El corazón palpitante de un robot nadador

Imagen de una pequeña pieza de plástico en forma de pez cubierta de células.

Lee et al.

La mayoría de los músculos de nuestro cuerpo funcionan solo en respuesta a las señales nerviosas entrantes, que deben estimular a cada célula muscular individual para que se contraiga o se relaje. Pero el músculo cardíaco es diferente. Los impulsos que hacen que el músculo cardíaco se contraiga se transmiten de una célula muscular a sus vecinas, lo que da como resultado una ola de contracciones regulares. Esto está tan integrado en el sistema que una hoja de cardiomiocitos en el plato del implante comienza a contraerse espontáneamente.

Ahora, los investigadores han aprovechado algunas de las propiedades únicas de las células del corazón para construir un pez robótico que nada impulsado solo por azúcar. Y mientras intentaban hacer el corazón equivalente a un marcapasos, resultó que no era necesario: la disposición correcta de las células musculares hizo que los peces nadaran espontáneamente.

Construyendo un músculo parecido al corazón

De alguna manera, el documento que describe el nuevo pez robot es una apreciación de nuestra creciente capacidad para controlar el crecimiento de células madre. Los investigadores detrás de la investigación, con sede en la Universidad de Harvard, decidieron usar células del músculo cardíaco para impulsar su robot. Hace dos años, esto significaba diseccionar un corazón de un animal de experimentación antes de aislar las células del corazón y cultivarlas.

Para el grosor del robot, las células madre eran mejores. Esto se debe a que las células madre son más fáciles de manipular genéticamente y son más fáciles de convertir en una población uniforme. Entonces, el equipo comenzó con un conjunto de células madre humanas y pasó por el proceso necesario para dirigir su crecimiento para que pudieran formar células del músculo cardíaco.

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Se colocó una capa delgada de estas células dentro de una fina rebanada de gelatina, que mantiene las células en su lugar a cada lado del «pez» (una rebanada en ambos lados). El centro del pez era flexible, por lo que una contracción del músculo del flanco derecho tiraría de la cola hacia la derecha, y lo mismo ocurría con el otro lado. Alternando entre contracciones derecha e izquierda, el pez tira de la cola de lado a lado, empujándola hacia adelante. Además, el pez tiene una gran «aleta» dorsal que contiene un dispositivo de flotación para mantener a la bestia erguida y evitar que se ahogue. Todo se apoyaba colocándolo en una solución con azúcar, que era absorbida por las células del músculo cardíaco.

Quizás debido a esta simplicidad, el robot fue tan duradero que pudo nadar durante más de tres meses después de su construcción. El rendimiento fue bueno al principio, pero mejoró durante el primer mes, ya que las células del corazón se integraron mejor en un músculo cohesivo. Al final, el pez pudo viajar más que la longitud de su cuerpo por segundo. A ese ritmo, el robot era notablemente eficiente: por unidad de masa muscular, su velocidad de nado era mejor que la de los peces reales.

Dentro y fuera de control

Una de las cosas que ayudó a habilitar la eficiencia del pez robot se puede ver en su ausencia en la imagen de arriba: cualquier tipo de circuito de control. Los investigadores ya han probado varias formas de controlar los músculos, pero al final descubrieron que la opción más simple era la mejor.

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El primer intento de control muscular se basó en un poco de ingeniería genética. Los músculos son estimulados a contraerse por una afluencia de iones, que generalmente es causada por impulsos nerviosos. Pero los investigadores han identificado algunas proteínas que actúan como canales iónicos activados por la luz, que crearán un flujo de iones en respuesta a longitudes de onda de luz específicas. Por lo tanto, los investigadores diseñaron las células de un lado para que fueran sensibles a la luz roja y las del otro lado para que fueran sensibles a la luz azul. Esto funcionó bien, ya que los destellos alternos de luz roja y azul permitieron que los peces nadaran hacia adelante.

El segundo método que probaron los investigadores se inspiró en la arquitectura del corazón, que contiene un grupo de células que actúan como un marcapasos al provocar una contracción que se propaga desde allí. Los investigadores formaron una bola de células del corazón para que actuara como marcapasos e hicieron un puente de células que conectaba las células del corazón con los músculos de las alas. El flujo de iones iniciado en las células del marcapasos puede extenderse a los músculos y provocar la contracción.

Esto funcionó hasta cierto punto, pero resultó ser de importancia secundaria. Los investigadores descubrieron que los dos músculos aceleran las contracciones del otro.

Las células del músculo cardíaco también contienen receptores de estiramiento. Tire mucho de la célula y el receptor se activará y provocará la contracción. Resulta que esto proporciona la coordinación interna de los músculos de los flancos. Cuando un lado del lado derecho se encogía, las células del otro lado se estiraban. Una vez que alcanza un punto crítico, los receptores de estiramiento en el lado izquierdo estimularán ese músculo para que se contraiga y se estire hacia la derecha. Este tramo luego reiniciaba el ciclo.

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Esto no funcionará indefinidamente, y los dos músculos eventualmente se desincronizarán. El marcapasos puede ayudar a que regresen a un ciclo regular.

En general, esto es más impresionante que útil (a menos que seas del tipo que simplemente admira las cosas útiles). Después de todo, no hay muchas situaciones que requieran que un robot nade a través de una solución de azúcar. Pero el hecho de que los investigadores fueran capaces de descubrir cómo usar las propiedades biológicas básicas de estas células para hacer una máquina eficiente ciertamente se ajusta a mi definición de admiración.

Ciencia, 2022. DOI: 10.1126 / Ciencias. abh0474 (Acerca de los DOI).

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