Il cuore pulsante di un robot che nuota

Immagine di un piccolo pezzo di plastica a forma di pesce ricoperto di celle.

Lee et al.

La maggior parte dei muscoli del nostro corpo funziona solo in risposta ai segnali nervosi in arrivo, che devono stimolare ogni singola cellula muscolare a contrarsi o rilassarsi. Ma il muscolo cardiaco è diverso. Gli impulsi che provocano la contrazione del muscolo cardiaco vengono trasmessi da una cellula muscolare alle sue vicine, provocando un’ondata di contrazioni regolari. Questo è così integrato nel sistema che un foglio di cardiomiociti nel piatto dell’impianto inizia a contrarsi spontaneamente.

Ora, i ricercatori hanno sfruttato alcune delle proprietà uniche delle cellule del cuore per costruire un pesce robotico che nuota alimentato solo dallo zucchero. E mentre si cercava di realizzare l’equivalente del cuore di un pacemaker, si è scoperto che non era necessario: la corretta disposizione delle cellule muscolari faceva nuotare spontaneamente i pesci.

Costruire un muscolo simile a un cuore

In un certo senso, il documento che descrive il nuovo pesce robot è un apprezzamento della nostra crescente capacità di controllare la crescita delle cellule staminali. I ricercatori dietro la ricerca, con sede all’Università di Harvard, hanno deciso di utilizzare le cellule del muscolo cardiaco per alimentare il loro robot. Due anni fa, ciò significava sezionare un cuore da un animale sperimentale prima di isolare le cellule cardiache e farle crescere in coltura.

Per lo spessore del robot, le cellule staminali erano migliori. Questo perché le cellule staminali sono più facili da manipolare geneticamente e sono più facili da crescere in una popolazione uniforme. Quindi, il team ha iniziato con una serie di cellule staminali umane e ha seguito il processo necessario per dirigere la loro crescita in modo che potessero formare cellule del muscolo cardiaco.

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Uno strato sottile di queste cellule è stato posto all’interno di una sottile fetta di gelatina, che mantiene le cellule in posizione su entrambi i lati del “pesce” (una fetta su entrambi i lati). Il centro del pesce era flessibile, quindi una contrazione del muscolo del fianco destro avrebbe tirato la coda a destra, e lo stesso valeva per l’altro lato. Alternando le contrazioni destra e sinistra, il pesce tira la coda da un lato all’altro, spingendola in avanti. Inoltre, il pesce ha una grande “pinna” dorsale che contiene un dispositivo di galleggiamento per mantenere la bestia in posizione verticale e impedirne l’annegamento. Il tutto è stato supportato ponendolo in una soluzione con zucchero, che è stato assorbito dalle cellule del muscolo cardiaco.

Forse a causa di questa semplicità, il robot era così resistente che è stato in grado di nuotare per più di tre mesi dopo la sua costruzione. Le prestazioni sono state buone all’inizio, ma sono migliorate durante il primo mese poiché le cellule cardiache sono state integrate meglio in un muscolo coeso. Alla fine, il pesce è stato in grado di viaggiare più della sua lunghezza corporea al secondo. A quel ritmo, il robot era straordinariamente efficiente: per unità di massa muscolare, la sua velocità di nuoto era migliore di quella di un pesce reale.

Dentro e fuori controllo

Una delle cose che hanno contribuito a consentire l’efficienza del pesce robot può essere vista nella sua assenza nell’immagine sopra: qualsiasi tipo di circuito di controllo. I ricercatori hanno già testato diversi modi per controllare i muscoli, ma alla fine hanno scoperto che l’opzione più semplice era la migliore.

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Il primo tentativo di controllo muscolare si basava su un po’ di ingegneria genetica. I muscoli sono stimolati a contrarsi da un afflusso di ioni, che di solito è causato da impulsi nervosi. Ma i ricercatori hanno identificato alcune proteine ​​che agiscono come canali ionici attivati ​​dalla luce, che creeranno un flusso di ioni in risposta a specifiche lunghezze d’onda della luce. Pertanto, i ricercatori hanno progettato le cellule su un lato in modo che fossero sensibili alla luce rossa e quelle sull’altro lato in modo che fossero sensibili al blu. Questo ha funzionato bene, poiché i lampi alternati di luce rossa e blu hanno permesso al pesce di nuotare in avanti.

Il secondo metodo provato dai ricercatori è stato ispirato dall’architettura del cuore, che contiene un gruppo di cellule che fungono da pacemaker provocando una contrazione che si diffonde da lì. I ricercatori hanno formato una sfera di cellule cardiache per fungere da pacemaker e hanno creato un ponte di cellule che collegano le cellule cardiache ai muscoli delle ali. Il flusso di ioni avviato nelle cellule del pacemaker può diffondersi ai muscoli, causando la contrazione.

Questo ha funzionato in una certa misura, ma si è rivelato di importanza secondaria. I ricercatori hanno scoperto che i due muscoli accelerano le contrazioni a vicenda.

Le cellule muscolari cardiache contengono anche i recettori dell’allungamento. Tirare molto la cellula e il recettore si attiverà e causerà la contrazione. Si scopre che questo fornisce la coordinazione interna dei muscoli del fianco. Quando un lato si è ridotto a destra, le cellule sull’altro lato si sono allungate. Una volta raggiunto un punto critico, i recettori di allungamento sul lato sinistro stimoleranno il muscolo a contrarsi e si allungheranno a destra. Questo tratto ha poi riavviato il ciclo.

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Questo non funzionerà a tempo indeterminato e alla fine i due muscoli perderanno la sincronizzazione. Il pacemaker può quindi aiutare a riportarli a un ciclo regolare.

Nel complesso, questo è più impressionante che utile (a meno che tu non sia il tipo che ammira solo cose utili). Dopotutto, non ci sono molte situazioni che richiedono che un robot nuoti attraverso una soluzione di zucchero. Ma il fatto che i ricercatori siano stati in grado di scoprire come utilizzare le proprietà biologiche di base di queste cellule per creare una macchina efficiente si adatta sicuramente alla mia definizione di ammirazione.

Scienza, 2022. DOI: 10.1126 / Scienza. abh0474 (Informazioni sui DOI).

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