Искусственная медуза «Медузоид» плавает благодаря сердечным сокращениям: создание представляет собой гибрид силиконового полимера и клеток сердечной мышцы

Используя последние достижения в морской биомеханике, материаловедении и тканевой инженерии, исследователи из Гарвардского университета и Калифорнийского технологического института (Caltech) создали свободно плавающую «медузу» из неживого силикона и живых клеток сердечной мышцы.

Это достижение служит доказательством концепции обратного проектирования различных мышечных органов и простых форм жизни. Оно также предполагает более широкое определение синтетической жизни в новой области, которая в основном была сосредоточена на воспроизведении строительных блоков жизни.

Метод создания тканеинженерной медузы, названной «Медузоид», был опубликован в статье журнала Nature Biotechnology 22 июля.

Соавтор Кевин Кит Паркер, эксперт по актуаторам на основе клеток и тканей, ранее демонстрировал биоинженерные конструкции, способные хватать, качать и даже ходить. Идея поднять планку и сымитировать медузу возникла из его собственного разочарования состоянием кардиологии.

Подобно тому, как человеческое сердце перемещает кровь по телу, медузы продвигаются в воде за счёт насосных сокращений. Разбирая и затем воссоздавая основную двигательную функцию медузы, целью было получить новое понимание того, как работают такие насосы.

«Мне пришло в голову в 2007 году, что, возможно, мы не поняли фундаментальных законов мышечных насосов», — говорит Паркер. — «Я начал изучать морские организмы, которые качают, чтобы выжить. Затем я увидел медузу в Новой Англии, и сразу отметил как сходства, так и различия в том, как качают медуза и человеческое сердце».

Для создания Медузоида Паркер сотрудничал с Джанной Наврот, докторантом по биологии в Caltech и ведущим автором исследования. Они также работали с научным руководителем Наврот, Джоном Дабири, профессором аэронавтики и биоинженерии в Caltech, экспертом в области биологического движения.

«Большой целью нашего исследования было продвижение тканевой инженерии», — говорит Наврот. — «Во многих отношениях это всё ещё очень качественное искусство, где люди пытаются скопировать ткань или орган, основываясь лишь на том, что они считают важным... без понимания, актуальны ли эти компоненты для желаемой функции».

Оказалось, что медузы, считающиеся старейшими многоклеточными животными в мире, — идеальный объект, поскольку они используют мышцы для движения в воде, а их базовая морфология похожа на бьющееся человеческое сердце.

Чтобы обратно спроектировать медузу, исследователи использовали инструменты анализа из области биометрии и кристаллографии, чтобы составить карты ориентации белковых сетей внутри всех мышечных клеток животного. Затем они изучили электрофизиологический запуск движения медузы и биомеханику самого гребного толчка.

Оказалось, что культивируемый слой ткани сердечной мышцы крысы, который сокращается при электрической стимуляции в жидкой среде, — идеальный материал для создания искусственной медузы. Команда соединила его с силиконовым полимером, формирующим тело существа в виде тонкой мембраны, напоминающей маленькую медузу с восемью щупальцами.

Используя те же инструменты анализа, исследователи смогли количественно сопоставить архитектуру мышечной ткани медузы на субклеточном, клеточном и надклеточном уровнях с клетками сердечной мышцы крысы.

Искусственную конструкцию поместили в контейнер с солёной водой, похожей на океанскую, и заставили плыть с помощью синхронизированных мышечных сокращений, имитирующих сокращения настоящей медузы. (Фактически, мышечные клетки начали слегка сокращаться сами по себе ещё до подачи электрического тока.)

«Я был удивлён, что с относительно небольшим количеством компонентов — силиконовой основой и клетками, которые мы расположили, — мы смогли воспроизвести довольно сложное плавательное поведение, которое вы видите у биологических медуз», — говорит Дабири.

Их стратегия проектирования, по их словам, будет широко применима для обратного проектирования мышечных органов у людей.

«Как инженеры, мы очень привыкли строить вещи из стали, меди, бетона», — говорит Паркер. — «Я рассматриваю клетки как ещё один вид строительного субстрата, но нам нужны строгие количественные проектные спецификации, чтобы перевести тканевую инженерию в воспроизводимый тип инженерии. Медуза предоставляет алгоритм проектирования для обратного проектирования функции органа».

Помимо продвижения тканевой инженерии, Паркер добавил, что взялся за задачу построить существо, чтобы бросить вызов традиционному взгляду на синтетическую биологию, которая «сосредоточена на генетических манипуляциях с клетками». Вместо того чтобы строить просто клетку, он стремился «построить зверя».

В перспективе исследователи aim to further evolve the artificial jellyfish, allowing it to turn and move in a particular direction, and even incorporating a simple "brain" so it can respond to its environment and replicate more advanced behaviors like heading toward a light source and seeking energy or food.