Představte si list buněk, který se po uvolnění z povrchu, na němž vyrostl, sám složí do určitého trojrozměrného tvaru, o němž výzkumníci předem rozhodli. To není sci-fi: mezinárodní skupina vedená Katalánským institutem pro bioinženýrství právě prokázala, že je to možné, a své výsledky zveřejnila v časopise Science.
Ne tvarování, ale uspořádání zevnitř
Tvarování živé hmoty bylo po desetiletí jednou z nejnepolapitelnějších výzev bioinženýrství. Biologické tkáně se nechovají jako inertní materiály: rostou, reorganizují se a vytvářejí vlastní síly. Tvarovat je zvenčí se rovná práci se systémem, který má vlastní mechanickou vůli. Přístup katalánského týmu staví problém na hlavu: místo vnucování vnějšího tvaru organizují buňky zevnitř, takže se tkáň tvaruje sama.
Na práci se podílí také Universitat Politècnica de Catalunya, Mezinárodní centrum pro numerické metody v inženýrství (CIMNE) a Evropská laboratoř molekulární biologie. Společně se jim podařilo vytvořit živé tkáně, jejichž trojrozměrnou deformaci lze předem naprogramovat.
Defekty, které nejsou defekty
Mechanismus je založen na konceptu převzatém z fyziky materiálů: nematický řád. V mnoha tkáních mají protáhlé buňky tendenci řadit se za sebou jako vlákna v tkanině. Toto uspořádání však nikdy není dokonalé. Existují místa, kde se porušuje, malé oblasti, které vědci nazývají topologické defekty. Ačkoli název naznačuje chybu, tyto defekty fungují jako skutečná centra síly, místa, kde se tkanina tlačí, smršťuje nebo skládá.
Rozhodující přínos týmu spočívá v tom, že se naučil tyto defekty umístit přesně tam, kde je chce mít. Pau Guillamat, který výzkum vede, vysvětluje: „Klíčové je, že můžeme rozhodnout, kde tyto defekty budou, a kde se tedy budou v tkáni vytvářet síly.
Chemická choreografie pro buňky
Jak řídit orientaci buněk? Výzkumníci navrhli povrchy s chemickými mikropatterny, jakousi téměř neviditelnou mapou nakreslenou pomocí proteinů, které přitahují buňky. Na těchto liniích buňky přilnou a zarovnají se; okolní plochy jsou pro ně naopak nehostinné. Výsledkem je, že buňky následují vzor, jako by prováděly pečlivě napsanou choreografii.
A tato choreografie má přímé mechanické důsledky. Jak shrnuje Guillamat, „orientace buněk řídí síly a síly mohou řídit vytváření trojrozměrného tvaru“.
Uvolnění tkáně: okamžik pravdy
Dokud zůstává buněčný list připevněn k povrchu, jsou všechny tyto vnitřní síly zadržovány. Guillamat k tomu používá domácí přirovnání: „Je to jako elastický plát napnutý a na okrajích pevný. Dokud je držen, nedeformuje se, ale když se uvolní, přijme novou geometrii určenou vnitřním napětím“.
Totéž platí pro živou tkáň. Když ji zařízení oddělí od podpěry, list se složí a smrští přesně do takového tvaru, jaký byl naprogramován. Neexistuje žádná nahodilost: deformace se řídí předem navrženým vzorem orientace buněk. Pouze zde napětí nepochází od žádného vnějšího činitele, ale z vlastní činnosti buněk.
Modely, které předpovídají tvar
Aby byl systém skutečně užitečný, potřebovali vědci přesně předpovědět, jaký tvar každá tkáň přijme na základě svého buněčného vzoru. Marino Arroyo, odborník na výpočetní inženýrství, vedl vývoj teoretických modelů a simulací schopných tento kvantitativní vztah stanovit. Naše modely nám umožnily určit mechanismus, kterým orientace buněk vede k trojrozměrnému skládání, a také poskytují kvantitativní vztah mezi vzorem a tvarem,“ říká Arroyo.
Jinými slovy, tým vytvořil autentický jazyk, který převádí buněčnou organizaci na geometrii. Xavier Trepat, spoluautor studie, zdůrazňuje rozsah toho, čeho bylo dosaženo: „Ukazujeme, že můžeme navrhnout tvar, který živá tkáň přijme, jednoduše tím, že budeme řídit, jak jsou její buňky orientovány. Klíčovým slovem, jak Trepat zdůrazňuje, je „design“, protože znamená skok od pozorování biologie k jejímu řízení.
Aplikace sahají od medicíny až po robotiku
Důsledky sahají daleko za hranice laboratoře. V oblasti tkáňového inženýrství by tato technika mohla umožnit výrobu trojrozměrných struktur bez použití umělého lešení, přičemž by se biologický materiál mohl organizovat sám. V biohybridní robotice, oboru, který kombinuje živé a umělé komponenty, se otevírají dveře pohybovým systémům poháněným živými tkáněmi, které fungují jako aktuátory. A v oblasti inteligentních materiálů tento objev ukazuje na živé povrchy schopné měnit tvar a dokonce i funkci, když dostanou podnět.
Tyto systémy lze považovat za živé materiály, které vytvářejí programovatelné síly a tvary a mohou také integrovat informace a inteligentně reagovat,“ uzavírá Guillamat. Je to dokonalý nástroj pro pochopení toho, jak orientační vzorce buněk ovlivňují mechaniku a vývoj složitých tkání.
V pozadí celé práce je hluboká změna paradigmatu. Inženýrství se již desítky let snaží vnutit živé hmotě tvary. Tato studie naznačuje, že nejefektivnější cestou vpřed může být přesný opak: našeptávat jí pokyny, aby se tvarovala sama.