Wetenschappers maken zwemmende kunstkwal van rattenhartcellen en rubber

Hij zwemt als een kwal, ziet eruit als een kwal, maar is gemaakt van silliconenrubber en spiercellen uit een rattenhart. Zwemmen doet hij pas als zijn waterbadje in een pulserend elektrisch veld wordt geplaatst. Janna Nawroth van het California Institute of Technology in Pasadena bedacht en ontwierp deze kunstkwal met haar collega’s. Ze beschreef het staaltje biotechniek afgelopen zondag in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Biotechnology.

In onderstaand filmpje is te zien hoe de nepkwallen, door Nawroth medusoids gedoopt, nog een beetje schokkerig door het water zwemmen. De hartspiercellen volgen trouw het ritme van het elektrische veld, dat met een frequentie van 1 Hertz pulseert:

Net als bij echte kwallen, zwemmen de synthetische medusoids met twee slagen. In de eerste slag trekken de spiercellen zich samen, en krijgt het nepkwalletje de karakteristieke klokvorm. Na deze eerste slag, volgt de ‘herstelslag’, waarbij de kwal zijn oorspronkelijke vorm terugkrijgt. In een levende kwal gebeurt dit omdat de klok vooral uit elastische gelei bestaat, bij de medusoids zorgt het rubber waarop de hartspiercellen zijn geënt voor het terugveren.

Bij haar eerste ontwerpen, volgde Nawroth de natuur nog nauwgezet. Ze liet de hartcellen precies groeien waar ook de spieren van levende kwallen lopen, in een ring rond het centrum van de schijf. Maar dit synthetisch diertje kon niet zwemmen. De armpjes van het nepkwalletje bewogen wel, maar het knutselwerkje kwam niet vooruit:

Er waren twee aanpassingen voor nodig om het kunstkwalletje te laten zwemmen. Het eerste probleem was dat de rubberen schijf te homogeen is. Een kwallenlichaam is alleen tot klokvorm te buigen omdat de kwallengelei op sommige plekken stijver is dan elders. Maar het rubber van Nawroths nepkwallen had die eigenschap niet. De ringvormige spier was niet in staat het rubber genoeg te verbuigen. Ze ontwierp daarom een nieuwe nepkwal met acht uitloperspieren, zodat elke arm zich afzonderlijk laat buigen.

De vorm van de armen vormden het volgende obstakel. Nawroth:

„Het water waarin onze kwallenkopieën zwemmen heeft een temperatuur van 37 °C, dat is veel warmer dan het zeewater waarin levende oorkwallen zwemmen. Omdat warm water minder viskeus [stroperig]is, ‘lekte’ er water door de armpjes bij elke slag.”

Nawroth dichtte het lek door de vorm van de armen aan te passen: waaiervormig uitlopend, in plaats van met gelijke breedte. Het kost vier dagen om een kwalletje te kweken. De hartspiercellen groeien op het rubber dat om een titanium mal is gespannen. Overigens leven de ‘diertjes’ maar een uurtje. Daarna zijn de harspiercellen alweer versleten.

Het idee om een kwal na te bouwen ontstond tijdens een bezoekje van hartweefselonderzoeker Kit Parker aan het kwallenlab in Californië waar Nawroth werkt:

„In Parkers lab bestuderen onderzoekers de ontwikkeling en ziekten van het hart. Daartoe groeien ze bijvoorbeeld gezond en ziek hartspierweefsel op dunne membraantjes die samen kunnen trekken. Toen Parker ons lab bezocht, merkte hij op dat mijn kwallenlarfjes wel wat weg hebben van kleine hartjes. Hij stelde voor om er eentje na te maken met de weefselkweektechnieken die hij had ontwikkeld.

Nawroth creëerde de medusoids niet voor de lol. Ze ziet in haar onderzoek nieuwe biologische systemen te ontwerpen, die voorheen onmogelijk waren:

“Aanvankelijk was het een maf idee, maar toen we er serieus over nadachten, realiseerden we ons dat nog nooit iemand met biologisch materiaal een biologisch systeem heeft ontworpen en geconstrueerd. Het probleem van cellen en weefsels is dat hun eigenschappen niet makkelijk te voorspellen zijn, zoals bij traditionele materialen als metalen en plastics. Met ons onderzoek laten we zien dat het wel mogelijk is biologische én kunstmatige onderdelen bij elkaar te brengen, en wel op zo’n manier dat er functies ontstaan die wij van tevoren voorspelden.”