El corazón palpitante de un robot nadador

La mayoría de los músculos de nuestro cuerpo sólo actúan en respuesta a las señales nerviosas entrantes, que tienen que desencadenar cada célula muscular individual para contraerse o relajarse. Pero el músculo cardíaco es diferente. Los impulsos que desencadenan la contracción del músculo cardíaco se transmiten de una célula muscular a sus vecinas, dando lugar a una ola rítmica de contracciones. Esto está tan integrado en el sistema que una hoja 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 que sólo funciona con azúcar. Y aunque trataron de fabricar el equivalente del corazón a un marcapasos, resultó no ser necesario: la disposición correcta de las células musculares hizo que el pez nadara espontáneamente.

Construyendo un músculo similar al corazón

En cierto modo, el artículo que describe el nuevo pez robot es un homenaje a nuestra creciente capacidad para controlar el desarrollo de las células madre. Los investigadores del artículo, con sede en Harvard, decidieron utilizar células musculares cardíacas para impulsar su robot. Hace un par de años, esto habría supuesto la disección de 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 cultivar en una población uniforme. Por lo tanto, el equipo comenzó con una población de células madre humanas y siguió el proceso necesario para dirigir su desarrollo de manera que formaran células musculares cardíacas.

Se colocó una fina capa de estas células dentro de una fina lámina de gelatina, que mantenía las células en su sitio en los flancos del “pez” (una lámina a cada lado). El centro del pez era flexible, por lo que una contracción del músculo del flanco derecho tiraba de la cola hacia la derecha, y lo mismo ocurría con el lado opuesto. Alternando las contracciones a la izquierda y a la derecha, el pez tiraba de la cola de un lado a otro, impulsándola hacia delante. Además, el pez tenía una gran “aleta” dorsal que contenía un dispositivo de flotación para mantener a la bestia orientada hacia arriba y evitar que se hundiera. Todo ello se alimentaba poniéndolo en una solución con azúcar, que las células musculares cardíacas absorbían.

Tal vez debido a esta simplicidad, el robot era tan duradero que era capaz de 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. Al final, el pez fue capaz de recorrer más de una longitud corporal por segundo. A ese ritmo, el robot era notablemente eficiente: por unidad de masa muscular, su velocidad de natación era mejor que la de los peces reales.

Dentro y fuera de control

Una de las cosas que ayudó 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 al final descubrieron que la opción más sencilla era la mejor.

El primer intento de controlar los músculos se basó en un poco de ingeniería genética. Los músculos se contraen por la afluencia de iones, normalmente provocada por impulsos nerviosos. Pero los investigadores han identificado algunas proteínas que actúan como canales iónicos activados por la luz, que crean una afluencia de iones en respuesta a longitudes de onda específicas de la luz. Por lo tanto, los investigadores diseñaron las células de un flanco para que fueran sensibles a la luz roja y las del otro a la azul. Esto funcionó bien, permitiendo que destellos alternados de luz roja y azul hicieran 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 marcapasos desencadenando una contracción que se propaga desde allí. Los investigadores formaron una bola de células cardíacas para que actuara como marcapasos e hicieron un puente de células que conectaba las células cardíacas con los músculos del flanco. La afluencia de iones que se iniciaba en las células marcapasos podía extenderse a los músculos, impulsando una contracción.

Esto funcionó hasta cierto grado, pero resultó ser de importancia secundaria. Los investigadores descubrieron que los dos músculos se acompasaban en sus contracciones.

Las células del músculo cardíaco también tienen receptores de estiramiento. Si se tira demasiado de la célula, el receptor se activa y desencadena una contracción. Esto resultó proporcionar una coordinación incorporada para los músculos del flanco. Cuando un lado derecho se contraía, provocaba el estiramiento de las células del lado opuesto. Cuando llegaban a un punto crítico, los receptores de estiramiento del lado izquierdo provocaban la contracción de ese músculo, estirando el derecho. Ese estiramiento entonces reiniciaba el ciclo.

Esto no funcionaría indefinidamente, y los dos músculos eventualmente se desincronizarían. Es entonces cuando el marcapasos podría ayudar a devolverlos a un ciclo regular.

En general, esto es mucho más impresionante que útil (a menos que seas de los que sólo se impresionan por las cosas útiles). Al fin y al cabo, no hay muchas situaciones que requieran que un robot nade en una solución de azúcar. Pero el hecho de que los investigadores hayan sido capaces de utilizar las propiedades biológicas básicas de estas células para crear una máquina eficaz se ajusta a mi definición de impresionante.

Science, 2022. 10.1126/science.abh0474.

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