Het kloppend hart van een zwemmende robot

De meeste spieren in ons lichaam werken alleen als reactie op binnenkomende zenuwsignalen, die elke individuele spiercel moeten stimuleren om samen te trekken of te ontspannen. Maar de hartspier is anders. De impulsen die ervoor zorgen dat de hartspier samentrekt, worden van de ene spiercel naar zijn buren overgebracht, wat resulteert in een golf van regelmatige samentrekkingen. Dit is zo in het systeem geïntegreerd dat een vel hartspiercellen in de implantaatschaal spontaan begint samen te trekken.

Nu hebben onderzoekers gebruik gemaakt van enkele van de unieke eigenschappen van hartcellen om een ​​robotvis te bouwen die alleen door suiker kan zwemmen. En terwijl ze probeerden het hartequivalent van een pacemaker te maken, bleek dat niet nodig: de juiste opstelling van de spiercellen deed de vis spontaan zwemmen.

Een hartachtige spier opbouwen

In sommige opzichten is het artikel dat de nieuwe robotvis beschrijft een waardering voor ons toenemende vermogen om de groei van stamcellen te beheersen. De onderzoekers achter het onderzoek, gevestigd aan de Harvard University, besloten om hartspiercellen te gebruiken om hun robot aan te drijven. Twee jaar geleden betekende dit het ontleden van een hart van een proefdier voordat hartcellen werden geïsoleerd en in kweek werden gekweekt.

Voor de dikte van de robot waren de stamcellen beter. Dat komt omdat stamcellen genetisch makkelijker te manipuleren zijn, en ze zijn makkelijker uit te groeien tot een uniforme populatie. Het team begon dus met een set menselijke stamcellen en onderging het proces dat nodig was om hun groei te sturen, zodat ze hartspiercellen konden vormen.

Een dunne laag van deze cellen werd in een dun plakje gelatine geplaatst, dat de cellen op hun plaats houdt aan weerszijden van de “vis” (één plakje aan beide kanten). Het midden van de vis was flexibel, dus een samentrekking van de spier van de rechterflank zou de staart naar rechts trekken, en hetzelfde gold voor de andere kant. Afwisselend tussen rechts en links samentrekkingen, trekt de vis zijn staart heen en weer en duwt hem naar voren. Bovendien heeft de vis een grote dorsale “vin” die een drijfvermogen bevat om het beest rechtop te houden en te voorkomen dat het verdrinkt. Alles werd ondersteund door het in een oplossing met suiker te plaatsen, die werd opgenomen door de cellen van de hartspier.

Misschien vanwege deze eenvoud was de robot zo duurzaam dat hij na de bouw meer dan drie maanden kon zwemmen. De prestaties waren in het begin goed, maar verbeterden gedurende de eerste maand omdat de hartcellen beter geïntegreerd waren in een samenhangende spier. Uiteindelijk kon de vis meer dan zijn lichaamslengte per seconde afleggen. In dat tempo was de robot opmerkelijk efficiënt – per eenheid spiermassa was de zwemsnelheid beter dan die van echte vissen.

In en uit de hand

Een van de dingen die de efficiëntie van de robotvis mogelijk hebben gemaakt, is te zien in de afwezigheid ervan in de bovenstaande afbeelding: elk soort besturingscircuit. Onderzoekers hebben al een aantal manieren getest om de spieren onder controle te houden, maar uiteindelijk kwamen ze erachter dat de eenvoudigere optie de beste was.

De eerste poging tot spiercontrole was gebaseerd op een beetje genetische manipulatie. Spieren worden gestimuleerd om samen te trekken door een instroom van ionen, die meestal wordt veroorzaakt door zenuwimpulsen. Maar de onderzoekers hebben enkele eiwitten geïdentificeerd die fungeren als door licht geactiveerde ionenkanalen, die een stroom van ionen zullen creëren als reactie op specifieke golflengten van licht. Daarom ontwierpen de onderzoekers de cellen aan de ene kant om gevoelig te zijn voor rood licht en die aan de andere kant om gevoelig te zijn voor blauw. Dit werkte goed, want afwisselende flitsen van rood en blauw licht lieten de vis vooruit zwemmen.

De tweede methode die de onderzoekers probeerden, was geïnspireerd op de architectuur van het hart, dat een groep cellen bevat die als een pacemaker werken door een samentrekking te veroorzaken die zich van daaruit verspreidt. De onderzoekers vormden een bal van hartcellen om als pacemaker te fungeren en maakten een brug van cellen die de hartcellen met de vleugelspieren verbond. De stroom van ionen die in de pacemakercellen wordt geïnitieerd, kan zich naar de spieren verspreiden en contractie veroorzaken.

Dit werkte tot op zekere hoogte, maar bleek van ondergeschikt belang. Onderzoekers ontdekten dat de twee spieren elkaars samentrekkingen versnellen.

Hartspiercellen bevatten ook rekreceptoren. Trek veel aan de cel en de receptor zal worden geactiveerd en contractie veroorzaken. Het blijkt dat dit zorgt voor de interne coördinatie van de flankspieren. Toen de ene kant aan de rechterkant kromp, zorgde dit ervoor dat de cellen aan de andere kant uitrekten. Zodra het een kritiek punt bereikt, zullen de rekreceptoren aan de linkerkant die spier stimuleren om samen te trekken en naar rechts uit te rekken. Dit stuk startte vervolgens de cyclus opnieuw.

Dit zal niet voor onbepaalde tijd werken en de twee spieren zullen uiteindelijk niet meer synchroon lopen. De pacemaker kan dan helpen om ze weer in een normale cyclus te krijgen.

Over het algemeen is dit meer indrukwekkend dan nuttig (tenzij je het type bent dat alleen maar nuttige dingen bewondert). Er zijn immers niet veel situaties waarin een robot door een suikeroplossing moet zwemmen. Maar het feit dat de onderzoekers konden ontdekken hoe ze de biologische basiseigenschappen van deze cellen konden gebruiken om een ​​efficiënte machine te maken, past zeker in mijn definitie van bewondering.

Wetenschap, 2022. DOI: 10.1126 / Wetenschap. abh0474 (Over DOI’s).