Ученые Гарвардского университета и Университета Эмори создали первую полностью автономную биогибридную рыбу-робота, состоящую из клеток сердечной мышцы человека, бумаги и гидрогеля. Устройство весом 25 миллиграммов воссоздает мышечные сокращения работающего сердца, что позволяет ему плавать в воде. Результаты опубликованы в журнале Science.
Ученые изготовили устройство из кардиомиоцитов, полученных из стволовых клеток человека, которое имитирует движение рыбки данио. Биомеханический робот имел хвостовой плавник, состоящий из двух слоев (бислоя) мышечных клеток. Эти слои функционировали в антагонистической манере: когда одна сторона плавника растягивалась, другая сжималась. Растяжение слоя приводило к открытию механочувствительных белковых каналов, которые вызывали последующее сокращение, затем растяжение и так далее. Этот замкнутый цикл обеспечивал 108-дневную автономную работу устройства.
Для вторичного контроля за циклом сокращение-растяжение исследователи построили из кардиомиоцитов аналог синусового узла сердца — G-узел, посылающий электрические сигналы мышцам плавника и выполняющий роль кардиостимулятора. Автономный G-узел и бислой вместе генерировали спонтанные, но скоординированные быстрые движения тела и плавника. В результате рыба-робот, снабженная G-узлом, увеличила скорость плавания до более чем одной длины тела в секунду (15 миллиметров в секунду).
Амплитуда мышечных сокращений, максимальная скорость плавания и координация мышц увеличивались в течение первого месяца по мере созревания кардиомиоцитов. В конце концов, биогибридная рыба достигла скорости плавания, сравнимой со скоростью рыбок данио в дикой природе.
По словам ученых, их технология может служить не только фундаментом для создания сложных самоподдерживающихся биомеханических устройств, но и улучшить понимание работы сердца у человека.