Zvětšit obrázek

Vlevo nahoře: Struktura jednoho segmentu skutečné medúzy byla znásobena a kopie pak pootočeny tak, aby vytvářely kruhový osmiramenný obrazec, který poskytl návod na uspořádání svalových vláken. Vpravo: Porovnání jednotlivých etap analýzy svalstva skutečné mladé medúzy a projektování svalstva té umělé. Vlevo dole: Uspořádání svalových buněk na rozhraní ramene a klobouku skutečné mladé medúzy. Vpravo: Barvou zvýrazněná struktura svalové tkáně medúzoida v roztoku podobném mořské vodě. Kredit: Janna Nawroth, Caltech

Když začnou spolupracovat vědci z dvou proslulých institucí, jakým je Kalifornský technický institut v Pasadeně, známý pod zkratkou CalTech, a jakou je Harvardova univerzita v massachusettském Cambridge, lze očekávat zajímavý výsledek. Nyní má podobu malé, ani ne centimetrové umělé medúzy, kterou autoři nazvali medúzoidem. Jeho jednoduché osmiramenné tělo z tenké silikonové folie se ve vhodném kapalném médiu pohybuje podobně jako přírodní vzor, jeho pohon však zajišťují kontrakce svalových vláken z potkaního srdce. Myšlenka se zrodila v hlavě Kevina K. Parkera, bioinženýra z Fakulty strojírenství a aplikované vědy Harvardu: „V roce 2007 mě napadlo, že jsme nepochopili základní zákony svalových pump. Začal jsem si všímat mořské organismy, které je používají k přežití. Když jsem pak viděl medúzy v akváriu v Nové Anglii, okamžitě jsem si uvědomil podobností i rozdíly mezi tím, jak pumpuje tělo medúzy a jak lidské srdce. Ty podobnosti pomáhají odhalit to, co musíte udělat, když chcete navrhnout čerpadlo podle přírodního vzoru.“

Biofyzik Kevin Kit Parker, Wyss Institute, Harvard University

Kevin se s nápadem stvořit pomocí buněk srdečního svalu laboratorní verzi medúzy obrátil na Johna O. Dabiriho, profesora aeronautiky a bioinženýrství v Caltechu, odborníka na všechny druhy přírodou vynalezených pohonů a školitele Janny Nawrothové. Protože Kevinovo nadšení Dabirimu neumožnilo podezřelý návrh okamžitě zamítnout, tato mladá doktorandka je nyní první autorkou a její šéf spoluautorem zajímavé studie, která je výsledkem spolupráce. Její výsledky jsou shrnuty v článku zveřejněném v časopisu Nature Biotechnology.

Vědci nejdříve museli do detailů pochopit, jak má medúza uspořádaná svalová vlákna, jak její zvonovité tělo smršťují a uvolňují tak, aby se díky tomuto pumpování pohybovalo kýženým směrem. A také prozkoumat, jak při tom proudí okolní kapalina a jaké dynamické jevy dopomáhají k této zvláštní formě „plavání“. Pak hledali způsob, jak vše v laboratoři napodobit.

Základem každého pohybu je činnost svalů. Buněčná vlákna toho srdečního – myokardu – jsou podobně jako u svalů kosterních složená z podélných, souběžně uložených vlákének – myofibril. Ty jsou pak tvořeny další podstrukturou s pravidelně se opakujícím uspořádáním dvou různých proteinových „nitek“ (filamentů). Myofibrily, které se díky této vnitřní stavbě jeví v zorném poli mikroskopu jako příčně pruhované, jsou základním prvkem zajišťujícím vysokou pružnost svalových vláken – myocytů. I ty jsou v tkáni naskládány podélně vedle sebe a pracují velmi synchronizovaně, rychle se jimi šíří mechanické, chemické nebo elektrické stimuly. To vše je nezbytné pro správnou funkci příčně pruhovaných svalů. Američtí vědci tedy potřebovali dosáhnout, aby uspořádání svalových vláken medúzoida připomínalo to, které evoluce vytvořila v těle medúzy.

Zvětšit obrázek

Nahoře: Porovnání živého vzoru a umělé napodobeniny. Dole: porovnání svalové struktury obou systémů i s detailními záběry na podélné uspořádání svalových vláken. Kredit: Janna Nawroth, Caltech

Nedobrovolným dárcem srdce bylo novorozeně laboratorního potkana. Vědci z jeho srdeční komory separovali svalové buňky (myocyty), jež po několik dnů kultivovali na živném substrátu v  Petriho misce. Buněčnou kulturu pak nanesli na velmi tenkou silikonovou folii z polymeru polydimetylsiloxanu (PDMS) ve tvaru necelý centimetr velkého „květu“ s osmi květními lístky – rameny budoucího medúzoidu. Ještě před tím však na povrchu tohoto silikonového substrátu vytvořili další tenkou vrstvu z cíleně uspořádaných molekul glykoproteinu fibronektinu. Tato bílkovina, jež je běžnou součástí mezibuněčné hmoty, se navazuje na povrch buněk, a tak pomáhá udržovat vnitřní strukturu našich tkání.

Biofyzikové tedy pomocí vláken fibronektinu poskládali jakési tenké bílkovinné lešení, jehož cíleně projektovaná konstrukce přinutila množící se myocyty navázat se na silikon organizovaně podle plánu. Pak už jen stačilo umělé medúze vdechnout život, vlastně pohyb, pomocí pravidelných slabých pulzů stejnosměrného elektrického produ o napětí jen několika voltů (při experimentech pod mikroskopem intenzita pole dosahovala 2,5 V/cm, při disciplině „volné plavání“ napětí při pulzech bylo 6 V). Kapalina, v níž malé laboratorní „stvoření“ plavalo, připomínala mořskou vodu, byla vodivá díky chloridům vápníku, hořčíku, draslíku a sodíku, což jsou prvky pro práci buněk srdce nezbytné.

Následující video představuje medúzoida, o němž Kevin Kit Parker s jistou dávkou nadsázky tvrdí, že z morfologického i funkčního hlediska jde o medúzu, ale z genetického je potkanem. Kredit: Caltech

Design a princip medúzoida (a „stvoření“ jemu podobných) si Američané nechali patentovat. Další verzi by totiž měly pohánět kontrakce svalových vláken lidského srdce, což by například umožnilo testování kardiologických léků. Parker svou představu přibližuje slovy: „Byl vám předepsán lék na srdce? Dovolte, abych trochu z něho dal na mojí medúzu a řeknu vám, jestli srdeční pumpu podpoří.“

Video: Životní cyklus talířovky ušaté (Aurelia aurita). Druhá polovina videa prozrazuje, proč právě mladé medúzy inspirovaly Kevina Parkera k stvoření medúzoida. Kredit: SunsetMarineLabs

Zdroje: Caltech, Nature Biotechnology