Η καρδιά ενός ρομπότ που κολυμπάει

Οι Lee et al.

Οι περισσότεροι από τους μύες του σώματός μας ενεργούν μόνο ως απόκριση στα εισερχόμενα νευρικά σήματα, τα οποία πρέπει να ενεργοποιήσουν κάθε μυϊκό κύτταρο για να συσπαστεί ή να χαλαρώσει. Αλλά ο καρδιακός μυς είναι διαφορετικός. Οι παρορμήσεις που προκαλούν τη σύσπαση του καρδιακού μυός μεταδίδονται από ένα μυϊκό κύτταρο στους γείτονές του, με αποτέλεσμα ένα ρυθμικό κύμα συσπάσεων. Αυτό είναι τόσο ενσωματωμένο στο σύστημα που ένα φύλλο καρδιακών μυϊκών κυττάρων σε ένα δίσκο καλλιέργειας θα αρχίσει να συστέλλεται αυθόρμητα.

Τώρα, οι ερευνητές έχουν εκμεταλλευτεί μερικές από τις μοναδικές ιδιότητες των καρδιακών κυττάρων για να κατασκευάσουν ένα ψάρι ρομπότ που κολυμπάει αποκλειστικά με ζάχαρη. Και καθώς προσπάθησαν να φτιάξουν το καρδιακό ισοδύναμο ενός βηματοδότη, αποδείχθηκε ότι δεν ήταν απαραίτητο: η σωστή διάταξη των μυϊκών κυττάρων επέτρεπε στα ψάρια να κολυμπούν αυθόρμητα.

Χτίστε μυς που μοιάζει με καρδιά

Κατά κάποιο τρόπο, το άρθρο που περιγράφει το νέο ψάρι ρομπότ είναι ένας φόρος τιμής στην αυξανόμενη ικανότητά μας να ελέγχουμε την ανάπτυξη βλαστοκυττάρων. Οι ερευνητές που εδρεύουν στο Χάρβαρντ πίσω από την εργασία αποφάσισαν να χρησιμοποιήσουν κύτταρα μυών της καρδιάς για να τροφοδοτήσουν το ρομπότ τους. Πριν από μερικά χρόνια, αυτό θα σήμαινε την ανατομή της καρδιάς ενός πειραματόζωου πριν την απομόνωση και την ανάπτυξη των καρδιακών του κυττάρων σε καλλιέργεια.

Για τα ψάρια ρομπότ, τα βλαστοκύτταρα ήταν καλύτερα. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα βλαστοκύτταρα είναι πιο εύκολο να χειριστούν γενετικά και είναι ευκολότερο να μετατραπούν σε έναν ενιαίο πληθυσμό. Έτσι, η ομάδα ξεκίνησε με έναν πληθυσμό ανθρώπινων βλαστοκυττάρων και μπήκε στη διαδικασία να κατευθύνει την ανάπτυξή τους για να σχηματίσει κύτταρα καρδιακού μυός.

READ  Οι επιστήμονες εντοπίζουν νέα λουλούδια στο δάσος που υπήρχαν πριν από 100 εκατομμύρια χρόνια

Ένα λεπτό στρώμα από αυτά τα κύτταρα τοποθετήθηκε μέσα σε μια λεπτή φέτα ζελατίνης, η οποία συγκρατούσε τα κύτταρα στη θέση τους στις πλευρές του «ψαριού» (μία φέτα σε κάθε πλευρά). Το κέντρο του ψαριού ήταν εύκαμπτο, έτσι μια σύσπαση του μυός στη δεξιά πλευρά θα τραβούσε την ουρά προς τα δεξιά και το ίδιο θα λειτουργούσε και για την αντίθετη πλευρά. Εναλλάσσοντας τις αριστερές και τις δεξιές συσπάσεις, το ψάρι τραβούσε την ουρά του από τη μία πλευρά στην άλλη, προωθώντας την προς τα εμπρός. Από εκεί και πέρα, το ψάρι είχε ένα μεγάλο ραχιαίο «πτερύγιο» που περιείχε μια συσκευή άνωσης για να κρατά το θηρίο όρθιο και να το εμποδίζει να βυθιστεί. Το όλο πράγμα τροφοδοτήθηκε βάζοντάς το σε διάλυμα με ζάχαρη, που θα απορροφούσαν τα κύτταρα του καρδιακού μυός.

Ίσως λόγω αυτής της απλότητας, το ρομπότ ήταν τόσο ανθεκτικό που μπορούσε να κολυμπήσει για περισσότερους από τρεις μήνες μετά την κατασκευή του. Η απόδοση ήταν εντάξει στην αρχή, αλλά βελτιώθηκε τον πρώτο μήνα καθώς τα καρδιακά κύτταρα ενσωματώθηκαν καλύτερα στους συνεκτικούς μυς. Τελικά, το ψάρι ήταν σε θέση να ταξιδεύει περισσότερο από ένα μήκος σώματος ανά δευτερόλεπτο. Με αυτόν τον ρυθμό, το ρομπότ ήταν αξιοσημείωτα αποτελεσματικό – ανά μονάδα μυϊκής μάζας, η ταχύτητα κολύμβησης του ήταν καλύτερη από αυτή των πραγματικών ψαριών.

Υπό και εκτός ελέγχου

Ένα από τα πράγματα που συνέβαλαν στην αποτελεσματικότητα του ψαριού ρομπότ είναι αξιοσημείωτο για την απουσία του στην παραπάνω φωτογραφία: κάθε είδους κύκλωμα ελέγχου. Οι ερευνητές δοκίμασαν στην πραγματικότητα διάφορους τρόπους ελέγχου των μυών, αλλά τελικά διαπίστωσαν ότι η απλούστερη επιλογή ήταν η καλύτερη.

READ  Τι γίνεται αν η μαύρη τρύπα στο κέντρο του Γαλαξία ήταν στην πραγματικότητα μια μάζα σκοτεινής ύλης;

Η πρώτη προσπάθεια για τον έλεγχο των μυών περιελάμβανε λίγη γενετική μηχανική. Οι μύες ενεργοποιούνται για να συστέλλονται από την εισροή ιόντων, που συνήθως πυροδοτούνται από νευρικές ώσεις. Ωστόσο, οι ερευνητές έχουν εντοπίσει ορισμένες πρωτεΐνες που λειτουργούν ως κανάλια ιόντων που ενεργοποιούνται από το φως, τα οποία θα δημιουργήσουν μια εισροή ιόντων ως απόκριση σε συγκεκριμένα μήκη κύματος φωτός. Έτσι, οι ερευνητές σχεδίασαν τα κύτταρα στη μία πλευρά ώστε να είναι ευαίσθητα στο κόκκινο φως και αυτά από την άλλη στο μπλε. Αυτό λειτούργησε καλά, επιτρέποντας εναλλασσόμενες λάμψεις κόκκινου και μπλε φωτός να αναγκάζουν τα ψάρια να κολυμπήσουν προς τα εμπρός.

Η δεύτερη μέθοδος που δοκίμασαν οι ερευνητές ήταν εμπνευσμένη από τη δομή της καρδιάς, η οποία περιέχει ένα σύμπλεγμα κυττάρων που λειτουργεί σαν βηματοδότης πυροδοτώντας μια συστολή που εξαπλώνεται από εκεί. Οι ερευνητές σχημάτισαν μια σφαίρα από καρδιακά κύτταρα για να λειτουργήσουν ως βηματοδότης και δημιούργησαν μια γέφυρα κυττάρων που συνέδεε τα καρδιακά κύτταρα με τους πλευρικούς μύες. Η εισροή ιόντων που ξεκίνησε στα κύτταρα του βηματοδότη θα μπορούσε να εξαπλωθεί στους μύες, προκαλώντας συστολή.

Λειτούργησε σε κάποιο βαθμό, αλλά αποδείχτηκε δευτερεύουσας σημασίας. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι οι δύο μύες σημείωναν ο ένας τις συσπάσεις του άλλου.

Τα καρδιακά μυϊκά κύτταρα διαθέτουν επίσης υποδοχείς τεντώματος. Τραβήξτε πολύ δυνατά το κύτταρο και ο υποδοχέας θα ενεργοποιηθεί και θα πυροδοτήσει μια συστολή. Αυτό έχει αποδειχθεί ότι παρέχει ολοκληρωμένο συντονισμό για τους μυς των πλευρών. Όταν η μία δεξιά πλευρά συσπάστηκε, τα κύτταρα στην αντίθετη πλευρά τεντώθηκαν. Μόλις έφταναν σε ένα κρίσιμο σημείο, οι υποδοχείς τεντώματος στην αριστερή πλευρά θα πυροδοτούσαν αυτόν τον μυ να συσπαστεί, τεντώνοντας τον δεξιό. Αυτό το τέντωμα ξεκίνησε ξανά τον κύκλο.

READ  Πολίτες επιστήμονες βοηθούν στην ανακάλυψη πάνω από 1.000 νέων αστεροειδών

Δεν θα λειτουργούσε επ’ αόριστον και οι δύο μύες θα έβγαιναν τελικά εκτός συγχρονισμού. Αυτό είναι όταν ο βηματοδότης θα μπορούσε να τους βοηθήσει να επιστρέψουν σε έναν κανονικό κύκλο.

Συνολικά, είναι πολύ πιο εντυπωσιακό παρά χρήσιμο (εκτός αν είστε ο τύπος που εντυπωσιάζεστε μόνο από χρήσιμα πράγματα). Δεν υπάρχουν πολλές καταστάσεις που απαιτούν από ένα ρομπότ να κολυμπήσει σε διάλυμα ζάχαρης, τελικά. Αλλά το γεγονός ότι οι ερευνητές μπόρεσαν να καταλάβουν πώς να χρησιμοποιήσουν τις βασικές βιολογικές ιδιότητες αυτών των κυττάρων για να φτιάξουν μια αποτελεσματική μηχανή σίγουρα ανταποκρίνεται στον ορισμό μου για εντυπωσιακό.

Science, 2022. DOI: 10.1126/science.abh0474 (Σχετικά με τα DOI).

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται.