсоров, способных анализировать окружающую среду и передавать друг другу информацию.

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"