Las medusas de ingeniería inversa pueden conducir a la tecnología de fijación del corazón

Los científicos han formado células de silicio y músculo en una "medusa" artificial que nada libremente, en un paso hacia la producción eventual de tejido nuevo para pacientes con corazones dañados., investigadores del Instituto de Tecnología de California (Caltech) y la Universidad de Harvard informaron en Biotecnología de la naturaleza. El equipo utilizó una combinación de células de silicona y corazón de rata para sus medusas hechas en laboratorio, que llamaron Medusoid, que luego nadaron libremente a través del agua.
Los autores esperan que su tecnología eventualmente conduzca a la recolección de células de un organismo, reorganizándolas para que puedan ser bioingeniería para su uso en humanos, como la fabricación de un marcapasos sin batería.
Janna Nawroth, estudiante de doctorado en biología en Caltech y autora principal del estudio, dijo:

"Un gran objetivo de nuestro estudio fue avanzar en la ingeniería de tejidos. En muchos sentidos, sigue siendo un arte muy cualitativo, con personas que intentan copiar un tejido u órgano simplemente en función de lo que creen que es importante o lo que ven como los principales componentes - sin comprender necesariamente si esos componentes son relevantes para la función deseada o sin analizar primero cómo se podrían usar los diferentes materiales ".

Debido a que una función específica, como nadar, por ejemplo, no surge automáticamente al copiar todos los elementos de un organismo de natación en un diseño, su idea era hacer que las medusas actúen como natación, nadar en el agua y hacer corrientes de alimentación. luego crea una estructura basada en esa información.
Se cree que las medusas han existido durante los últimos 500 millones de años; son probablemente los animales multiorgánicos más antiguos de la Tierra. Las medusas son buenos animales para investigar cuando intentan encontrar formas de solucionar problemas cardíacos, escribieron los autores. En un nivel muy básico, su función es similar a la de un corazón humano, ya que utilizan un músculo para bombear a través del agua.
El coautor, Kevin Kit Parker, profesor de Bioingeniería y Física Aplicada de la familia Tarr en Harvard, dijo:

"Se me ocurrió en 2007 que podíamos haber fallado en entender las leyes fundamentales de las bombas musculares. Empecé a buscar organismos marinos que bombearan para sobrevivir. Luego vi una medusa en el Acuario de Nueva Inglaterra e inmediatamente noté ambas similitudes y diferencias entre cómo las medusas bombean y el corazón humano. Las similitudes ayudan a revelar lo que tienes que hacer para diseñar una bomba inspirada en lo biológico ".

Parker se puso en contacto con el experto en aeronáutica y bioingeniería John Dabiri de Caltech, y formó una asociación. Los dos grupos mantuvieron un estrecho contacto durante varios años, tratando de comprender mejor las complejidades de la propulsión de las medusas, incluyendo cómo se organizan sus músculos, cómo se contraen y luego retroceden, y el impacto de la dinámica de fluidos en sus movimientos. Luego se propusieron diseñar una medusa artificial.
Nawroth y su equipo experimentaron con varios materiales diferentes que podrían usarse para hacer el cuerpo de la medusa, y finalmente optaron por un material elástico que es muy similar a la "gelatina" de la carne de medusa real.
El equipo de Harvard, con la ayuda de Nawroth, diseñó el polímero de silicona que forma el cuerpo de Medusoid en una membrana delgada que es similar a una medusa pequeña, con ocho brazos similares a los de un palillo. Luego imprimieron un patrón hecho de una proteína en la membrana que era como la estructura muscular del animal real. Los autores explicaron que "el patrón de proteína sirve como un mapa de ruta para el crecimiento y la organización del tejido de rata disociado (células del músculo cardíaco individuales que retienen la capacidad de contraerse) en un músculo de natación coherente".
El Medusoid fue luego colocado en un contenedor de fluido eléctricamente conductor, y oscilaba el voltaje de cero a cinco voltios, impactando a la nueva criatura en la natación con contracciones al igual que una medusa. Incluso antes de aplicar la corriente eléctrica, las células musculares ya habían empezado a contraerse un poco por sí mismas.
Dabiri dijo que el equipo estaba sorprendido de que pudieran reproducir comportamientos de natación y alimentación tan complejos que se parecían tanto a las medusas biológicas con relativamente pocos componentes: una base de silicona y células de rata reorganizadas. Las mediciones de dinámica de fluidos fueron prácticamente idénticas a las de las medusas naturales.
Dabiri escribió:

"Estoy gratamente sorprendido de lo cerca que estamos de igualar el rendimiento biológico natural, pero también de que estamos viendo formas en las que probablemente podamos mejorar ese rendimiento natural. El proceso de evolución perdió muchas buenas soluciones".

Tienes que concentrarte en la función

Su avance muestra que no se puede simplemente imitar naturaleza, debes concentrarte en la función. Su estrategia de diseño podría aplicarse, en general, a la ingeniería inversa de los órganos musculares en el cuerpo humano, explicaron los científicos.
Parker dijo:

"Como ingenieros, nos sentimos muy cómodos construyendo cosas con acero, cobre y concreto. Creo que las células son otro tipo de sustrato de construcción, pero necesitamos especificaciones rigurosas de diseño cuantitativo para mover la ingeniería de tejidos de las artes y oficios a un tipo reproducible de ingeniería. La medusa proporciona un algoritmo de diseño para la ingeniería inversa de la función de un órgano y el desarrollo de especificaciones cuantitativas de diseño y rendimiento. Podemos completar el ejercicio completo del proceso de diseño del ingeniero: diseño, construcción y prueba ".

Los científicos ahora planean diseñar un sistema totalmente autónomo que pueda detectar y actuar por sí mismo, utilizando señales internas, tal como lo hace el corazón humano.
Dabiri y Nawroth dicen que Medusoid finalmente debería poder buscar y recolectar su propia comida de forma independiente.Los científicos podrían entonces crear sistemas que podrían existir en el cuerpo humano durante años sin necesidad de baterías, ya que tendrían la capacidad de valerse por sí mismos. Estos sistemas podrían, por ejemplo, ser la base para un marcapasos hecho puramente con elementos biológicos.
Dabiri dijo:

"Estamos volviendo a imaginar cuánto podemos hacer en términos de biología sintética. En la actualidad se trabaja mucho para diseñar moléculas, pero hay mucho menos esfuerzo para diseñar organismos. Creo que este es un buen vistazo al futuro de la re -ingeniería de organismos completos para el avance de la tecnología biomédica. También podemos diseñar aplicaciones donde estos sistemas biológicos nos den la oportunidad de hacer las cosas de manera más eficiente, con menos consumo de energía ".

Escrito por Christian Nordqvist