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 tienen que provocar que cada célula muscular individual se contraiga o se relaje. Pero el músculo cardíaco es diferente. Los impulsos que desencadenan la contracción en el músculo cardíaco se transmiten de una célula muscular a sus vecinas, lo que da lugar a 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 cardíacas para construir un pez robot nadador impulsado únicamente por azúcar. Y aunque intentaron fabricar el equivalente en el corazón de un marcapasos, resultó no ser necesario: la disposición correcta de las células musculares hizo que los peces nadaran espontáneamente.

Construyendo un músculo parecido al corazón

De alguna manera, el documento que describe al nuevo pez robot es un tributo a nuestra creciente capacidad para controlar el desarrollo de células madre. Los investigadores detrás del artículo, con sede 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 cultivar sus células cardíacas.

Para el pez robot, las células madre eran mejores. Esto se debe a que las células madre son más fáciles de manipular genéticamente y son más fáciles de convertir en una población uniforme. Entonces, el equipo comenzó con una población de células madre humanas y pasó por el proceso necesario para dirigir su desarrollo para que formaran 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 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 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 fue tan duradero que pudo nadar durante más de tres meses después de su construcción. El rendimiento fue decente al principio, pero mejoró durante el primer mes a medida que las células cardíacas se integraban mejor en un músculo coherente. En última instancia, el pez pudo viajar más de la longitud de un cuerpo por segundo. A ese ritmo, el robot era notablemente eficiente: por unidad de masa muscular, su velocidad de nado era mejor que la de los peces reales.

Dentro y fuera de control

Una de las cosas que ayudó a habilitar la eficiencia 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 controlar los músculos se basó en 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 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. Entonces, los investigadores diseñaron las células en un flanco para que fueran sensibles a la luz roja y las del otro lado sensibles a la luz azul. Esto funcionó bien, permitiendo alternar destellos de luz roja y azul para hacer nadar al pez 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 cardíacas para que actuaran como un marcapasos e hicieron un puente de células que conectaba las células cardíacas con los músculos del flanco. La afluencia de iones que comenzó en las células del marcapasos podría extenderse a los músculos, provocando una contracción.

Esto funcionó hasta cierto punto, pero resultó ser de importancia secundaria. Los dos músculos, descubrieron los investigadores, marcaban el ritmo de las contracciones del otro.

Las células del músculo cardíaco también tienen receptores de estiramiento. Tire demasiado de la célula y el receptor se activará y provocará una contracción. Esto resultó proporcionar una coordinación integrada para los músculos de los flancos. Cuando un lado derecho se contrajo, hizo que las células del lado opuesto se estiraran. Una vez que alcanzan un punto crítico, los receptores de estiramiento en el lado izquierdo activarían la contracción de ese músculo, estirando el derecho. Ese tramo luego reinició el ciclo.

Esto no funcionaría indefinidamente, y los dos músculos eventualmente se desincronizarían. Ahí es cuando 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 por las 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 utilizar las propiedades biológicas básicas de estas células para fabricar una máquina eficaz ciertamente se ajusta a mi definición de impresionante.

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