Срце пливајућег робота које куца

Већина мишића у нашим телима ради само као одговор на долазне нервне сигнале, који морају стимулисати сваку појединачну мишићну ћелију да се контрахује или опусти. Али срчани мишић је другачији. Импулси који изазивају контракцију срчаног мишића преносе се од једне мишићне ћелије до њених суседа, што резултира таласом редовних контракција. Ово је толико интегрисано у систем да лист кардиомиоцита у посуди за имплантат почиње спонтано да се скупља.

Сада су истраживачи искористили неке од јединствених својстава срчаних ћелија да направе роботску рибу која плива само на бази шећера. И док су покушавали да направе срчани еквивалент пејсмејкеру, испоставило се да то није било потребно: правилан распоред мишићних ћелија је натерао рибу да спонтано плива.

Изградња мишића сличног срцу

На неки начин, рад који описује нову рибу робота је уважавање наше све веће способности да контролишемо раст матичних ћелија. Истраживачи који стоје иза истраживања, са седиштем на Универзитету Харвард, одлучили су да користе ћелије срчаног мишића за напајање свог робота. Пре две године, ово је значило сецирање срца експерименталне животиње пре изоловања срчаних ћелија и узгоја у култури.

За дебљину робота, матичне ћелије су биле боље. То је зато што је матичним ћелијама лакше генетски манипулисати и лакше је прерасти у униформну популацију. Дакле, тим је почео са скупом људских матичних ћелија и прошао кроз процес који је потребан за усмеравање њиховог раста како би могле да формирају ћелије срчаног мишића.

Танак слој ових ћелија стављен је унутар танке кришке желатина, који држи ћелије на месту са обе стране „рибе“ (једна кришка са обе стране). Центар рибе је био флексибилан, па би контракција мишића десног бока повукла реп удесно, а исто је важило и за другу страну. Наизменично између десне и леве контракције, риба повлачи реп са стране на страну, гурајући га напред. Штавише, риба има велику леђну „перају“ која садржи уређај за узгону који држи звер усправно и спречава је да се удави. Све је поткрепљено стављањем у раствор са шећером, који су апсорбовале ћелије срчаног мишића.

Можда је због ове једноставности робот био толико издржљив да је могао да плива више од три месеца након што је направљен. Перформансе су у почетку биле добре, али су се побољшале током првог месеца пошто су срчане ћелије биле боље интегрисане у кохезивни мишић. На крају, риба је могла да путује више од дужине свог тела у секунди. При том темпу, робот је био изузетно ефикасан – по јединици мишићне масе, његова брзина пливања је била боља од оне стварне рибе.

У и ван контроле

Једна од ствари која је помогла да се омогући ефикасност роботске рибе може се видети у њеном одсуству на слици изнад: било која врста контролног кола. Истраживачи су већ тестирали бројне начине за контролу мишића, али су на крају открили да је једноставнија опција најбоља.

Први покушај контроле мишића ослањао се на мало генетског инжењеринга. Мишићи се стимулишу да се контрахују приливом јона, што је обично узроковано нервним импулсима. Али истраживачи су идентификовали неке протеине који делују као јонски канали активирани светлошћу, који ће створити ток јона као одговор на одређене таласне дужине светлости. Стога су истраживачи дизајнирали ћелије на једној страни тако да буду осетљиве на црвено светло, а оне на другој страни да буду осетљиве на плаво. Ово је добро функционисало, јер су наизменични бљескови црвене и плаве светлости омогућили риби да плива напред.

Други метод који су истраживачи испробали инспирисан је архитектуром срца, које садржи групу ћелија које делују као пејсмејкер изазивајући контракцију која се одатле шири. Истраживачи су формирали куглу срчаних ћелија која ће деловати као пејсмејкер и направили мост ћелија који повезују срчане ћелије са мишићима крила. Проток јона покренут у ћелијама пејсмејкера ​​може се проширити на мишиће, изазивајући контракцију.

Ово је донекле успело, али се показало да је од секундарног значаја. Истраживачи су открили да два мишића међусобно убрзавају контракције.

Ћелије срчаног мишића такође садрже рецепторе за истезање. Пуно повуците ћелију и рецептор ће се активирати и изазвати контракцију. Испоставило се да ово обезбеђује унутрашњу координацију мишића бока. Када се једна страна смањила на десној страни, то је изазвало истезање ћелија на другој страни. Када достигне критичну тачку, рецептори за истезање на левој страни ће стимулисати тај мишић да се контрахује и истегне удесно. Ово истезање је затим поново покренуло циклус.

Ово неће функционисати бесконачно, а два мишића ће се на крају повући из синхронизације. Пејсмејкер тада може помоћи да се врате у редован циклус.

Све у свему, ово је више импресивно него корисно (осим ако нисте тип који се само диви корисним стварима). На крају крајева, нема много ситуација које захтевају да робот плива кроз раствор шећера. Али чињеница да су истраживачи успели да открију како да искористе основна биолошка својства ових ћелија да направе ефикасну машину свакако одговара мојој дефиницији дивљења.

Наука, 2022. ДОИ: 10.1126 / Наука. абх0474 (О ДОИ).