El corazón palpitante de un robot nadador

La mayoría de los músculos de nuestro cuerpo actúan solo en respuesta a las señales nerviosas entrantes, que deben provocar que cada célula muscular se contraiga o se relaje. Pero el músculo cardíaco es diferente. Los impulsos que hacen que el músculo cardíaco se contraiga se transmiten de una célula muscular a sus vecinas, lo que da como resultado una onda rítmica de contracciones. Esto está tan integrado en el sistema que una lámina de células del músculo cardíaco en una placa 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 impulsado únicamente por azúcar. Y cuando intentaron hacer el equivalente cardíaco de un marcapasos, resultó que no era necesario: la disposición correcta de las células musculares permitía que los peces nadaran espontáneamente.

Construir músculo similar al corazón

De alguna manera, el artículo que describe al nuevo pez robot es un tributo a nuestra creciente capacidad para controlar el desarrollo de células madre. Los investigadores con sede en Harvard detrás del artículo decidieron usar células del músculo cardíaco para impulsar su robot. Hace unos años, eso habría significado diseccionar el corazón de un animal de experimentación antes de aislar y cultivar sus células cardíacas.

Para los peces robot, las células madre eran mejores. Esto se debe a que las células madre son más fáciles de manipular genéticamente y es más fácil convertirlas en una población uniforme. Entonces, el equipo comenzó con una población de células madre humanas y pasó por el proceso para 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 flancos del «pez» (una rebanada a cada lado). El centro del pez era flexible, por lo que una contracción del músculo en el flanco derecho tiraría de la cola hacia la derecha, y lo mismo funcionaría para el lado opuesto. Al alternar las contracciones de izquierda y derecha, el pez tiraba de la cola de lado a lado, impulsándola hacia adelante. Más allá de eso, el pez tenía una gran «aleta» dorsal que contenía un dispositivo de flotabilidad para mantener a la bestia erguida 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 fue tan duradero que pudo nadar durante más de tres meses después de su construcción. El rendimiento estuvo bien al principio, pero mejoró durante el primer mes a medida que las células del corazón se integraban mejor en el músculo cohesivo. En última instancia, el pez pudo viajar más de una longitud corporal por segundo. A este ritmo, el robot fue notablemente eficiente: por unidad de masa muscular, su velocidad de nado fue mejor que la de los peces reales.

Bajo y fuera de control

Una de las cosas que contribuyó a la efectividad del pez robot es notable por su ausencia en la foto de arriba: cualquier tipo de circuito de control. Los investigadores probaron varias formas de controlar los músculos, pero finalmente descubrieron que la opción más simple era la mejor.

El primer intento de control muscular involucró un poco de ingeniería genética. Los músculos son activados para contraerse por la entrada de iones, normalmente provocados por impulsos nerviosos. Pero los investigadores han identificado ciertas 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. Por lo tanto, 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 alternar destellos de luz roja y azul para hacer que el pez nade hacia adelante.

El segundo método que probaron los investigadores se inspiró en la estructura del corazón, que contiene un grupo de células que actúa 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 que comenzó en las células del marcapasos podría extenderse a los músculos y provocar una contracción.

Funcionó hasta cierto punto, pero resultó ser de importancia secundaria. Los investigadores encontraron que los dos músculos marcaban las contracciones del otro.

Las células del músculo cardíaco también poseen receptores de estiramiento. Tire demasiado fuerte de la célula y el receptor se activará y provocará una contracción. Se ha demostrado que esto proporciona una coordinación integrada para los músculos de los flancos. Cuando un lado derecho se contraía, las células del lado opuesto se estiraban. Una vez que llegaban a un punto crítico, los receptores de estiramiento del lado izquierdo activarían la contracción de ese músculo, estirando el derecho. Este tramo luego reiniciaba el ciclo.

No funcionaría indefinidamente y los dos músculos eventualmente se desincronizarían. Aquí es cuando el marcapasos podría ayudarlos a volver a un ciclo regular.

En general, es mucho más impresionante que útil (a menos que seas del tipo que solo se impresiona con las cosas útiles). Después de todo, no hay muchas situaciones que requieran que un robot nade en 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 hacer una máquina eficiente ciertamente cumple con mi definición de impresionante.

Ciencia, 2022. DOI: 10.1126/ciencia.abh0474 (Acerca de los DOI).