Rashid Bashir je biolog pracující na University of Illinois v Urbana-Champaign. „Botmaster“ mu říkají proto, že dal říkance „Paci paci pacičky, táta koupil botičky“, nový rozměr.  Jako první zhotovil mini-bio-boty, které plní jeho vůli. Jsou z hydrogelu a funkční prototyp si vytiskl na tiskárně už před třemi roky.   

Rashid Bashir: „Pohon pomocí buněk je základ všech budoucích biologických strojů.“ (Kredit: UIU)

Nám nostalgikům slovo boty v jiném významu, než obuv, zní jaksi divně. Nejspíš proto, že jsme Čapkovo R.U.R. měli jako povinnou četbu. Dnes na čtení knih tolik času nezbývá a slovo bot mladší generaci nijak zvláštní nepřijde. Pro krácení slova robot na bot mají  i racionální důvod. Šetří papír, inkoust i čas. V anglicky mluvících zemích bot (množné číslo bots), patří u náctiletých k nejčastěji používaným slovům, nejspíš proto, že v počítačových hrách by si bez nich prakticky  neškrtli. Boty i boti si tak oklikou razí cestu zpět do češtiny odkud jako robot vyšly. Dělá to zmatky. Na vině je naše dlouhodobá snaha roboty, kteří se snaží vetřít do společnosti lidí, označovat jako roboti (s měkkým „i“). A ty, jejichž  inteligence stačí akorát tak na škrábání brambor a hnětení těsta, prohlašujeme za roboty (s tvrdým „y“). Jazykový cit nás podvědomě nutí vztáhnout pravidlo i na poangličtěné navrátilce a výsledkem pak jsou zde zmíněné boty a boti. Jazykozpytná internetová příručka je v tomto případě skoupá a tak než se používání termínů v informatice, biologii a technice nějak ustálí, bude v tom nějakou dobu asi významový hokej. 

Zvětšit obrázek

Původní bio-boty (bio-roboty) poháněly buňky srdečního svalu. Jak už to u srdečních záležitostí bývá, udělalo to z nich nezvladatelné neposedy, které nešlo zastavit. (Kredit: Elise A. Corbin)

Ve snaze si nikoho si nenahněvat, alibisticky použijeme oba termíny ve stejném významu. Naštěstí  to ani moc zavádějící nebude, s jistou dávkou nadsázky v Proceedings of the National Academy of Science popsané zařízení jako boty „chodí“ a i tak trochu vypadá. 

Výroba
To se vezme tiskárna a kazeta pro inkoust se naplní roztokem s živými buňkami ze svalu. Místo papíru se použije gelová membrána a zmáčkne se knoflík. První miniatury vzbuzující úsměv byly 7 mm dlouhé a připomínaly sulcovité placičky. Kráčet jim umožňovala jejich asymetrie a "chůze" připomínala mrskající se píďalku. V pravidelných intervalech se jejich „tělíčkem“ proháněl impuls kontrakce a rosolovitá hmota se skrčením a narovnáním o něco málo posouvala vpřed. Milimetrové kráčedlo je ze dvou částí - dlouhé a tenké „nožky“ a nic nedělající tlusté, sloužící jako úd podpůrný. Pohonnou jednotkou byly živé svalové buňky srdečního svalu potkana. Nanášely se jen na delší nožku a to jen na jedné její straně. Proto jejich kontrakce hydrogelový podklad prohne. Po uvolnění stahu buněk se „most“ zase vracel do svého původního (rovného) tvaru.

„Botky“ samochodky, model roku 2012:

Bio-boty „jezdí“ na energii obsaženou v živném roztoku gelového podkladu. Jakmile je robot jednou sestaven, buňky se po krátké době propojí, vzájemně se pomocí bioproudů sesynchronizují a začnou jednat autonomně. Tak, jak je evoluce vycvičila a jak jsou naprogramovány. Hendikepem takového pohonu je, že vehikl je prakticky neovladatelný.

I lenost může být předností

Rashid Bashir udělal boty, které už nejsou tak svěřepě tvrdohlavé. Jeho první mini-bio-boty z hydrogelu byly sice autonomní, ale jejich samostatnost nebyla předností. Pohon zajišťovaný buňkami srdečního svalu krys si do své práce moc mluvit nenechal a boty chodily, jak se jim zachtělo.  Nové bio-roboty jsou poháněny snopečkem buněk kosterního svalstva. Ty jsou od přírody línější, pracují jen když musí. Zatímco model  poháněný buňkami svalu kde sídlí láska, nepřestane šmejdit dokud nepadne vyčerpáním, u zatím posledního modelu se  změnou frekvence elektrických impulsů dají boty zpomalovat, zrychlovat a nebo zabrzdit, aby zůstaly stát na místě. 

Zvětšit obrázek

Nové boty lze řídit impulsy elektrického proudu. Vpodstatě mají tři rychlosti – pomalu, rychle a stop. Zpátečka i volant jim zatím chybí. (Kredit: Janet Sinn-Hanlon, Design Group @ VetMed)

I když se nám i stávající výtvory jeví neohrabané, mají začít sloužit v praxi. Nejdříve z nich mají být levné prostředky monitorující prostředí. Pokud jejich vycházový výkon klesne, bude to signál, že se děje něco nekalého. Zdravotníkům bio-boty budou přínosem v hledání účinnějších léků na naše stresem unavená srdce. Nějaké využití pro ně chystají i sportovní komisaři.

Vědci ale již pracují na vylepšení své hračky a to hned dvěma směry. Jeden má jít jejich dovybavením  o nějaké neurony. Druhý z nich má udělat přepravní prostředky ovládané světlem. K tomu do jejich motoru (svalové buňky) hodlají namontovat gen z mořských řas, který zajistí citlivost na světlo.  Jejich membránový protein odvozený od vitamínu A, zvaný channelrhodopsin, vyniká tím, že když se na něj posvítí, změní uspořádání své molekuly (konformaci) a vytvoří izomer. Proměna trans formy na cis dělá v membráně otvor. Dost velký na to, aby vzniklým kanálkem o průměru 0,6 nm se do buňky nahrnuly kladné ionty (H+, Na+, K+, a Ca2+). Otevření dvířek do nitra buňky trvá jen milisekundu, pak se zase přibouchnou. I tak krátká doba „protonovým vetřelcům“ stačí k tomu, aby buněčnou membránu depolarizovali. Taková depolarizace membrány není vlastně nic jiného, než šíření vzruchu. Jde o stejný proces, jakým domlouvají a synchronizují svojí činnost i svalové buňky.

Bio-boty model letošního léta:

Dovybavení buněk depolarizačním zařízením je snadné, stačí vložit do jejich jaderné informace příslušný gen a ony si zbytek zařídí samy. Ve svalových membránách si vytvoří proteinové struktury reagující na světlo, kterým se odborně říká světelné protonové brány. Bio-boty opatřené pohonem z takto vylepšených svalových buněk budou řiditelnější.
I to se výzkumníkům  zdá ještě málo a tak kromě vylepšeniny  channelrhodopsinem z mořských řas, reagujícího na modré světlo, zvažují jiné svalové buňky vybavit halorhodopsinem z archaebakterie Natronomonas pharaonis. Tento protein modrou nevidí, je ale alergický na žluté světlo o vlnové délce 580 nm. Odlišně reagujícími buňkami pak lze potisknout různé části bota a tím u něj docílit jeho směrově ovladatelnosti. Tak nějak jako kdyby šlo o robota s mnoha servomotorky.  A protože „tlustá“ nožka bio-botům slouží jen jako vezoucí se opora, nebude problém ji obtěžkat léčivem, případně něčím dalším. Je obtížné si nyní představit k čemu všemu bude možné myšlenku využít. S prostorovým uspořádáním základního želatinového tělesa a na něj navěšené různé typy buněk, půjde s pomocí 3D tisku dělat divy. Na cestě k řízeným biologickým strojům, které jednou budou dopravovat léky, podílet se na mikrochirurgii, vytvářet inteligentní implantáty,... Hydrogel i kultivace buněk  je levnou záležitostí a tak Bashir se svými kolegy již plánuje zapojit do navrhování nových botích tvarů studenty. Zatím prý jde o  boty, ale až jednou hodně zmoudří, vyrostou z nich boti. 

Literatura:
Development of Miniaturized Walking Biological Machines, Nature www.nature.com/srep/2012/121115/srep00857/full/srep00857.html

Three-dimensionally printed biological machines powered by skeletal muscle, Proceedings of the National Academy of Sciences, www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1401577111

University of Illinois at Urbana-Champaign