O coração pulsante de um robô nadador

Imagem de um pequeno pedaço de plástico em forma de peixe coberto de células.

Lee et ai.

A maioria dos músculos do nosso corpo funciona apenas em resposta aos sinais nervosos recebidos, que devem estimular cada célula muscular individual a se contrair ou relaxar. Mas o músculo cardíaco é diferente. Os impulsos que causam a contração do músculo cardíaco são transmitidos de uma célula muscular para suas vizinhas, resultando em uma onda de contrações regulares. Isso é tão integrado ao sistema que uma folha de cardiomiócitos na placa do implante começa a se contrair espontaneamente.

Agora, os pesquisadores aproveitaram algumas das propriedades únicas das células do coração para construir um peixe robótico que nada movido apenas por açúcar. E enquanto tentavam fazer o equivalente do coração a um marcapasso, descobriu-se que não era necessário: o arranjo correto das células musculares fazia o peixe nadar espontaneamente.

Construindo um músculo semelhante ao coração

De certa forma, o artigo que descreve o novo peixe robô é uma apreciação de nossa crescente capacidade de controlar o crescimento de células-tronco. Os pesquisadores por trás da pesquisa, baseados na Universidade de Harvard, decidiram usar células do músculo cardíaco para alimentar seu robô. Dois anos atrás, isso significava dissecar um coração de um animal experimental antes de isolar células cardíacas e cultivá-las em cultura.

Para a espessura do robô, as células-tronco foram melhores. Isso porque as células-tronco são mais fáceis de manipular geneticamente e são mais fáceis de crescer em uma população uniforme. Assim, a equipe começou com um conjunto de células-tronco humanas e passou pelo processo necessário para direcionar seu crescimento para que pudessem formar células do músculo cardíaco.

Uma fina camada dessas células foi colocada dentro de uma fina fatia de gelatina, que mantém as células no lugar em ambos os lados do “peixe” (uma fatia em ambos os lados). O centro do peixe era flexível, então uma contração do músculo do flanco direito puxava a cauda para a direita, e o mesmo acontecia com o outro lado. Alternando entre as contrações direita e esquerda, o peixe puxa a cauda de um lado para o outro, empurrando-a para a frente. Além disso, o peixe tem uma grande “barbatana” dorsal que contém um dispositivo de flutuação para manter o animal na posição vertical e evitar que ele se afogue. Tudo foi suportado colocando-o em uma solução com açúcar, que foi absorvido pelas células do músculo cardíaco.

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Talvez por causa dessa simplicidade, o robô fosse tão durável que conseguiu nadar por mais de três meses depois de construído. O desempenho foi bom no início, mas melhorou durante o primeiro mês, pois as células cardíacas foram melhor integradas em um músculo coeso. No final, o peixe foi capaz de viajar mais do que o comprimento do seu corpo por segundo. Nesse ritmo, o robô foi notavelmente eficiente – por unidade de massa muscular, sua velocidade de natação era melhor do que a de um peixe real.

Dentro e fora de controle

Uma das coisas que ajudaram a viabilizar a eficiência do peixe robô pode ser vista na sua ausência na imagem acima: qualquer tipo de circuito de controle. Os pesquisadores já testaram várias maneiras de controlar os músculos, mas no final descobriram que a opção mais simples era a melhor.

A primeira tentativa de controle muscular contou com um pouco de engenharia genética. Os músculos são estimulados a se contrair por um influxo de íons, que geralmente é causado por impulsos nervosos. Mas os pesquisadores identificaram algumas proteínas que atuam como canais iônicos ativados pela luz, que criarão um fluxo de íons em resposta a comprimentos de onda específicos da luz. Portanto, os pesquisadores projetaram as células de um lado para serem sensíveis à luz vermelha e as do outro lado para serem sensíveis ao azul. Isso funcionou bem, pois flashes alternados de luz vermelha e azul permitiram que o peixe nadasse para frente.

O segundo método que os pesquisadores tentaram foi inspirado na arquitetura do coração, que contém um grupo de células que atuam como marca-passos, causando uma contração que se espalha a partir daí. Os pesquisadores formaram uma bola de células do coração para atuar como marca-passo e fizeram uma ponte de células conectando as células do coração aos músculos das asas. O fluxo de íons iniciado nas células marcapasso pode se espalhar para os músculos, causando contração.

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Isso funcionou até certo ponto, mas acabou sendo de importância secundária. Os pesquisadores descobriram que os dois músculos aceleram as contrações um do outro.

As células do músculo cardíaco também contêm receptores de estiramento. Puxe muito a célula, e o receptor será ativado e causará contração. Acontece que isso fornece coordenação interna dos músculos do flanco. Quando um lado encolheu à direita, fez com que as células do outro lado se esticassem. Uma vez que atinge um ponto crítico, os receptores de estiramento no lado esquerdo vão estimular esse músculo a se contrair e esticar para a direita. Este trecho então reiniciou o ciclo.

Isso não funcionará indefinidamente, e os dois músculos acabarão ficando fora de sincronia. O marca-passo pode então ajudá-los a voltar a um ciclo regular.

No geral, isso é mais impressionante do que útil (a menos que você seja do tipo que apenas admira coisas úteis). Afinal, não há muitas situações que exijam que um robô nade através de uma solução de açúcar. Mas o fato de os pesquisadores terem conseguido descobrir como usar as propriedades biológicas básicas dessas células para fazer uma máquina eficiente certamente se encaixa na minha definição de admiração.

Ciência, 2022. DOI: 10.1126 / Ciência. abh0474 (Sobre DOIs).

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