Yarım milimetrelik robot, tek sıra canlı kas hücresiyle mavi ışığı takip etti

Haberin merkezinde robotun labirenti geçmesi değil, ne kadar az hücreyle geçmesi var. Canlı dokuyla çalışan robotlarda bugüne dek alışılmış yöntem, laboratuvarda büyütülmüş kalın kas demetleri kullanmak. “Şu anda bizim grubumuzun ve başkalarının biyohibrit robotları, üretimi milyonlarca hücre gerektiren hacimli, üç boyutlu laboratuvar kası parçalarından yapılıyor” diyor Raman, MIT bülteninde. Bawa ve arkadaşları bunun yerine, insan saçından daha ince — 15 mikronun altında — tek hücre sırası kullandı. Makalenin verdiği rakamla, bu ince film birim kas hacmi başına üç boyutlu dokulardan 20 kat fazla kuvvet üretiyor.

Robotun künyesi

Aşağıdaki değerler makalenin kendisinden ve MIT bülteninden derlendi.

Neden canlı kas kullanılıyor?

Soru haklı: motor, piezo eleman ya da şekil hafızalı alaşım varken neden hücre yetiştirmekle uğraşılıyor? Cevap, kasın mühendislikte zor bulunan birkaç özelliği aynı pakette taşıması. Kas yumuşaktır, kendi kendini onarır, ortamdaki değişime tepki verir ve — en önemlisi — yakıtını kimyasal olarak taşır: besin ortamındaki şekeri doğrudan harekete çevirir, ayrı bir güç kablosu istemez.

Raman bu beklentiyi MIT bülteninde şöyle anlatıyor: “Canlı kasla çalışan biyohibrit robotların bir gün, alışılmış donanım için fazla kırılgan ya da fazla öngörülemez ortamları keşfetmek gibi hassas işleri yapabileceğine inanıyoruz; çünkü canlı doku yumuşak, çevresine duyarlı ve kendini iyileştirebiliyor.”

Suyun içinde çalışmak ayrıca kolaylık değil, zorluk: “Suda hareket etmek havada hareket etmekten çok daha fazla kuvvet ister. Robot, boyutuna göre oldukça güçlü” diyor Raman.

Işıkla komut: optogenetik nedir?

Robotun kasları doğal kaslar gibi sinir sinyaliyle değil, ışıkla çalışıyor. Bunu mümkün kılan yöntemin adı optogenetik: bir hücreye, ışık vurduğunda açılan bir iyon kanalı geni yerleştiriliyor. Kanal açılınca hücrenin içine kalsiyum akıyor, kas da kasılıyor. Burada kullanılan kanal, yeşil alglerden bilinen kanalrodopsin-2'nin 470 nanometreye — yani mavi ışığa — duyarlı bir çeşidi.

Pratik sonucu şu: robotun üstünde hiçbir elektronik yok. Kumanda tamamen dışarıda, araştırmacının elindeki ışık kaynağında. İki kanat ayrı ayrı aydınlatılabildiği için yön de buradan çıkıyor. Raman'ın benzetmesiyle: “Robotu birbirinden bağımsız iki kası varmış gibi düşünebilirsiniz. Yalnızca birine ışık tutarsak sadece o kas hareket eder. İkisine birden tutarsak ikisi de çırpar.”

MIT'nin resmî YouTube kanalının yayımladığı hızlandırılmış görüntüde, mavi ışık kanatlar arasında gezinirken robotun çırpışı ve dönüşü izlenebiliyor. Çekim MIT'nin kendi görüntü ekibinden Melanie Gonick'e ait.

Jelatin iskelet ve 25 mikronluk oluklar

İşin gerçek mühendislik kısmı hücrede değil, hücrenin üstünde durduğu zeminde. Kas hücreleri tek başına güçsüz; güç üretmeleri için uzun, birbirine paralel ve çok çekirdekli liflere kaynaşmaları gerekiyor. Lifler rastgele yönlerde dizilirse ürettikleri kuvvet birbirini götürüyor.

Ekibin geçen yıl yayımladığı, gözün irisinden esinlenmiş kas dokusunda hücreler eş merkezli ve ışınsal oluklara dizilmişti. Raman o çalışmanın sınırını açıkça söylüyor: “Bu kas mimarisinin sıfırdan üretildiğini daha önce kimse görmemişti. Hücreler birden fazla yönde hareket ediyordu. Ama yalnızca 100 mikron kadar yol alıyorlardı. Robotik açısından bakınca hareketleri çok küçüktü.”

Yeni robotta iki şey değişti. Birincisi malzeme: önceki tasarımlardaki fibrin jel fazla buruşuyordu, yerine daha sert bir jelatin metakrilat film geldi. İkincisi yüzeyin mikro dokusu: kavisli vadiler yerine 25 mikron kare kesitli oluklar basıldı. Hücreler bu kanalların içinde tek yöne hizalanıp kaynaştı. Raman'ın deyişiyle “her tür dokuyu üretirken bunların ayarlanabilir düğmeler olduğu biliniyor”; ekip de sertlikten oluk geometrisine kadar bu düğmeleri tek tek çevirmiş. Sonuç, makalenin kıyaslamasıyla, daha önceki iki boyutlu kas eyleyicilerinden 10 kat yüksek kuvvet.

Kaslara spor yaptırmak

Tasarımın en sevimli ayrıntısı, dokunun antrenman yapması. Ekip robotları suya bırakmadan önce kasları çalıştırdı: her gün 15 dakika, saniyede iki kez yanıp sönen ışık. Bu rutin, hiç çalıştırılmayan kontrol gruplarına göre kanat hareketini dört katına çıkardı. Yani laboratuvar kası da, tıpkı gerçek kas gibi, düzenli yüklenmeyle güçleniyor.

Dayanıklılıktaki fark ise asıl büyük rakam. Makalenin kendi ifadesiyle, kablosuz çalışma ömrü “10 dakikanın altından 30 günün üstüne” çıktı — yaklaşık 4.500 katlık bir iyileşme. Canlı dokuyla çalışan robotların en bilinen zaafı tam da buydu: doku birkaç gün içinde besinsiz kalıyor, bağ dokusu çöküyor, robot duruyordu.

Alanın arka planı: kas hücresiyle yüzen robotların on beş yılı

Bu robot boşlukta doğmadı. Canlı kasla yüzen makineler yaklaşık on beş yıllık bir çizgiyi izliyor:

• 2012 – denizanası taklidi: Harvard'daki Kevin Kit Parker ekibi, sıçan kalp kası hücrelerini silikon bir yaprağa dizip denizanası gibi atan bir yapı üretti; adını “medusoid” koydular.
• 2016 – ışıkla güdülen vatoz: Aynı grubun Science'ta yayımladığı çalışmada, altın iskelet üzerine optogenetik kalp kası hücreleri dizilmiş onda bir ölçekli bir vatoz, ışıkla yönlendirildi. Işığa yönelme anlamına gelen “fototaksi” terimi bu alana oradan girdi.
• 2022 – kendi kendine yüzen balık: Yine Parker grubu, insan kök hücrelerinden türetilmiş kalp kası hücreleriyle çalışan bir balık yaptı. İki yanın birbirini gerip kasılmayı tetiklediği kapalı bir döngü sayesinde balık 100 günden fazla, yaklaşık 38 milyon vuruş boyunca kendi başına yüzdü.
• 2026 – hız rekoru: Singapur Ulusal Üniversitesi ekibinin Nature Communications'ta tanıttığı “OstraBot”, iki kuyruklu bir yüzücü. Birbirine karşı çeken iki kas dokusu, geliştikleri sırada kendi kendilerini çalıştırıyor. Sonuç: dakikada 467 milimetre, yani 15,6 gövde boyu — iskelet kasıyla çalışan robotlarda bilinen en yüksek hız.

Bu sıralama MIT robotunun yerini de netleştiriyor: en hızlı o değil. OstraBot ondan yaklaşık dört kat hızlı yüzüyor. MIT'nin iddiası hız değil verim: aynı işi çok daha az hücreyle, çok daha ince bir katmanla yapmak. Daha az hücre, daha küçük ve daha ucuz robot demek — çünkü laboratuvar kası yetiştirmenin maliyeti neredeyse doğrudan hücre hacmiyle ölçülüyor.

Bulgunun sınırı

Makalenin kendisi sınırları saklamıyor, ki bu iyi bir işaret. Dört başlıkta toplanabilir.

Yorgunluk. Doku kültürde 30 günden fazla canlı kalıyor, ama kesintisiz çalışma başka bir şey. Saniyede iki darbeyle aralıksız uyarıldığında robotun hızı ilk 15 dakikada belirgin biçimde düşüyor, 15–30 dakika arasında bir kez daha düşüyor ve 30. dakikada ölçülebilir ileri hareket kalmıyor. Yani “bir aylık ömür” ile “bir aylık çalışma” aynı şey değil.

Laboratuvar koşulu. Robot bir petri kabında, hücre besi ortamında, kontrollü sıcaklıkta yüzüyor. Fare hücrelerinin beslenmesi, pH'ı ve sterilliği bu ortamın işi. Bir gölde ya da denizde ne kadar dayanacağı bu çalışmanın yanıtladığı bir soru değil; makalenin kapsamı dışında.

Tek hücre hattı, tek yön. Yazarların kendi listesinde üç açık nokta var: tek bir hücre hattına bağımlılık, kas liflerinin tek eksende hizalanması ve iskelet biçimlerinin basitliği. Tek yönde kasılan bir kas, tek tür hareket üretiyor.

Kumanda dışarıda. Robotun üstünde ne denetleyici ne güç kaynağı var. Yönü belirleyen şey, insanın elindeki ışık. Otonom bir araçtan söz edebilmek için ışığın ya da eşdeğer bir uyarının gemiye binmesi gerekiyor — bu da ağırlık, enerji ve ısı sorunlarını geri getiriyor.

Hız meselesini somutlaştırmak için MIT bülteninin kendi kıyasını kullanmakta sakınca yok: olimpik yüzücüler dakikada 65 gövde boyuna kadar çıkabiliyor; robotun dakikada dört gövde boyluk temposu ise inek köpekbalıklarının sakin seyrine denk geliyor. Minik bir makine için fena değil, ama “su altı keşif aracı” lafının henüz ne kadar uzağında olduğunu da gösteriyor.

Sırada ne var

Ekibin açıkladığı ilk hedef mütevazı: “Sıradaki amacımız, daha hızlı yüzmeyi sağlayacak şekilde gövde tasarımını iyileştirmek” diyor Raman. Araştırma kısmen ABD Deniz Kuvvetleri Araştırma Ofisi tarafından desteklendi.

Asıl açık soru ise tasarımın bir basamak üstünde: bu kadar ince bir kas filmi, kendi uyarısını da taşıyabilir mi? Çünkü biyohibrit robotik şu an iki ayrı yarışı birden koşuyor — biri kasın gücünü ve ömrünü artırmak (OstraBot'un yolu), öteki kası incelterek bütün makineyi küçültmek (MIT'nin yolu). İkisi bir araya geldiğinde ortaya çıkacak şey, bugün petri kabında ışığı takip eden şeritten epey farklı olacak. Ama hâlâ pille değil, şekerle çalışacak.

Fotoğraf: Darryl Leja, National Human Genome Research Institute, National Institutes of Health, Public domain, Wikimedia Commons