Hình ảnh một con cá nhân tạo với chiếc đuôi đánh nhẹ về hai phía di chuyển nhịp nhàng khắp nơi trong dung dịch muối và glucose chắc chắn làm bạn bất ngờ. Tuy nhiên, bạn sẽ còn bất ngờ hơn khi biết nó sử dụng tế bào tim người để mô phỏng lại hoạt động vật lý của một quả tim đang bơm máu.
Những hiểu biết từ nghiên cứu trên có thể cho phép y học đào sâu hơn về 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”.
Việc tạo ra một sản phẩm trông giống một trái tim không khó, nhưng để nó có thể hoạt động trơn tru trong cơ thể sinh vật sống là nhiệm vụ rất phức tạp. Con cá nhân tạo này chính là bước tiến lớn hướng đến mục tiêu trên, nó dựa trên dự án sử dụng cơ tim chuột để chế tạo một máy bơm lai sinh học (biohybrid - kết hợp vô cơ và hữu cơ) cho con sứa, sau đó là một con cá đuối cơ khí hóa (cyborg).
“Xây dựng tính vật lý cho một hệ thống hoạt động hơn một tỷ lần trong suốt cuộc đời một người, đồng thời tái sản xuất các tế bào của nó một cách nhanh chóng không phải là nhiệm vụ đơn giản. Nó đầy tính thách thức”, Parker nói.
Mỗi lần co cơ sẽ tự động kích hoạt phản ứng co ở phía còn lại
Uốn cong vật lý là chuyển động cơ học làm kích hoạt tín hiệu điện hình thành các kênh ion trong cơ. Kênh ion này khiến nhóm cơ kích hoạt và co lại.
Để hệ thống tiếp xúc với streptomycin và gadolinium - chất gây rối loạn các kênh ion trong cơ - sẽ làm giảm tốc độ bơi đồng thời phá vỡ mối quan hệ giữa sự kéo căng cơ học cũng như sự kích hoạt của cơn co thắt tiếp theo ở phía bên kia. Điều này khẳng định rằng kênh ion liên quan mật thiết đến quá trình 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 tái tạo chu kỳ khi mỗi cơn co thắt sẽ kèm theo phản hồi đối với sự kéo căng bên đối diện. Kết quả nhấn mạnh vai trò của cơ chế phản hồi trong hệ thống bơm bằng cơ như trái tim”.
Parker và các đồng nghiệp cũng tích hợp một hệ thống giống như máy điều hòa nhịp tim vào con cá lai sinh học: một cụm tế bào độc 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: “Nhờ hai cơ chế tạo nhịp bên trong, con cá của chúng tôi 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 mô rộng của cá lai sinh học - xây dựng dựa trên hình mẫu cá ngựa vằn - có hiệu quả đẩy cao hơn 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 con cá còn sống đang bơi lội chắc chắn sẽ dễ dàng để quan sát và kiểm tra hơn”, Parker nói.
Nguồn: Sciencealert
Mục đích nghiên cứu
Thực chất con cá này là một sản phẩm của các nhà khoa học tại Đại học Harvard và Emory. Nó là một hệ thống tuần hoàn thu nhỏ, có thể duy trì hoạt động bơi lội theo nhịp trong hơn 100 ngày. Đây là sản phẩm được nuôi cấy từ tế bào cơ tim sống của con người.Những hiểu biết từ nghiên cứu trên có thể cho phép y học đào sâu hơn về 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”.
Việc tạo ra một sản phẩm trông giống một trái tim không khó, nhưng để nó có thể hoạt động trơn tru trong cơ thể sinh vật sống là nhiệm vụ rất phức tạp. Con cá nhân tạo này chính là bước tiến lớn hướng đến mục tiêu trên, nó dựa trên dự án sử dụng cơ tim chuột để chế tạo một máy bơm lai sinh học (biohybrid - kết hợp vô cơ và hữu cơ) cho con sứa, sau đó là một con cá đuối cơ khí hóa (cyborg).
“Xây dựng tính vật lý cho một hệ thống hoạt động hơn một tỷ lần trong suốt cuộc đời một người, đồng thời tái sản xuất các tế bào của nó một cách nhanh chóng không phải là nhiệm vụ đơn giản. Nó đầy tính thách thức”, Parker nói.
Nguyên lý hoạt động
Với hai lớp tế bào cơ tim ở mỗi bên của vây đuôi, cá lai sinh học được xây dựng để có thể tự duy trì chuyển động của mình. Khi một bên bóp chặt còn bên kia bị kéo căng, nó sẽ kích hoạt cơ chế phản hồi khiến bên bị kéo căng co lại, sau đó lặp lại với phía bên kia trong một chu kỳ liên tục. Hệ thống này dựa trên cơ bay của côn trùng.
Uốn cong vật lý là chuyển động cơ học làm kích hoạt tín hiệu điện hình thành các kênh ion trong cơ. Kênh ion này khiến nhóm cơ kích hoạt và co lại.
Để hệ thống tiếp xúc với streptomycin và gadolinium - chất gây rối loạn các kênh ion trong cơ - sẽ làm giảm tốc độ bơi đồng thời phá vỡ mối quan hệ giữa sự kéo căng cơ học cũng như sự kích hoạt của cơn co thắt tiếp theo ở phía bên kia. Điều này khẳng định rằng kênh ion liên quan mật thiết đến quá trình 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 tái tạo chu kỳ khi mỗi cơn co thắt sẽ kèm theo phản hồi đối với sự kéo căng bên đối diện. Kết quả nhấn mạnh vai trò của cơ chế phản hồi trong hệ thống bơm bằng cơ như trái tim”.
Parker và các đồng nghiệp cũng tích hợp một hệ thống giống như máy điều hòa nhịp tim vào con cá lai sinh học: một cụm tế bào độc 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: “Nhờ hai cơ chế tạo nhịp bên trong, con cá của chúng tôi 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 mô rộng của cá lai sinh học - xây dựng dựa trên hình mẫu cá ngựa vằn - có hiệu quả đẩy cao hơn 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 con cá còn sống đang bơi lội chắc chắn sẽ dễ dàng để quan sát và kiểm tra hơn”, Parker nói.
Nguồn: Sciencealert
