El corazón palpitante de un robot nadador

Lee et al.

La mayoría de los músculos de nuestro cuerpo solo funcionan en respuesta a las señales nerviosas entrantes, que deben estimular cada célula muscular para que se contraiga o se relaje. Pero el músculo cardíaco es diferente. Los estímulos que inducen la contracción en el músculo cardíaco se transmiten de una célula muscular a sus vecinas, lo que da lugar a una onda rítmica de contracciones. Está tan completamente estructurado que la hoja de células del músculo cardíaco en una dieta de cultivo comienza a contraerse espontáneamente.

Ahora, los investigadores están usando azúcar para crear un pez robot nadador usando algunas propiedades únicas de las células del corazón. Cuando intentaron crear un marcapasos equivalente al latido del corazón, resultó que no era necesario: la disposición adecuada de las células musculares permitía que los peces nadaran espontáneamente.

Construyendo un músculo parecido al corazón

De alguna manera, el documento que describe el nuevo pez robot es un tributo a nuestra creciente capacidad para controlar el crecimiento de células madre. Los investigadores detrás del artículo con sede en Harvard decidieron usar células del músculo cardíaco para operar su robot. Hace uno o dos años, antes de que se pudieran aislar y nutrir las células de su corazón, esto significaría extraer el corazón de un animal de experimentación.

Para los peces robot, las células madre eran mejores. Esto se debe a que las células madre son genéticamente más fáciles de manejar y más fáciles de cultivar en una población homogénea. Por lo tanto, el equipo comenzó con la población de células madre humanas y pasó por el proceso necesario para guiar su crecimiento para que pudieran formar células del músculo cardíaco.

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La capa delgada de estas células se colocó dentro de una pieza delgada de gelatina, que sostenía las células en el costado del «pez» (una pieza a cada lado). El centro del pez era flexible, por lo que la contracción del músculo del lado derecho tiraría de la cola hacia la derecha, además de trabajar hacia el lado opuesto. Al cambiar las contracciones izquierda y derecha, el pez tirará de su cola de un lado a otro y la empujará hacia adelante. Más allá de eso, el pez tenía una gran «paleta» dorsal que tenía un dispositivo flotante para mantener al animal erguido y evitar que se hundiera. Todo se activa colocándolo en una solución con azúcar, que es 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 decente al principio, pero mejoró en el primer mes a medida que las células del corazón se integraron mejor en un músculo sinérgico. Eventualmente, los peces pudieron viajar más de una longitud corporal por segundo. A esa velocidad, el robot era notablemente eficiente: por cada unidad de masa muscular, su velocidad de nado era mejor que la de un pez real.

Dentro y fuera de control

Una de las cosas que ayudó a impulsar el rendimiento del pez robot fue la ausencia en la foto de arriba: cualquier tipo de circuito de control. Los investigadores en realidad probaron varias formas de controlar los músculos, pero finalmente descubrieron que la opción más simple era mejor.

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El primer intento de controlar el músculo se basó en la ingeniería genética. Los músculos se contraen por la llegada de iones, generalmente provocados por impulsos nerviosos. Pero los investigadores han identificado algunas proteínas que actúan como canales iónicos activados por la luz, que generan la llegada 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 del otro para que fueran sensibles a la luz azul. Funcionó bien, permitiendo alternar peces brillantes de luz roja y azul para nadar hacia adelante.

El segundo método que probaron los investigadores se inspiró en la estructura del corazón, a partir del cual hay células que actúan como marcapasos al desencadenar la contracción que se propaga. Para actuar como marcapasos, los investigadores crearon una bola de células cardíacas que construyen un puente de células que conectan las células cardíacas con los músculos laterales. La llegada de iones que se iniciaron en las células del marcapasos se propaga a los músculos y provoca la contracción.

Funcionó hasta cierto punto, pero se convirtió en algo secundario. Los dos músculos, encontraron los investigadores, aceleraban las contracciones entre sí.

Las células del músculo cardíaco también contienen receptores de extensión. Tire más de la celda y el receptor se activará y desencadenará la contracción. Resultó proporcionar una coordinación integrada para los músculos laterales. Mientras un lado derecho se contraía, las células del lado opuesto se estiraban. Una vez que llegan a un punto crítico, los receptores de extensión del lado izquierdo contraerán ese músculo y lo estirarán hacia la derecha. Ese tramo luego reanudó el ciclo.

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No funciona indefinidamente y ambos músculos eventualmente se desincronizan. Solo entonces el marcapasos les ayudará a volver a un ciclo normal.

En general, esto es más impresionante que útil (a menos que seas del tipo que se inspira solo en cosas útiles). Después de todo, no hay muchas situaciones en las que un robot tenga que nadar en una solución de azúcar. Pero el hecho de que los investigadores fueran capaces de descubrir cómo crear una máquina eficaz con las propiedades biológicas básicas de estas células ciertamente se ajusta a mi definición de impresión.

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

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