Een halfleven van siliconen en hart

Wetenschapper Janna Nawroth maakte een kwal van siliconen en spiercellen uit een rattenhart. Maakt dat de kunstkwal een robotje met biologische voortstuwing of een synthetisch organisme?

Redacteur Biologie

Hij zwemt als een kwal, ziet eruit als een kwal, maar is gemaakt van siliconenrubber 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 deze kunstkwal en beschreef het staaltje biotechniek vorige week in het tijdschrift Nature Biotechnology.

De keuze voor een kwal als primitief synthetisch dier is niet vreemd. Kwallen hebben een simpele lichaamsbouw en de manier waarop ze zwemmen wordt goed begrepen: een kwal zwemt wanneer hij een ringvormige spier in zijn lijf (de ‘klok’) samentrekt (de ‘samentrekslag’). De elastische gelei in die klok brengt de kwal daarna in zijn oorspronkelijke vorm terug (de ‘herstelslag’).

Het idee om een kwal na te bouwen ontstond tijdens een bezoek van hartonderzoeker Kit Parker aan het kwallenlab in Californië waar Nawroth werkt, schrijft zij in antwoord op vragen per e-mail. „Parker merkte 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. Een maf idee, maar we realiseerden ons dat nog nooit iemand met biologisch materiaal een biologisch systeem heeft geconstrueerd.”

Om een kwal na te bouwen, moest Nawroth toch eerst de bouw van de dieren beter begrijpen. Daartoe bracht ze het spier- en zenuwstelsel van larven van de oorkwal (Aurelia aurita) in kaart. Deze larven (ephyra, in het jargon) zijn niet cirkelvormig zoals veel volwassen kwallen, maar hebben acht lobvormige armen.

Nawroth zag dat zenuwcentra in de acht lobben de spieren van de larve gecoördineerd laten samentrekken en zo het ritme van de zwemslagen bepaalden. Een schijf gemaakt van een elastisch polymeer waarop een laag hartspiercellen is geënt zou dat kunnen nabootsen, redeneerden Nawroth en haar collega’s. In een pulserend elektrisch veld trekken hartspiercellen synchroon samen, zonder dat daarvoor zenuwcellen nodig zijn. En de herstelslag ontstaat vanzelf wanneer het elastische schijfje terugbuigt.

In haar eerste poging een kwal na te bouwen, volgde Nawroth de natuur nog nauwgezet. Op het siliconenrubberen schijfje stempelde ze de eiwitten waar de hartspiercellen aan moeten hechten, precies waar ook de spieren van levende kwallenlarven lopen, in een ring rond het midden van de schijf. Dit ontwerp faalde. De armpjes van het nepkwalletje bewogen wel, maar het knutselwerkje kwam amper vooruit.

De rubberen schijf was te homogeen, realiseerde Nawroth zich. Een kwallenlichaam is alleen tot klokvorm te buigen als de kwallengelei op sommige plekken stijver is dan elders. Maar het rubber van Nawroths nepkwallen had die eigenschap niet. Ze ontwierp daarom een nepkwal met acht uitloperspieren, die elk afzonderlijk een arm buigen.

Nawroth paste ook de vorm van de armen aan. Ze maakte de uiteinden wat breder en waaiervormig. Door deze aanpassingen konden de kunstkwallen uiteindelijk zwemmen.

De kwalletjes van Nawroth ‘leven’ hooguit een uur – het voortdurend samentrekken beschadigt de hartspiercellen. Bovendien zwemmen ze ‘hersenloos’. Door meerdere celtypen en materialen te integreren, hoopt Nawroth een synthetisch organisme te kunnen maken dat op zijn omgeving kan reageren.

Wat is Nawroths volgende stap, nu ze een functionerend kwalletje heeft gemaakt? „Voorlopig wil ik meer ongewervelde dieren uit zee ontwerpen, omdat hun bottenvrije lichamen zo makkelijk van vorm en stijfheid veranderen, iets wat door de mens gemaakte materialen en apparaten meestal niet kunnen. Zeekomkommers kunnen het ene moment stijf en stug zijn, het volgende moment zijn ze zacht en wurmen ze zich door kleine gaatjes.”

Bekijk filmpjes van zwemmende nepkwallen op www.nrc.nl/wetenschap