Ли и др.
Большинство мышц нашего тела действуют только в ответ на входящие нервные сигналы, которые должны вызывать сокращение или расслабление каждой отдельной мышечной клетки. Но сердечная мышца другая. Импульсы, вызывающие сокращение сердечной мышцы, передаются от одной мышечной клетки к соседним, что приводит к ритмической волне сокращений. Это настолько тщательно встроено в систему, что слой клеток сердечной мышцы в культуральной чашке начинает спонтанно сокращаться.
Теперь исследователи воспользовались некоторыми уникальными свойствами сердечных клеток, чтобы создать плавающую рыбу-робота, работающую только на сахаре. И пока пытались создать аналог кардиостимулятора для сердца, оказалось, что он не нужен: правильное расположение мышечных клеток заставляло рыбу плавать спонтанно.
Создание сердечной мышцы
В некотором смысле статья, описывающая новую рыбу-робота, является данью нашей растущей способности контролировать развитие стволовых клеток. Исследователи из Гарварда, стоящие за статьей, решили использовать клетки сердечной мышцы для питания своего робота. Пару лет назад это означало бы выделение сердца экспериментального животного перед выделением и выращиванием его сердечных клеток в культуре.
Для рыбы-робота стволовые клетки были лучше. Это потому, что стволовые клетки легче генетически манипулировать, и из них легче вырастить однородную популяцию. Итак, команда начала с популяции стволовых клеток человека и прошла через процесс, необходимый для направления их развития, чтобы они сформировали клетки сердечной мышцы.
Тонкий слой этих клеток помещали внутрь тонкого кусочка желатина, который удерживал клетки на месте на боках «рыбки» (по одному кусочку с каждой стороны). Центр рыбы был гибким, поэтому сокращение мышц на правом боку тянуло бы хвост вправо, и то же самое срабатывало бы на противоположной стороне. Чередуя левые и правые сокращения, рыба тянула хвост из стороны в сторону, толкая его вперед. Кроме того, у рыбы был большой спинной «плавник», который содержал плавучее устройство, удерживающее зверя в вертикальном положении и не позволяющее ему утонуть. Все это приводилось в действие путем помещения его в раствор с сахаром, который поглощали клетки сердечной мышцы.
Возможно, из-за этой простоты робот был настолько прочным, что мог плавать более трех месяцев после его создания. Поначалу производительность была приличной, но в течение первого месяца она улучшилась, поскольку сердечные клетки лучше интегрировались в когерентную мышцу. В конечном итоге рыба смогла пройти больше длины тела в секунду. В таком темпе робот был удивительно эффективен — на единицу мышечной массы его скорость плавания была лучше, чем у настоящей рыбы.
В и из-под контроля
Одна из вещей, которая помогла повысить эффективность робота-рыбы, примечательна отсутствием на фотографии выше: какие-либо схемы управления. На самом деле исследователи проверили несколько способов управления мышцами, но в конечном итоге пришли к выводу, что самый простой вариант был лучшим.
Первая попытка контролировать мышцы основывалась на генной инженерии. Мышцы сокращаются за счет притока ионов, обычно вызываемых нервными импульсами. Но исследователи идентифицировали некоторые белки, которые действуют как активируемые светом ионные каналы, которые создают приток ионов в ответ на определенные длины волн света. Итак, исследователи спроектировали клетки на одном фланге так, чтобы они были чувствительны к красному свету, а на другом — к синему. Это работало хорошо, позволяя чередующимся вспышкам красного и синего света плыть рыбе вперед.
Второй метод, который попробовали исследователи, был вдохновлен структурой сердца, которое содержит скопление клеток, которое действует как водитель ритма, вызывая сокращение, которое распространяется оттуда. Исследователи сформировали клубок сердечных клеток, который действовал как кардиостимулятор, и построили мост из клеток, соединяющий сердечные клетки с боковыми мышцами. Приток ионов, начавшийся в клетках кардиостимулятора, может распространиться на мышцы, вызывая сокращение.
Это сработало до некоторой степени, но оказалось второстепенным. Две мышцы, как обнаружили исследователи, синхронизировали сокращения друг друга.
Клетки сердечной мышцы также имеют рецепторы растяжения. Слишком сильно потяните клетку, и рецептор активируется и вызовет сокращение. Оказалось, что это обеспечивает встроенную координацию боковых мышц. Когда одна правая сторона сокращалась, это заставляло клетки противоположной стороны растягиваться. Как только они достигают критической точки, рецепторы растяжения на левой стороне заставляют эту мышцу сокращаться, растягивая правую. Это растяжение затем перезапустило цикл.
Это не будет работать бесконечно, и две мышцы в конечном итоге перестанут синхронизироваться. Именно тогда кардиостимулятор может помочь вернуть их в обычный цикл.
В целом, это скорее впечатляет, чем полезно (если только вы не из тех, кого впечатляют только полезные вещи). В конце концов, не так много ситуаций, в которых роботу нужно проплыть через раствор сахара. Но тот факт, что исследователи смогли понять, как использовать основные биологические свойства этих клеток для создания эффективной машины, безусловно, соответствует моему определению «впечатляет».
Наука, 2022. DOI: 10.1126/science.abh0474 (О DOI).
