Le cœur battant d’un robot nageur

Lee et al.

La plupart des muscles de notre corps ne fonctionnent qu’en réponse aux signaux nerveux entrants, qui doivent stimuler chaque cellule musculaire individuelle à se contracter ou à se détendre. Mais le muscle cardiaque est différent. Les impulsions qui provoquent la contraction du muscle cardiaque sont transmises d’une cellule musculaire à ses voisines, entraînant une vague de contractions régulières. Ceci est tellement intégré dans le système qu’une feuille de cardiomyocytes dans la boîte d’implant commence à se contracter spontanément.

Maintenant, les chercheurs ont tiré parti de certaines des propriétés uniques des cellules cardiaques pour construire un poisson robotique qui nage uniquement grâce au sucre. Et alors qu’ils essayaient de fabriquer l’équivalent cardiaque d’un stimulateur cardiaque, il s’est avéré que ce n’était pas nécessaire : la disposition correcte des cellules musculaires faisait nager spontanément le poisson.

Construire un muscle semblable au cœur

À certains égards, l’article décrivant le nouveau poisson robot est une appréciation de notre capacité croissante à contrôler la croissance des cellules souches. Les chercheurs à l’origine de la recherche, basés à l’Université de Harvard, ont décidé d’utiliser des cellules musculaires cardiaques pour alimenter leur robot. Il y a deux ans, cela signifiait disséquer le cœur d’un animal de laboratoire avant d’isoler les cellules cardiaques et de les cultiver.

Pour l’épaisseur du robot, les cellules souches étaient meilleures. C’est parce que les cellules souches sont plus faciles à manipuler génétiquement et qu’il est plus facile de les transformer en une population uniforme. Ainsi, l’équipe a commencé avec un ensemble de cellules souches humaines et a suivi le processus nécessaire pour diriger leur croissance afin qu’elles puissent former des cellules musculaires cardiaques.

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Une fine couche de ces cellules a été placée à l’intérieur d’une fine tranche de gélatine, qui maintient les cellules en place de chaque côté du « poisson » (une tranche des deux côtés). Le centre du poisson était flexible, donc une contraction du muscle du flanc droit tirerait la queue vers la droite, et il en était de même de l’autre côté. Alternant entre les contractions droite et gauche, le poisson tire sa queue d’un côté à l’autre, la poussant vers l’avant. De plus, le poisson a une grande « nageoire » dorsale qui contient un dispositif de flottabilité pour maintenir la bête debout et l’empêcher de se noyer. Tout a été soutenu en le plaçant dans une solution avec du sucre, qui a été absorbé par les cellules du muscle cardiaque.

Peut-être à cause de cette simplicité, le robot était si durable qu’il était capable de nager pendant plus de trois mois après sa construction. Les performances étaient bonnes au début mais se sont améliorées au cours du premier mois car les cellules cardiaques étaient mieux intégrées dans un muscle cohésif. Au final, le poisson a pu parcourir plus que la longueur de son corps par seconde. À ce rythme, le robot était remarquablement efficace – par unité de masse musculaire, sa vitesse de nage était meilleure que celle des poissons réels.

Dans et hors de contrôle

L’une des choses qui ont contribué à l’efficacité du poisson robot peut être vue dans son absence dans l’image ci-dessus : tout type de circuit de contrôle. Les chercheurs ont déjà testé plusieurs façons de contrôler les muscles, mais ils ont finalement découvert que l’option la plus simple était la meilleure.

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La première tentative de contrôle musculaire reposait sur un peu de génie génétique. Les muscles sont stimulés pour se contracter par un afflux d’ions, qui est généralement causé par des impulsions nerveuses. Mais les chercheurs ont identifié certaines protéines qui agissent comme des canaux ioniques activés par la lumière, ce qui créera un flux d’ions en réponse à des longueurs d’onde spécifiques de la lumière. Par conséquent, les chercheurs ont conçu les cellules d’un côté pour qu’elles soient sensibles à la lumière rouge et celles de l’autre côté pour qu’elles soient sensibles au bleu. Cela a bien fonctionné, car des éclairs alternés de lumière rouge et bleue permettaient au poisson de nager vers l’avant.

La deuxième méthode que les chercheurs ont essayée s’est inspirée de l’architecture du cœur, qui contient un groupe de cellules qui agissent comme un stimulateur cardiaque en provoquant une contraction qui se propage à partir de là. Les chercheurs ont formé une boule de cellules cardiaques pour agir comme un stimulateur cardiaque et ont créé un pont de cellules reliant les cellules cardiaques aux muscles des ailes. Le flux d’ions initié dans les cellules du stimulateur cardiaque peut se propager aux muscles, provoquant une contraction.

Cela a fonctionné dans une certaine mesure, mais s’est avéré être d’une importance secondaire. Les chercheurs ont découvert que les deux muscles accélèrent les contractions de l’autre.

Les cellules musculaires cardiaques contiennent également des récepteurs d’étirement. Tirez beaucoup sur la cellule, et le récepteur sera activé et provoquera une contraction. Il s’avère que cela fournit une coordination interne des muscles du flanc. Lorsqu’un côté rétrécissait sur la droite, les cellules de l’autre côté s’étiraient. Une fois qu’il atteint un point critique, les récepteurs d’étirement du côté gauche stimuleront ce muscle à se contracter et à s’étirer vers la droite. Ce tronçon a ensuite relancé le cycle.

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Cela ne fonctionnera pas indéfiniment et les deux muscles finiront par se désynchroniser. Le stimulateur cardiaque peut alors les aider à reprendre un cycle régulier.

Dans l’ensemble, c’est plus impressionnant qu’utile (à moins que vous ne soyez du genre à admirer les choses utiles). Il n’y a pas beaucoup de situations qui nécessitent qu’un robot nage dans une solution sucrée, après tout. Mais le fait que les chercheurs aient pu découvrir comment utiliser les propriétés biologiques de base de ces cellules pour fabriquer une machine efficace correspond certainement à ma définition de l’admiration.

Sciences, 2022. DOI : 10.1126 / Sciences. abh0474 (À propos des DOI).

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