Reverse Engineered Jellyfish kan leiden tot Heart Fixing Technology

Wetenschappers hebben silicium en spiercellen gevormd tot een vrij zwemmende kunstmatige "kwal", in een poging om uiteindelijk nieuw weefsel te produceren voor patiënten met een beschadigd hart, rapporteerden onderzoekers van het California Institute of Technology (Caltech) en Harvard University in Natuurbiotechnologie. Het team gebruikte een combinatie van siliconen en rat-hartcellen voor hun in het laboratorium gemaakte kwallen - ze noemden Medusoid - die vervolgens vrij door het water zwom.
De auteurs verwachten dat hun technologie uiteindelijk zal leiden tot het oogsten van cellen van het ene organisme, ze herschikt zodat ze kunnen worden ontworpen voor gebruik bij de mens, zoals het maken van een pacemaker zonder batterij.
Janna Nawroth, een doctoraalstudent biologie bij Caltech en hoofdauteur van de studie, zei:

"Een groot doel van onze studie was om weefseltechnologie vooruit te helpen. In veel opzichten is het nog steeds een zeer kwalitatieve kunst, waarbij mensen een weefsel of orgaan proberen te kopiëren alleen op basis van wat zij belangrijk vinden of wat zij zien als de belangrijkste componenten - zonder noodzakelijkerwijs te begrijpen of die componenten relevant zijn voor de gewenste functie of zonder eerst te analyseren hoe verschillende materialen kunnen worden gebruikt. "

Omdat een specifieke functie, zoals bijvoorbeeld zwemmen, niet automatisch ontstaat door simpelweg alle elementen van een zwemorganisme in een ontwerp te kopiëren, hun idee was om kwalfuncties - zwemmen in water en het maken van voedingsstromen - als hun doelwit te maken, en maak vervolgens een structuur op basis van die gegevens.
Kwallen worden verondersteld al 500 miljoen jaar oud te zijn; ze zijn waarschijnlijk de oudste multi-orgaannieren op aarde. Kwallen zijn goede dieren om te onderzoeken bij het proberen manieren te vinden om hartproblemen te herstellen, schreven de auteurs. Op een heel basaal niveau is hun functie vergelijkbaar met die van een menselijk hart doordat ze een spier gebruiken om zich een weg door water te pompen.
Co-auteur, Kevin Kit Parker, Tarr Family hoogleraar Bio-engineering en toegepaste natuurkunde aan Harvard, zei:

"Het viel me op in 2007 dat we misschien de fundamentele wetten van spierpompen niet begrepen hadden, ik begon te kijken naar zeeorganismen die pompen om te overleven, toen zag ik een kwal in het New England Aquarium en ik merkte meteen gelijkenissen op en verschillen tussen hoe de kwallen pompen en het menselijk hart, de overeenkomsten laten zien wat je moet doen om een ??bio-geïnspireerde pomp te ontwerpen. "

Parker kwam in contact met aeronautics en bioengineering expert John Dabiri van Caltech en vormde een partnerschap. De twee groepen hebben jarenlang nauw met elkaar in contact gestaan ??om een ??beter inzicht te krijgen in de fijne kneepjes van de kwallen, inclusief hoe hun spieren zijn gerangschikt, hoe hun lichaam samentrekt en zich terugtrekt, en de impact van vloeistofdynamica op hun bewegingen. Vervolgens wilden ze een kunstmatige kwal maken.
Nawroth en het team experimenteerden met verschillende materialen die konden worden gebruikt om het lichaam van de kwal te maken en uiteindelijk koos men voor een elastisch materiaal dat erg lijkt op de "gelei" van echt kwallenvlees.
Het team van Harvard maakte met behulp van Nawroth het siliconenpolymeer dat het Medusoid-lichaam vormt tot een dun membraan dat lijkt op een kleine kwal, met acht voelsprieten armen. Vervolgens printten ze een patroon gemaakt van een eiwit op het membraan dat leek op de spierstructuur van het echte dier. De auteurs legden uit: "Het eiwitpatroon dient als een routekaart voor groei en organisatie van gedissocieerd rattenweefsel - individuele hartspiercellen die het vermogen behouden om samen te trekken - tot een coherente zwemspier."
De Medusoid werd vervolgens in een elektrisch geleidende vloeistofcontainer geplaatst en oscilleerde de spanning van nul tot vijf volt, waardoor het nieuwe schepsel in het zwemmen werd met samentrekkingen net als een kwal. Nog voor het aanleggen van de elektrische stroom begonnen de spiercellen al een beetje zelf te samentrekken.
Dabiri zei dat het team verrast was dat ze zo'n complex zwem- en voergedrag konden reproduceren dat zo dicht op biologische kwallen leek met relatief weinig componenten - een siliconenbasis en herschikte ratcellen. De vloeistofdynamische metingen waren vrijwel identiek aan die van natuurlijke kwallen.
Dabiri schreef:

"Ik ben aangenaam verrast hoe dicht we bij het matchen van de natuurlijke biologische prestaties komen, maar ook dat we manieren zien waarop we die natuurlijke prestaties waarschijnlijk kunnen verbeteren." Het proces van evolutie miste veel goede oplossingen. "

Je moet je concentreren op de functie

Hun doorbraak laat zien dat je niet zomaar kunt nabootsen de natuur, je moet je concentreren op de functie. Hun ontwerpstrategie zou in het algemeen kunnen worden toegepast op de reverse engineering van spierorganen in het menselijk lichaam, legden de wetenschappers uit.
Parker zei:

"Als ingenieurs zijn we heel comfortabel in het bouwen van dingen uit staal, koper en beton. Ik denk aan cellen als een ander soort bouwsubstraat, maar we hebben rigoureuze kwantitatieve ontwerpspecificaties nodig om weefselengineering van kunst en kunstnijverheid naar een reproduceerbaar type te verplaatsen. De kwallen bieden een ontwerpalgoritme voor het reverse-engineering van de functie van een orgaan en het ontwikkelen van kwantitatieve ontwerp- en prestatiespecificaties.We kunnen de volledige oefening van het ontwerpproces van de ingenieur voltooien: ontwerpen, bouwen en testen. '

De wetenschappers zijn nu van plan een volledig autonoom systeem te ontwerpen dat zelfstandig kan detecteren en in werking treden, met behulp van interne signalen, net zoals het menselijk hart dat doet.
Dabiri en Nawroth zeggen dat Medusoid uiteindelijk in staat zou moeten zijn zelfstandig zijn eigen voedsel op te zoeken en te verzamelen.Wetenschappers zouden dan systemen kunnen maken die jarenlang in het menselijk lichaam zouden kunnen bestaan ??zonder de noodzaak van batterijen, omdat ze het vermogen zouden hebben om voor zichzelf te zorgen. Deze systemen kunnen bijvoorbeeld de basis vormen voor een pacemaker die uitsluitend met biologische elementen is gemaakt.
Dabiri zei:

"We heroverwegen hoeveel we kunnen doen in termen van synthetische biologie. Er wordt tegenwoordig veel werk verzet om moleculen te engineeren, maar er is veel minder moeite om organismen te manipuleren, ik denk dat dit een goede blik werpt in de toekomst van re - engineering van hele organismen met het oog op het bevorderen van biomedische technologie. We kunnen mogelijk ook toepassingen ontwikkelen waarbij deze biologische systemen ons de mogelijkheid bieden om dingen efficiënter te doen, met minder energieverbruik. "

Geschreven door Christian Nordqvist