Nado de medusas creado con bioingeniería
La construcción de sistemas biológicos desde cero implica tradicionalmente copiar el original, pero simplemente imitar la forma y la alineación de los músculos de un animal no es suficiente. En un nuevo estudio publicado hoy (22 de julio) en Nature Biotechnology, un equipo del Instituto de Tecnología de California y la Universidad de Harvard trabajó para comprender cómo los movimientos y las interacciones de las medusas con el agua circundante conducen a nadar, y luego utilizaron tejidos de bioingeniería disponibles para construir una imitación de medusa que podría moverse a través del agua como si fuera real.
«Me sorprendió la eficacia con la que permitieron que el vehículo emulara la natación de los organismos naturales», dijo Jack Costello, un experto en medusas del Providence College, Rhode Island, que no participó en el estudio. «Me impresionó mucho la atención que se puso en alinear todas las variables importantes para que emularan a los animales». Costello añadió que la técnica podría ayudar en el diseño de vehículos, así como ayudar a los investigadores a hacer…
John Dabiri de Caltech y sus colegas utilizaron el juvenil de la medusa Aurelia aurita como modelo. para la propulsión de medusas. Los Aurelia juveniles tienen un plan corporal simple que consiste en un disco central con ocho tentáculos planos, gruesos y radiantes llamados lóbulos. Al observar su movimiento, el equipo aprendió que las medusas se impulsan a sí mismas a través del agua contrayendo simultánea y completamente la campana que forma la parte central de su cuerpo. La contracción se logra activando líneas de músculos a través de sus lóbulos sincronizados por un sistema de marcapasos. El equipo imitó esta acción construyendo su modelo, llamado medusoide, a partir de una lámina de tejido de músculo cardíaco de rata cultivado, aplicando un campo eléctrico al agua para que sirviera como marcapasos.
Después de una contracción muscular rápida, las medusas retroceden lentamente a su forma plana original. Para imitar esta acción, el equipo moldeó las células musculares de rata en una lámina de silicona elástica sintética que retrocedía naturalmente. Por último, los investigadores identificaron la forma de la medusa como un factor importante para empujar el agua con la máxima eficiencia al crear patrones de movimiento fluido entre los lóbulos del animal. Al mapear los músculos nadadores de Aurelia con tinciones químicas, el equipo determinó la alineación especializada de las células, que reprodujeron con las células del músculo cardíaco de rata que se ajustaban a un patrón diseñado en la lámina de silicona. Al final, los investigadores crearon un imitador de medusa medusoide que podía nadar bombeando líquido lejos del centro de su cuerpo, al igual que el animal real.
«Este artículo muestra claramente que si no copia la forma los animales han evolucionado para hacer cosas, tampoco obtienes los resultados que ellos hacen», dijo Costello. «Copiar fielmente lo que hacen los animales no siempre es algo que podamos intentar hacer antes. Es una representación muy clara de que necesitas tener los detalles correctos».
Dabiri dijo que usaron una medusa como modelo conceptual porque su acción de bombeo es similar a la de un corazón que late. La interacción de la bomba de la medusa con el agua también es análoga al flujo de sangre en el corazón, y Dabiri y sus colegas esperan que la ingeniería de tejidos pronto pueda usarse para reemplazar componentes como las válvulas cardíacas que podrían obtener una ventaja al ser activas, en lugar de pasivas. componentes del sistema circulatorio.
“Ese movimiento es diferente a muchos reemplazos de tejido actuales donde un sistema pasivo es reemplazado por otro sistema pasivo”, dijo Dabiri. «Podría haber alguna ventaja en permitir que ese componente se mueva, cambie el flujo sanguíneo o responda a alguna otra señal».
El medusoide solo puede nadar en una dirección por ahora, porque todas las células musculares son idénticos, pero Dabiri espera que los modelos futuros puedan incorporar múltiples tipos de celdas que permitirán que el modelo gire y maniobre. El equipo también quiere reconstruir los hábitos de alimentación de las medusas. Por el momento, la corriente creada por la natación atrae algo de agua hacia el medusoide, como en el animal real, pero el medusoide carece de la capacidad de capturar presas y consumirlas. Dabiri dijo que esto podría ser importante para extender la vida útil de un sistema. Al agregar esta capacidad a los sistemas de bioingeniería, un componente cardíaco activo podría obtener energía del azúcar en el flujo sanguíneo, por ejemplo, de modo que no se necesitaría una fuente de energía externa.
«Ahora que hemos establecido un proceso de diseño que comienza buscando ciertas características dentro del sistema biológico real y extrayendo esos principios de diseño, el próximo organismo al que vamos puede ser más complejo que este, y creo que las imitaciones se pueden lograr en un tiempo mucho más rápido». dijo Dabiri.
Vea un video del equipo explicando su investigación y vea al medusoide nadar junto a una medusa real:
http://www.youtube.com/watch?v =2spbFpzyiJ0
J. Nawroth et al., «Una medusa diseñada por tejido con propulsión biomimética», Nature Biotechnology, doi:10.1038/nbt.2269, 2012.
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