Das schlagende Herz eines Schwimmroboters

Die meisten Muskeln in unserem Körper arbeiten nur als Reaktion auf eingehende Nervensignale, die jede einzelne Muskelzelle dazu anregen müssen, sich zusammenzuziehen oder zu entspannen. Aber der Herzmuskel ist anders. Die Impulse, die den Herzmuskel zur Kontraktion veranlassen, werden von einer Muskelzelle auf ihre Nachbarzelle übertragen, was zu einer Welle regelmäßiger Kontraktionen führt. Dieser ist so in das System integriert, dass sich eine Schicht aus Kardiomyozyten in der Implantatschale spontan zusammenzuziehen beginnt.

Jetzt haben Forscher einige der einzigartigen Eigenschaften von Herzzellen genutzt, um einen Roboterfisch zu bauen, der nur mit Zucker angetrieben wird. Und während sie versuchten, das Äquivalent eines Herzschrittmachers für das Herz herzustellen, stellte sich heraus, dass dies nicht nötig war: ​​Die richtige Anordnung der Muskelzellen ließ den Fisch spontan schwimmen.

Aufbau eines herzähnlichen Muskels

In gewisser Weise ist das Papier, das den neuen Roboterfisch beschreibt, eine Anerkennung unserer zunehmenden Fähigkeit, das Wachstum von Stammzellen zu kontrollieren. Die Forscher an der Harvard University entschieden sich, Herzmuskelzellen zu verwenden, um ihren Roboter anzutreiben. Vor zwei Jahren bedeutete dies, das Herz eines Versuchstiers zu sezieren, Herzzellen zu isolieren und in Kultur zu züchten.

Für die Dicke des Roboters waren die Stammzellen besser. Das liegt daran, dass Stammzellen leichter genetisch zu manipulieren sind und sich leichter zu einer einheitlichen Population heranwachsen lassen. Das Team begann also mit einem Satz menschlicher Stammzellen und durchlief den Prozess, der erforderlich war, um ihr Wachstum so zu steuern, dass sie Herzmuskelzellen bilden konnten.

Eine dünne Schicht dieser Zellen wurde in eine dünne Gelatinescheibe gegeben, die die Zellen auf beiden Seiten des „Fisches“ (eine Scheibe auf beiden Seiten) an Ort und Stelle hält. Die Mitte des Fisches war flexibel, sodass eine Kontraktion des Muskels der rechten Flanke den Schwanz nach rechts ziehen würde, und das gleiche galt für die andere Seite. Abwechselnd zwischen Rechts- und Linkskontraktionen zieht der Fisch seinen Schwanz von einer Seite zur anderen und drückt ihn nach vorne. Darüber hinaus hat der Fisch eine große Rückenflosse, die eine Auftriebsvorrichtung enthält, um das Tier aufrecht zu halten und zu verhindern, dass es ertrinkt. Alles wurde unterstützt, indem es in eine Lösung mit Zucker gegeben wurde, die von den Zellen des Herzmuskels aufgenommen wurde.

Vielleicht war der Roboter aufgrund dieser Einfachheit so langlebig, dass er nach seiner Herstellung mehr als drei Monate lang schwimmen konnte. Die Leistung war zunächst gut, verbesserte sich jedoch im ersten Monat, da die Herzzellen besser in einen zusammenhängenden Muskel integriert wurden. Am Ende konnte der Fisch mehr als seine Körperlänge pro Sekunde zurücklegen. Bei diesem Tempo war der Roboter bemerkenswert effizient – ​​pro Einheit Muskelmasse war seine Schwimmgeschwindigkeit besser als die eines echten Fisches.

Unter Kontrolle und außer Kontrolle

Eines der Dinge, die dazu beigetragen haben, die Effizienz des Roboterfisches zu ermöglichen, ist in seiner Abwesenheit im Bild oben zu sehen: jede Art von Steuerkreis. Forscher haben bereits eine Reihe von Möglichkeiten getestet, die Muskeln zu kontrollieren, aber am Ende fanden sie heraus, dass die einfachere Option die beste war.

Der erste Versuch der Muskelkontrolle stützte sich auf ein wenig Gentechnik. Muskeln werden durch einen Einstrom von Ionen, der normalerweise durch Nervenimpulse verursacht wird, zur Kontraktion angeregt. Die Forscher haben jedoch einige Proteine ​​identifiziert, die als lichtaktivierte Ionenkanäle fungieren, die als Reaktion auf bestimmte Lichtwellenlängen einen Ionenfluss erzeugen. Daher gestalteten die Forscher die Zellen auf der einen Seite so, dass sie für rotes Licht empfindlich sind, und die auf der anderen Seite, dass sie für blaues Licht empfindlich sind. Dies funktionierte gut, da abwechselnd rote und blaue Lichtblitze den Fisch vorwärts schwimmen ließen.

Die zweite Methode, die die Forscher ausprobierten, war von der Architektur des Herzens inspiriert, das eine Gruppe von Zellen enthält, die als Schrittmacher fungieren, indem sie eine Kontraktion verursachen, die sich von dort aus ausbreitet. Die Forscher bildeten einen Ball aus Herzzellen, der als Schrittmacher fungierte, und stellten eine Brücke aus Zellen her, die die Herzzellen mit den Flügelmuskeln verband. Der in den Schrittmacherzellen initiierte Ionenfluss kann sich auf die Muskeln ausbreiten und eine Kontraktion verursachen.

Das funktionierte teilweise, stellte sich aber als zweitrangig heraus. Forscher entdeckten, dass die beiden Muskeln die Kontraktionen des anderen beschleunigen.

Herzmuskelzellen enthalten auch Dehnungsrezeptoren. Ziehen Sie viel an der Zelle, und der Rezeptor wird aktiviert und verursacht eine Kontraktion. Es stellt sich heraus, dass dies für eine interne Koordination der Flankenmuskulatur sorgt. Wenn eine Seite auf der rechten Seite schrumpfte, führte dies dazu, dass sich die Zellen auf der anderen Seite ausdehnten. Sobald ein kritischer Punkt erreicht ist, stimulieren die Dehnungsrezeptoren auf der linken Seite diesen Muskel, sich zusammenzuziehen und sich nach rechts zu dehnen. Diese Strecke startete dann den Zyklus neu.

Dies wird nicht auf unbestimmte Zeit funktionieren, und die beiden Muskeln werden irgendwann nicht mehr synchron sein. Der Herzschrittmacher kann dann helfen, sie wieder in einen regelmäßigen Zyklus zu bringen.

Insgesamt ist dies eher beeindruckend als nützlich (es sei denn, Sie sind der Typ, der nur nützliche Dinge bewundert). Schließlich gibt es nicht viele Situationen, in denen ein Roboter durch eine Zuckerlösung schwimmen muss. Aber die Tatsache, dass die Forscher herausfinden konnten, wie man die grundlegenden biologischen Eigenschaften dieser Zellen nutzt, um eine effiziente Maschine zu bauen, passt sicherlich zu meiner Definition von Bewunderung.

Wissenschaft, 2022. DOI: 10.1126 / Wissenschaft. abh0474 (Über DOIs).