Направи дарение на училище!

Биороботи от специално отгледани мускулни клетки могат не само да впечатляват като произведения на изкуството, но и да са полезни за развитието на медицината.

Мускулната тъкан е един от основните типове тъкани, изграждащи телата на животинските организми. Морфологичните и функционалните различия налагат разделянето на тази тъкан на три подтипа – скелетната, чиято главна роля е в движението в пространството; гладката, участваща в стените на много кухи органи, наречена така заради характерния си облик под микроскоп; и сърцевата, която се среща единствено в… сърцето. Физиологията на сърдечномускулните клетки (или още кардиомиоцити) и механизмите зад техните ритмични съкращения, продължаващи през целия ни живот, отдавна представляват интерес за учените. Това не е особено изненадващо, като се има предвид честотата на сърдечни заболявания сред населението. По статистически данни на Евростат и на European Heart Network болестите на сърдечно-съдовата система са водеща причина за смърт в Европейския съюз, представлявайки близо 37% от всички смъртни случаи само за 2014 година, което прави непрестанно полаганите усилия за разработването на нови методи за лечението им повече от наложителни. Десетилетия след първите опити за сърдечни трансплантации, направени през 60-те години на миналия век, новостите в молекулярната биология и генното инженерство позволяват създаването на експериментални модели, които макар и на пръв поглед странни, са огромен скок напред в биомеханиката и ни позволяват да се размечтаем за близкото бъдеще, в което изкуствените, лабораторно отгледани сърца ще бъдат следващото голямо изобретение.

Далеч от вълненията в медицинските среди, скатовете – група риби с хрущялен скелет, близки до акулите – са чест обект на възхищение от хората заради грациозните си движения във водата. Именно един представител на тази група, обитаващ аквариума в Бостън, неотдавна е вдъхновил необичайно изобретение, излязло от въображението на приложния физик от Харвард Кевин Паркър. По време на семейно посещение на градския аквариум дъщерята на Паркър се опитва да погали малък скат, който веднага отплувал, щом тя го докоснала. Наблюдавайки тази случка, Паркър, който от години се занимавал с роботика и имал предишен опит в експериментирането с клетъчни култури, решил да изработи заедно с екипа си машина, имитираща подвижността на животното, използвайки модифицирани сърдечномускулни клетки.

Разбери повече за БГ Наука:

***

Резултатът от тази нестандартна идея и четири години труд бил „робоскат“ – синтетичен организъм с размерите на монета, съчетаващ биология и технология. Вътрешен скелет от злато придава опора на еластичното силиконово тяло, чиято повърхност е покрита с 200 000 кардиомиоцити, събрани от двудневен ембрион на плъх. За да стимулират съкращенията на клетките, учените ги подложили на генетична модификация, чрез която да ги направят светлочувствителни. Получените кардиомиоцити се съкращават при облъчване със синя светлина, което позволява насочването в пространството. При всяко съкращение на прецизно подредените мускулни клетки гъвкавите силиконови перки се извиват надолу, а при отпускането им златният скелет връща перките в изходна позиция, осигурявайки по този начин хармоничното им движение, наподобяващо наблюдаваното в природата. За да се направи завиването настрани възможно, клетките били модифицирани така, че честотата на съкращенията им да зависи пряко от честотата на попадналата върху тях светлина. По този начин, облъчвайки двете перки с лазери с различни честоти, екипът е способен да стимулира завиването наляво или надясно.

Въпреки че звучи доста футуристично, трябва да се отбележи, че „робоскат“ е продукт на многобройни провалени опити и изминава едва девет метра за един час в специален поддържащ разтвор и при подходящи условия. Това обаче не го прави по-малко впечатляващ за експертите, които го определят като голям напредък в роботиката.

Медузоид – първият синтетичен организъм на Паркър

Преди Паркър и екипът му да се захванат с изграждането на синтетичен скат, те се упражнявали с пресъздаването на значително по-прости форми на живот. Първият синтетичен организъм на Паркър също е вдъхновен от едно негово посещение на аквариума в Бостън, където е бил заинтригуван от движенията на медузите, виждайки в тях аналогия с начина на функциониране на човешкото сърце. Този път хрумването му и сътрудничеството с Калифорнийския технологичен институт довело до построяването на „медузоид“. Миниатюрната осемлъчева силиконова пластинка е внимателно огъвана от голям брой кардиомицити, покриващи повърхността ѝ. Поставено в магнитно поле, „съществото“ се придвижва като истинско, благодарение на ритмичните съкращения на клетките. Грабващата окото с нежната си красота медуза, всъщност е замислена като инструмент за тестване на влиянието на различни лекарства върху сърцето. Наблюдавайки промените в честотата и силата на трептенията на чадърчето след добавяне на дадено вещество в средата, експериментаторите могат да преценят ефектите на изпробвания препарат и неговата ефективност.

В опит да съчетаят изящното с практичното, специалисти от Университета Нанкин в Китай също почерпили вдъхновение от животинското царство и по-точно от някои от най-колоритните му представители. Много яркооцветени животни – като популярните хамелеони или пеперудите от род Morpho – дължат характерните си шарки не просто на пигменти, а и на разнообразни светлоотразяващи структури по телесната си повърхност. Пеперудите Морфо, например, постигат своя синкав, металически блясък именно благодарение на микроскопичните люспички, покриващи крилцата им; а хамелеоните пък могат да увеличават или скъсяват разстоянието между кристалчетата в кожата си и по този начин да си сменят цвета. Това явление е познато като структурно багрене и е било дълго предмет на изследвания и опити за имитация. През март 2018 година учените от Нанкин съобщават в Science за своя успех при произвеждането на пластинка от гел, която  променя регулирано цвета си чрез дейността на кардиомоицити, закрепени върху нея. Пластинката, изпъстрена с фини селективно отразяващи светлината пори, променя дължината и формата си при всяко съкращаване и отпускане на клетките, генерирайки по този начин зрелище от преливащи цветове. В търсене на естетическа издържаност гелът може дори да бъде изрязан във формата на пърхаща пеперуда. Едно от възможните приложения на този продукт е отново тестването на лекарствени препарати. Вещества, влияещи на честотата на мускулните съкращения, водят и до ясно видими изменения в ритъма на „танца“ на цветовете, които могат да се наблюдават и с просто око. Това би опростило клиничните тестове, без да се налага за тях да се използват истински животни.

Изобретения като това, както и синтетичните организми като „робоскат“ и „медузоида“, не са просто естетически впечатляващо развлечение за учени, които си играят с природата. Те представляват опростени експериментални модели, които ни позволяват да изследваме процесите, протичащи в собствените ни тела. За инженерите един от най-сигурните начини да разберат как нещо функционира е да се опитат да го копират. Ръководени от същата мисъл, биоинженерите комбинират живото и неживото, надявайки се да добият нови познания за работата и устройството на истинските организми и техните органи. Изучаването на роботи, задвижвани от сърдечномускулни клетки, може да допринесе значително за подобряването на уменията ни да манипулираме живите клетки в тялото (т.е. in vivo), да улесни разработването и тестването на нови лекарства за сърдечно-съдови заболявания и дори да направи възможно отглеждането на изкуствени сърца.

Към настоящия момент сърдечните трансплантации разчитат на намирането на подходящ донор, което често означава дълго чакане за болните, а рискът от отхвърляне на транспланта е постоянен фактор. Модерните биотехнологии имат потенциала да издигнат медицината на ново ниво, но реализмът налага да приемем, че науката има още дълъг път да извърви до този момент. И макар идеята за синтетични сърца да е запазена за не особено близкото бъдеще, направените от човека днес медузи, скатове и пеперуди остават полезни инструменти и забележителни доказателства за неговата креативност и стремежа му към усъвършенстване.

ИЗТОЧНИЦИ НА ИНФОРМАЦИЯ И СЪОТВЕТНИТЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ:

Cardiovascular Diseases Statistics, Eurostat

European Cardiovascular Disease Statistics 2017, European Heart Network

Pennisi, Elizabeth, Robotic stingray powered by light–activated muscle cells, Science, July 2016

Young, Ed, Artificial jellyfish built from rat cells: Reverse-engineered life form could be used to test drugs, Nature, July 2012

Warren, Matt, Watch a gel embedded with heart cells change color with every beat, Science, March 2018

Knight, Kathryn, Making the Morpho butterflies blue, Journal of Experimental Biology, 2016

Вземете (Доживотен) абонамент и Подарете един на училище по избор!