Механические сенсоры приспособили для поиска внеземной жизни

Поиск жизни на других планетах не всегда проходит прямо. Обычно он опирается на химическое обнаружение, которое может быть весьма ограниченным или вообще не подходить к чужеродной биологии. С другой стороны, в основе любой жизни лежит движение, и его можно использовать для идентификации микроорганизмов без необходимости знать их химию.

Ученые EPFL разработали чрезвычайно чувствительный, но простой сенсор движения, который можно легко построить, адаптировав уже существующую технологию. Эта система смогла точно обнаруживать бактерии, дрожжи и даже раковые клетки, а также ее хотят адаптировать для быстрого тестирования препаратов и даже обнаружения внеземной жизни. Работа была опубликована в Трудах Национальной академии наук (PNAS).

Джованни Дитлер, Сандор Касас и Джованни Лонго разработали детектор движения, который использует наноразмерный кантилевер (кронштейн, консоль) для обнаружения движения. Кантилевер представляет собой упругую консоль (микромеханический зонд), закрепленную на одном конце и несущую нагрузку на другом. Такая конструкция часто используется при строительстве мостов и зданий, но в данном случае ее сделали в пределах микрометра, и на нем можно разместить порядка 500 бактерий.

Идея пришла от уже существующей технологии, лежащий в основе атомно-силового микроскопа. Этот мощный микроскоп использует тонкий пучок для получения фотографии атомов, лежащих на поверхности. Кантилевер сканирует поверхность, подобно игле проигрывателя, а его движение вверх и вниз считывается лазером для получения изображения.

Датчик движения, разработанный Дитлером и Касасом, работает точно так же, но здесь образец располагается на самом кантилевере. Если бактерия жива, она неизбежно будет двигаться, например, двигая своим жгутиком или просто осуществляя обычные биологические функции. Это движение также приводит в движение небольшой чувствительный кантилевер, а его движения считываются лазером как серия вибраций. Сигнал воспринимается как признак жизни.

Ученые EPFL успешно испытали свою систему с отдельными бактериями, дрожжами, мышами и клетками человека. Они даже проверили почву в полях вокруг кампуса EPFL и воду из реки Зорге неподалеку. В каждом случае ученым удавалось точно определить и выделить сигнатуры вибраций из живых клеток. Когда они использовали химикаты, чтобы убить все живое, сигналы прекращались.

«У этой системы есть большое преимущество: она полностью свободна от химии, — говорит Дитлер. — Это означает, что ее можно использовать в любом месте — в фармакологических испытаниях или вообще на другой планете».

Ученые предполагают, что в будущем на зондах, исследующих космос, можно будет размещать большие массивы датчиков на основе такого кантилевера. Поскольку он полагается по большей части на движения, а не на химию, датчик сможет выявлять формы жизни в разной среде, которая привычна для планеты, вроде метановых озер Титана.

Тем не менее более полезные применения систем кантилевера будут в разработке лекарственных средств. Используемые в массивах датчиков, кантилеверы смогут покрывать бактериальные или другие клетки и инкубироваться с различными лекарственными соединениями. Если лекарства будут эффективны, сигналы движений прекратят поступать, а значит, клетки умрут. Этот подход будет значительно быстрее, чем современные навороченные системы, используемые фармацевтическими компаниями в поисках кандидатов на хорошие антибиотические или противораковые препараты.

«Это шаг вперед, — говорит Дитлер. — Но мы хотим узнать у NASA и ESA, интересно ли это им».