El corazón palpitante de un robot nadador

La mayoría de los músculos de nuestro cuerpo solo actúan en respuesta a las señales nerviosas entrantes, que deben desencadenar la contracción o relajación de cada célula muscular. Pero el músculo cardíaco es diferente. Los impulsos que desencadenan la contracción del músculo cardíaco se transmiten de una célula muscular a sus vecinas, lo que da lugar a una onda rítmica de contracciones. Esto está tan completamente integrado en el sistema que una hoja de células del músculo cardíaco en un plato de cultivo comenzará a contraerse espontáneamente.

Ahora, los investigadores han aprovechado algunas de las propiedades únicas de las células del corazón para construir un pez robot nadador alimentado solo por azúcar. Y cuando intentaron crear 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

En cierto modo, el artículo que describe el nuevo pez robótico es un tributo a nuestra creciente capacidad para controlar el desarrollo de células madre. Los investigadores detrás del artículo basado en Harvard decidieron usar células del músculo cardíaco para impulsar su robot. Hace un par de años, esto habría significado diseccionar un corazón de un animal de experimentación antes de aislar y hacer crecer sus células cardíacas cultivadas.

Para los peces robóticos, las células madre eran mejores. Esto se debe a que las células madre son más fáciles de manipular genéticamente y son más fáciles de cultivar en una población uniforme. Luego, el equipo comenzó con una población de células madre humanas y pasó por el proceso de dirigir su desarrollo para formar células del músculo cardíaco.

Se colocó una capa delgada de estas células dentro de una fina rebanada de gelatina, que mantuvo las células en su lugar en los costados del «pez» (una rebanada a cada lado). El centro del pez era flexible, por lo que una contracción del músculo en el flanco derecho habría tirado de la cola hacia la derecha y lo mismo funcionaría para el lado opuesto. Alternando contracciones de izquierda y derecha, el pez tiraba de su cola de lado a lado, empujándola hacia adelante. Además de esto, el pez tenía una gran «aleta» dorsal que contenía un dispositivo de flotación para mantener la bestia orientada en posición vertical y evitar que se hundiera. Todo se alimentaba poniéndolo en una solución con azúcar, que las células del músculo cardíaco absorberían.

Quizás debido a esta simplicidad, el robot era tan resistente 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 integraban mejor en un músculo coherente. Eventualmente, el pez pudo viajar más de una longitud corporal por segundo. A ese ritmo, el robot era extraordinariamente eficiente: por 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 que el pez robótico fuera eficiente es su ausencia en la foto de arriba: cualquier tipo de circuito de control. Los investigadores realmente probaron varias formas de controlar los músculos, pero finalmente descubrieron que la opción más simple era la mejor.

El primer intento de control muscular se basó en algo de ingeniería genética. Los músculos son estimulados a contraerse por la entrada de iones, generalmente provocados por impulsos nerviosos. Pero los investigadores han identificado algunas proteínas que actúan como canales de iones activados por la luz, lo que creará una afluencia de iones en respuesta a longitudes de onda de luz específicas. Luego, los investigadores diseñaron las células de un lado para que fueran sensibles a la luz roja y las del otro a la azul. Esto funcionó bien, permitiendo que los destellos alternos de luz roja y azul hicieran que los peces nadaran hacia adelante.

El segundo método que probaron los investigadores se inspiró en la estructura del corazón, que contiene un grupo de células que actúan como un marcapasos al desencadenar una contracción que se propaga desde allí. Los investigadores formaron una bola de células del corazón para que actuara como un marcapasos y crearon un puente de células que conectaba las células del corazón con los músculos del flanco. La afluencia de iones iniciada en las células del marcapasos puede extenderse a los músculos y hacer que se contraigan.

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

Las células del músculo cardíaco también tienen receptores de estiramiento. Tire de la célula con demasiada fuerza y ​​el receptor se activará y provocará una contracción. Esto demostró proporcionar una coordinación integrada para los músculos de la cadera. Cuando un lado derecho se contraía, las células del lado opuesto se estiraban. Una vez que se alcanza un punto crítico, los receptores de estiramiento del lado izquierdo desencadenarían la contracción de ese músculo, estirando el derecho. Ese tramo luego reinició el ciclo.

Esto no funcionaría indefinidamente y eventualmente los dos músculos perderían la sincronización. En ese momento, el marcapasos podría ayudarlos a regresar a un ciclo regular.

En general, esto es mucho más impresionante que útil (a menos que seas del tipo que solo está impresionado con 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 crear una máquina efectiva ciertamente se ajusta a mi definición de impresionante.

Ciencia, 2022. DOI: 10.1126 / ciencia.abh0474 (Información sobre los DOI).