Inima care bate a unui robot de înot

Majoritatea mușchilor din corpul nostru funcționează doar ca răspuns la semnalele nervoase care sosesc, care trebuie să stimuleze fiecare celulă musculară individuală să se contracte sau să se relaxeze. Dar mușchiul inimii este diferit. Impulsurile care provoacă contractarea mușchiului inimii sunt transmise de la o celulă musculară la vecinii ei, rezultând un val de contracții regulate. Acesta este atât de integrat în sistem încât o foaie de cardiomiocite din placa de implant începe să se contracte spontan.

Acum, cercetătorii au profitat de unele dintre proprietățile unice ale celulelor inimii pentru a construi un pește robot care înoată alimentat doar de zahăr. Și în timp ce încercau să facă echivalentul inimii cu un stimulator cardiac, s-a dovedit că nu era necesar: aranjarea corectă a celulelor musculare făcea peștii să înoate spontan.

Construirea unui mușchi asemănător inimii

Într-un fel, lucrarea care descrie noul pește robot este o apreciere a capacității noastre crescânde de a controla creșterea celulelor stem. Cercetătorii din spatele cercetării, cu sediul la Universitatea Harvard, au decis să folosească celulele musculare ale inimii pentru a-și alimenta robotul. În urmă cu doi ani, aceasta a însemnat disecția unei inimi de la un animal de experiment înainte de a izola celulele cardiace și de a le crește în cultură.

Pentru grosimea robotului, celulele stem au fost mai bune. Asta pentru că celulele stem sunt mai ușor de manipulat genetic și sunt mai ușor de crescut într-o populație uniformă. Deci, echipa a început cu un set de celule stem umane și a trecut prin procesul necesar pentru a le direcționa creșterea, astfel încât să poată forma celule musculare ale inimii.

Un strat subțire din aceste celule a fost plasat în interiorul unei felii subțiri de gelatină, care ține celulele în poziție de ambele părți ale „peștelui” (o felie pe ambele părți). Centrul peștelui era flexibil, astfel încât o contracție a mușchiului flancului drept ar trage coada spre dreapta și același lucru era valabil și pentru cealaltă parte. Alternând între contracțiile din dreapta și din stânga, peștele își trage coada dintr-o parte în alta, împingând-o înainte. Mai mult decât atât, peștele are o „înotatoare” dorsală mare care conține un dispozitiv de flotabilitate pentru a menține fiara în poziție verticală și pentru a o împiedica să se înece. Totul a fost susținut prin introducerea lui într-o soluție cu zahăr, care a fost absorbit de celulele mușchiului inimii.

Poate din cauza acestei simplități, robotul a fost atât de durabil încât a fost capabil să înoate mai mult de trei luni după ce a fost construit. Performanța a fost bună la început, dar s-a îmbunătățit în prima lună, deoarece celulele inimii au fost mai bine integrate într-un mușchi coeziv. În cele din urmă, peștele a reușit să călătorească mai mult decât lungimea corpului pe secundă. În acel ritm, robotul era remarcabil de eficient – ​​pe unitatea de masă musculară, viteza sa de înot era mai bună decât cea a peștilor reali.

In si scapat de sub control

Unul dintre lucrurile care au ajutat la eficiența peștelui robot poate fi văzut în absența acestuia în imaginea de mai sus: orice fel de circuit de control. Cercetătorii au testat deja o serie de moduri de a controla mușchii, dar în cele din urmă au descoperit că opțiunea mai simplă era cea mai bună.

Prima încercare de control muscular s-a bazat pe puțină inginerie genetică. Mușchii sunt stimulați să se contracte de un aflux de ioni, care este de obicei cauzat de impulsurile nervoase. Dar cercetătorii au identificat unele proteine ​​care acționează ca canale ionice activate de lumină, care vor crea un flux de ioni ca răspuns la lungimi de undă specifice ale luminii. Prin urmare, cercetătorii au proiectat celulele de pe o parte să fie sensibile la lumina roșie, iar cele de pe cealaltă parte să fie sensibile la albastru. Acest lucru a funcționat bine, deoarece fulgerele alternante de lumină roșie și albastră au permis peștilor să înoate înainte.

A doua metodă pe care au încercat-o cercetătorii a fost inspirată din arhitectura inimii, care conține un grup de celule care acționează ca un stimulator cardiac provocând o contracție care se răspândește de acolo. Cercetătorii au format o minge de celule cardiace care să acționeze ca un stimulator cardiac și au creat o punte de celule care leagă celulele inimii de mușchii aripilor. Fluxul de ioni inițiat în celulele stimulatorului cardiac se poate răspândi la mușchi, provocând contracția.

Acest lucru a funcționat într-o oarecare măsură, dar s-a dovedit a fi de importanță secundară. Cercetătorii au descoperit că cei doi mușchi accelerează reciproc contracțiile.

Celulele musculare cardiace conțin și receptori de întindere. Trage mult de celula, iar receptorul va fi activat și va provoca contracția. Se pare că aceasta asigură coordonarea internă a mușchilor flancului. Când o parte s-a micșorat în dreapta, a făcut ca celulele de pe cealaltă parte să se întindă. Odată ce atinge un punct critic, receptorii de întindere din partea stângă vor stimula acel mușchi să se contracte și să se întindă spre dreapta. Această întindere a repornit apoi ciclul.

Acest lucru nu va funcționa la infinit, iar cei doi mușchi se vor desincroniza în cele din urmă. Stimulatorul cardiac îi poate ajuta apoi să-i readucă într-un ciclu obișnuit.

În general, acest lucru este mai impresionant decât util (cu excepția cazului în care ești genul care doar admiră lucruri utile). Până la urmă, nu sunt multe situații în care un robot să înoate printr-o soluție de zahăr. Dar faptul că cercetătorii au putut descoperi cum să folosească proprietățile biologice de bază ale acestor celule pentru a face o mașină eficientă se potrivește cu siguranță definiției mele despre admirație.

Science, 2022. DOI: 10.1126 / Știință. abh0474 (Despre DOI).