Với chiếc đuôi lộn ngược nhịp nhàng từ bên này sang bên kia, con cá tổng hợp kỳ lạ này ngoe nguẩy trong dung dịch muối và glucose, sử dụng sức mạnh tương tự như trái tim đang đập của chúng ta.

Hệ thống tuần hoàn thu nhỏ tiện lợi này, được phát triển bởi các nhà khoa học tại Đại học Harvard và Emory, có thể duy trì hoạt động bơi lội theo nhịp trong hơn 100 ngày.

Các nhà phát minh đặt nhiều hy vọng vào thiết bị nhỏ kỳ lạ, bao gồm các tế bào cơ tim sống (tế bào cơ tim) được nuôi cấy từ tế bào gốc của con người.

Việc tạo ra loài cá 'biohybrid' tập trung vào hai đặc điểm điều chỉnh chính của trái tim chúng ta: khả năng hoạt động một cách tự nhiên, không cần ý thức đầu vào (tính tự động); và nhắn tin bắt đầu bằng chuyển động cơ học (tín hiệu điện cơ).

Những hiểu biết thu được từ nghiên cứu này hy vọng sẽ cho phép các nhà nghiên cứu xem xét kỹ hơn những khía cạnh này trong các bệnh tim.

Nhà kỹ thuật sinh học Kevin Kit Parker của Đại học Harvard cho biết: “Mục tiêu cuối cùng của chúng tôi là xây dựng một trái tim nhân tạo để thay thế một trái tim dị tật ở trẻ em.

Mặc dù nó đủ đơn giản để tạo ra thứ gì đó có thể trông giống như một trái tim, nhưng việc tạo ra một thứ thực sự hoạt động như một quả tim là một thử thách khó hơn nhiều. Fishbot uốn éo là một bước tiến lớn đối với điều này, dựa trên công trình trước đó sử dụng cơ tim chuột để chế tạo một máy bơm sinh học sinh học sứa và một con cá đuối cyborg.

Parker giải thích: “Tôi có thể xây dựng một trái tim mô hình từ Play-Doh, điều đó không có nghĩa là tôi có thể xây dựng một trái tim.

"Bạn có thể phát triển một số tế bào khối u ngẫu nhiên trong một chiếc đĩa cho đến khi chúng cuộn lại thành một cục đau nhói và gọi nó là organoid tim. Cả hai nỗ lực đó đều không theo thiết kế, tổng hợp lại vật lý của một hệ thống đập hơn một tỷ lần trong quá trình của bạn. thời gian tồn tại đồng thời xây dựng lại các tế bào của nó một cách nhanh chóng.

"Đó là thách thức. Đó là nơi chúng tôi phải làm việc."

Với hai lớp tế bào cơ tim ở mỗi bên của vây đuôi, cá sinh học được xây dựng để tự chủ - nó có thể tự duy trì chuyển động của mình.

Khi một bên bóp chặt, bên còn lại bị kéo căng, kích hoạt cơ chế phản hồi khiến bên bị kéo căng co lại và sau đó kích hoạt cơ chế tương tự ở bên kia trong một chu kỳ liên tục.

Hệ thống co cơ không đồng bộ này dựa trên cơ bay của côn trùng.

Mỗi lần co cơ sẽ tự động kích hoạt cặp cơ kia co lại. (Lee và cộng sự, Khoa học, 2022)

Uốn cong vật lý là chuyển động cơ học kích hoạt tín hiệu điện hình thành các kênh ion trong cơ. Các kênh ion này kích hoạt các cơ kích hoạt và co lại.

Để hệ thống tiếp xúc với streptomycin và gadolinium - được biết là gây rối loạn các kênh ion trong cơ - cuối cùng làm giảm tốc độ bơi và phá vỡ mối quan hệ giữa sự kéo căng cơ học và sự kích hoạt của sự co thắt tiếp theo ở phía bên kia. Điều này khẳng định các kênh ion thực sự có liên quan đến các cơn co thắt nhịp nhàng.

Nhà nghiên cứu sinh học Keel Yong Lee của Đại học Harvard cho biết: “Bằng cách tận dụng tín hiệu điện cơ giữa hai lớp cơ, chúng tôi đã tái tạo lại chu kỳ mà mỗi lần co lại tự động như một phản ứng đối với sự kéo căng ở phía đối diện.

"Kết quả làm nổi bật vai trò của các cơ chế phản hồi trong các máy bơm cơ như tim."

Parker và các đồng nghiệp cũng tích hợp một hệ thống giống như máy điều hòa nhịp tim vào kết hợp sinh học: một cụm tế bào biệt lập kiểm soát tần số và sự phối hợp của các chuyển động này.

Nhà nghiên cứu vật lý sinh học Sung-Jin Park, đồng tác giả đầu tiên của nghiên cứu, giải thích: “Do hai cơ chế tạo nhịp bên trong, cá của chúng ta có thể sống lâu hơn, di chuyển nhanh hơn và bơi hiệu quả hơn so với nghiên cứu trước đây.

Sự co bóp trên diện rộng mô của cá sinh học có thể so sánh với cá ngựa vằn mà mô hình nuôi cá sinh học được mô phỏng - đẩy thiết bị nhỏ xung quanh hiệu quả hơn so với các hệ thống rô bốt cơ học.

"Thay vì sử dụng hình ảnh tim làm bản thiết kế, chúng tôi đang xác định các nguyên tắc lý sinh quan trọng giúp trái tim hoạt động, sử dụng chúng làm tiêu chí thiết kế và tái tạo chúng trong một hệ thống, một loài cá đang sống, bơi lội, nơi dễ dàng hơn nhiều để xem nếu Parker nói.

Nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí ScienceAlert.com