Ученые вылепили силикон и мышечные клетки в свободно плавающую искусственную «медузу» на шаге к возможному производству новой ткани для пациентов с поврежденными сердцами, исследователи из Калифорнийского технологического института (Калифорнийский технологический институт) и Гарвардский университет сообщили по своей природе о Биотехнологии. Команда использовала комбинацию силикона и сердечных крысой клеток для их медузы лабораторного производства – они назвали Medusoid – который тогда плавал свободно через воду.
Авторы ожидают, что их технология в конечном счете приведет к сбору урожая клеток от одного организма, перестраивая их так они могут быть биоспроектированы для использования у людей, такого как создание сердечного кардиостимулятора без батареи.Дженна Норот, докторант в биологии в Калифорнийском технологическом институте и ведущем авторе исследования, сказал:«Большая цель нашего исследования состояла в том, чтобы продвинуть разработку ткани.
Во многих отношениях это – все еще очень качественное искусство с людьми, пытающимися скопировать ткань или орган только на основе того, что они думают, важно или что они рассматривают как главные компоненты – обязательно не понимая, относятся ли те компоненты к желаемой функции или не анализируя сначала, как различные материалы могли использоваться».Поскольку определенная функция, такая как плавание, например, автоматически не появляется просто из копирования всех элементов плавающего организма в дизайн, их идея состояла в том, чтобы сделать функции медузы – плавающий в воде и делающий питающийся ток – как их цель, и затем создать структуру на основе тех данных.
Медуза, как думают, была вокруг в течение прошлых 500 миллионов лет; они – вероятно, самые старые полиорганные животные на Земле. Медуза является хорошими животными к исследованию при попытке найти способы решить проблемы с сердцем, написали авторы. На очень простом уровне их функция подобна тому из человеческого сердца в этом, они используют мышцу, чтобы накачать их путь через воду.Соавтор, Кевин Кит Паркер, Семейный профессор Tarr Биоинженерии и Прикладной Физики в Гарварде, сказал:«Пришло в голову меня в 2007, что мы, возможно, не поняли фундаментальные законы мышечных насосов.
Я начал смотреть на морские организмы тот насос, чтобы остаться в живых. Тогда я видел медузу в Аквариуме Новой Англии, и я немедленно отметил оба сходств и различий между как насосы медузы и человеческое сердце.
Общие черты помогают показать то, что Вы должны сделать, чтобы проектировать биовдохновленный насос».Паркер вошел в контакт с аэронавтикой и экспертом по биоинженерии Джоном Дэбири от Калифорнийского технологического института, и сформировал партнерство. Эти две группы кооперировались близко в течение нескольких лет, пытаясь получить лучшее понимание запутанности толчка медузы, включая то, как их мышцы устроены, как их тела заключают контракт и затем отскакивают, и влияние гидрогазодинамики в их движениях. Они тогда намереваются проектировать искусственную медузу.
Nawroth и команда экспериментировали со всевозможными материалами, которые могли использоваться, чтобы сделать тело медузы, и в конечном счете выбрали упругий материал, который очень похож на «желе» реальной плоти медузы.Команда Гарварда, с помощью Норота, вылепила силиконовый полимер, формирующий тело Medusoid в тонкую мембрану, которая подобна маленькой медузе с восемью подобными пробной партии руками.
Они тогда распечатали структуру, сделанную из белка на мембрану, походившую на структуру мышцы настоящего животного. Авторы объяснили, что «Белковая структура служит планом действий для роста и организации отделенной крысиной ткани – отдельные клетки сердечной мышцы, сохраняющие способность заключить контракт – в последовательную плавающую мышцу».Medusoid был тогда помещен в электрически проводящий контейнер жидкости и колебался напряжение от ноля до пяти В, потрясая новое существо в плавание с сокращениями точно так же, как медуза. Даже прежде, чем применить электрический ток, мышечные клетки уже начали заключать контракт немного самостоятельно.
Дабири сказал, что команда была удивлением, что они могли воспроизвести такое плавание комплекса и пищевые поведения, что так близко напомненная биологическая медуза с относительно немногими компонентами – основа силикона и перестроила крысиные клетки. Измерения гидрогазодинамики были фактически идентичны тем из естественной медузы.Дабири написал:«Я приятно удивлен тем, как близко мы добираемся до соответствия естественной биологической производительности, но также и что мы видим пути, которыми мы можем, вероятно, изменить к лучшему ту естественную производительность. Процесс развития пропустил много хороших решений».
Вы должны сконцентрироваться на функцииИх прорыв показывает, что Вы не можете только подражать природе, Вы должны сконцентрироваться на функции.
Их стратегия дизайна могла быть применена, в целом, к обратному проектированию мышечных органов в человеческом теле, объяснили ученые.Паркер сказал:«Как инженеры, мы очень довольны строительством вещей из стали, меди, бетона. Я думаю о клетках как о другом виде строительства субстрата, но нам нужны строгие количественные спекуляции дизайна, чтобы переместить разработку ткани от прикладного искусства до воспроизводимого типа разработки. Медуза предоставляет алгоритм дизайна для обратного проектирования функции органа и разрабатывания количественного дизайна и технических требований производительности.
Мы можем закончить полное осуществление процесса проектирования инженера: проектируйте, постройте, и анализ».Ученые теперь планируют проектировать полностью отдельную систему, которая может ощутить и привести в действие самостоятельно, с помощью внутренних сигналов, точно так же, как человеческое сердце делает.Dabiri и Nawroth говорят, что Medusoid должен в конечном счете быть в состоянии искать и собрать его собственную еду независимо. Ученые могли тогда создать системы, которые могли существовать в человеческом теле в течение многих лет без потребности в батареях, потому что у них будет способность сопротивляться для себя.
Эти системы могли, например, быть основанием для кардиостимулятора, сделанного исключительно с биологическими элементами.Дабири сказал:«Мы повторно воображаем, сколько мы можем сделать с точки зрения синтетической биологии. Большая работа в эти дни сделана, чтобы спроектировать молекулы, но существует намного меньше усилия спроектировать организмы.
Я думаю, что это – хороший проблеск в будущее реинжиниринга все организмы в целях продвижения биомедицинской технологии. Мы можем также быть в состоянии спроектировать заявления, где эти биологические системы дают нам возможность сделать вещи более эффективно с меньшим количеством энергетического использования».