подходят для коммуникации с клетками, не использующими потенциал действия – а именно: с клетками кожи, костей и других тканей, на которые мы пытаемся повлиять с помощью электрических методов нового поколения. Контролировать мембранный потенциал опухолевых клеток, чтобы заставить их вернуться к нормальной жизни, пытаться управлять токами в ранах на коже или в костях, самостоятельно распоряжаться судьбой стволовых клеток – ничего этого не удастся добиться с помощью одного-единственного имеющегося в нашем распоряжении метода – создания потенциала действия, возбуждающего нейроны. Нам нужны более разнообразные инструменты. К счастью, этим занимается быстро развивающаяся область исследований, задача которой заключается в создании устройств, вычислительных элементов и электрических схем, позволяющих “разговаривать” с ионами на их родном языке.

Несколько исследовательских групп работают над созданием “смешанной проводимости”: задача в данном случае заключается в разработке устройств, знающих биоэлектрический “язык”. Работа ведется с пластмассами и сложными полимерами с длинными названиями, часто содержащими цифры и знаки препинания. Для создания электрода для глубокой стимуляции мозга, который сможет оставаться в мозге более десяти лет, потребуется материал, способный находиться в безопасном контакте с тканями мозга гораздо дольше, чем это возможно сегодня. Поиски таких материалов далеки от завершения. Люди начинают задаваться вопросом: почему бы не вглядеться в обычного человека и не создать эти устройства не из искусственных полимеров, а из природного биологического материала? Почему бы не поучиться у природы?[427]

Такие попытки уже предпринимались. В 1970-е годы возник интерес к использованию кораллов для изготовления трансплантатов кости вместо аутотрансплантатов[428]. Вместо того чтобы проводить травмирующую двойную операцию для извлечения и пересадки необходимой костной ткани из другой части тела, было предложено использовать коралловый имплантат, который служил бы матрицей для роста новых костных клеток и образования новой костной ткани. Коралл по своей природе – остеокондуктивный материал, что означает, что новые костные клетки прекрасно устраиваются на нем и размножаются. Кроме того, он разлагается в естественных условиях: когда костная ткань вырастает, коралл постепенно всасывается, переваривается и выводится из тела. В результате последовательных усовершенствований удалось значительно ослабить воспалительный ответ и осложнения. Теперь несколько компаний выращивают специальные кораллы для создания костных трансплантатов и имплантатов[429].

После успеха с кораллами исследователи в поисках источников биоматериалов стали внимательнее приглядываться к морским организмам. Сегодня эта сфера исследований быстро развивается; благодаря новым методам обработки, позволяющим производить множество полезных материалов из того, что раньше считалось просто морскими отходами, за последние десять лет появились новые биоматериалы из морских организмов[430]. К ним относятся альтернативные источники желатина (улитки), коллагена (медузы) и кератина (губки): они широкодоступны, совместимы с биологическими тканями и разлагаются в биологических средах. И не только внутри тела: одна из причин интереса к этим материалам связана с необходимостью избавляться от загрязняющего природу синтетического пластика.

Еще одним достоинством материалов морского происхождения является их способность проводить ионный ток. Об этом в 2010 году задумался Марко Роланди, когда они с коллегами из Университета Вашингтона собрали транзистор из тканей кальмара.

Возвращение кальмара

Транзистор – это маленькая кремниевая деталь в вашем компьютере, которая позволяет включать и выключать проходящий через него электрический ток. Я не хочу здесь особенно подробно обсуждать устройство транзистора, так что просто поверьте мне: это важнейший элемент современных вычислительных машин, и что в вашем компьютере, и в телефоне, и во всех цифровых электронных приборах содержатся миллионы этих крохотных деталей, которые обеспечивают фантастические способности этих машин.

Транзистор Роланди никоим образом не походил на чрезвычайно сложные и изящно спаянные устройства в наших компьютерах. Он не был ни технологичным, ни изящным – лишь несколько мокрых на вид нановолокон хитозана, выделенных из пера кальмара (рудиментарной твердой внутренней пластинки, оставшейся от оболочки древних предков этого моллюска). Это достаточно мягкий и пластичный материал, так что изготовленный из него мозговой протез может вызывать лишь минимальные повреждения, но его главное преимущество заключалось в другом. Привлекательность этого транзистора в том, что, в отличие от модных полупроводников, открывающих двери току электронов, он контролирует ток протонов.

Но почему же нас интересуют протоны?

Как мы обсуждали в седьмой главе, протоны – это ионы водорода. Исследователи хорошо понимают их функцию, поскольку досконально изучили их участие в реакциях производства энергии в клетках[431]. Кроме того, протоны – ключевой фактор, определяющий кислотность среды внутри клетки и за ее пределами. Это один из самых тщательно регулируемых биологических механизмов[432]. Но, если честно, это все довольно скучно.

Интереснее вот что: протоны контролируют мембранный потенциал клетки и тем самым определяют концентрацию ионов натрия и калия и, следовательно, идентичность клетки в процессе регенерации и при развитии рака. “Неважно, какие ионы или ионные каналы использовать для контроля потенциала, – рассказывает Дэни Спенсер Адамс. – Важно, какое биоэлектрическое состояние они создают”. Проще всего оказалось использовать протоны. Пришлось только позаимствовать у дрожжей один ген, который отвечает за их производство. Адамс и Левин использовали этот подход для стимуляции зеркального расположения органов в эмбрионе лягушки.

Контроль потока протонов позволяет делать нечто, что раньше было невозможным, – сочетать эффективность лекарства с локальной точностью электрического разряда. Если удастся создать электрическое устройство, управляющее градиентом протонов, как при регенерации частей тела лягушки, но более точным образом, чем это делают лекарства, у нас появится совершенно новая возможность для развития биоэлектрической медицины: лучшие достижения в этих двух сферах позволят объединить силу лекарств, действующих на ионные каналы, и электроцевтику.

Чем больше узнаешь о протонах, тем понятнее становится, почему Роланди так воодушевило устройство, способное контролировать их поток. Манипуляция клеточными протонами дает возможность точно настраивать клеточное электричество, не привлекая электроны или другие ионы. “Это действительно просто, – рассказывает Адамс. – В протонном насосе нет ничего сложного – это всего лишь один белок”. Следовательно, его легко ввести в организм. Выделив такие белки из дрожжей, Адамс вколола их в эмбрионы лягушки. А дальше “протонный насос собирается самопроизвольно”. Ток изменяет концентрацию протонов в клетке, а это, в свою очередь, изменяет мембранный потенциал, что влияет на идентичность клетки. Вскоре в экспериментах Адамс соизволили вновь регенерировать клетки, которые не регенерировали прежде. Это работало и в обратную сторону: Адамс сумела перекрыть регенеративную способность регенерирующих клеток лягушки, отравив один из протонных насосов и тем самым отключив его функцию. “Не имеет значения, как вводить и как контролировать протоны, – комментирует она. – Важно лишь напряжение”.

За десять лет, прошедшие после создания своего первого хитозанового устройства, Роланди его усовершенствовал и сделал много других. И он был не одинок. В целом биологические материалы из головоногих