Kit Parker 用硅胶和来自大鼠心脏的肌肉细胞构建了一个人造水母。当将其置于电场中时，它会像真正的水母一样搏动和游动。这个奇特生物是 Parker 努力理解肌肉工作方式的一部分，以便他能更好地设计心脏组织。它有一个奇怪的预期用途：Parker 想用它来测试心脏药物。我为《自然》杂志报道了他的这项工作，所以请前往那里阅读主要故事。同时，这里是我与 Parker 关于水母的完整采访。他是一位非常出色的受访者——你可以想象他几乎是在 shouting 着说这些东西。用大鼠组织构建水母并不是一个典型的日常想法。这个想法是怎么来的？ 我的团队从事心血管研究，我花了很多时间思考如何为早期药物发现构建工具。我们以制造执行器和可测量收缩性的东西而闻名，并利用微尺度组织工程在芯片上构建组织。几年前，我对这个领域感到非常沮丧。制药公司在尖叫，因为他们的药物研发管线正在枯竭。我们没有好的方法来治疗临床上的许多心脏疾病。我突然意识到，原因可能是我们未能理解肌肉泵的基本规律。我开始寻找一个更简单的系统的灵感。那是 2007 年末，我去新英格兰水族馆参观。我看到了水母展，然后它如闪电般击中了我。我想：我知道我可以做到。那个春天，我们迎来了一位访客：来自加州理工学院的 John Dabiri，一位著名的流体力学家。他从事各种物种的推进研究。他在走廊里散步，我拉住了他，说：John，我认为我可以造一个水母。他不知道我是谁。他看着我，好像我头部长了一个角，但我当时非常兴奋，挥舞着手臂，我想他害怕说不。所以，他说好的。他派了一名研究生 Janna Nawroth 到我的实验室四年。我论文中的三位博士后现在已经是教授了——这是我们在这项计划中投入的顶尖人才。你们到底做了什么？ 我们观察了一只水母，进行了大量研究来理解它是如何激活其肌肉的。我们研究了它的推进方式，并绘制了每个细胞的位置图。我们使用了一个几年前开发的软件程序，该程序是从执法机构借来的，用于对指纹进行定量分析，然后我们用它来分析细胞内的蛋白质网络。我们很快就发现了一些非常有趣的东西：水母用来协调其搏动的电信号与心脏的电信号完全相同。在心脏中，动作电位 [沿着神经传播的电信号 - 编辑] 作为波浪穿过心肌。这就是你获得这种平滑收缩的原因。激活必须像滴水入水一样传播。水母也发生同样的情况，我认为这不是偶然的。我的猜测是，为了获得一个肌肉泵，电活动必须作为波前传播。在我们有了每个细胞位置的地图后，我们把一只老鼠拆开，然后把它重建成一只水母。为什么研究水母？ 我们使用的水母是幼体的——它就像一个薄的细胞单层。这是一个非常简单的结构来构建。这件好事是，大多数组织工程只是手工艺。我们将细胞扔在一起，然后说，“它看起来像肝脏；有一堆细胞”。或者我们将心肌细胞放在一起，希望我们能构建出心脏的碎片。但如果我要建造一架飞机或一座桥梁，我们不会只把混凝土和铝合金扔在一起。我们对基质进行机械测试。我们有数学模型和计算机模拟来理解飞机的飞行。我们知道桥梁将如何工作。有些工程师用铜、混凝土或钢铁建造。我用细胞建造东西。如果我要成为一名工程师而不是一名艺术家，我将需要将质量控制方法融入我的工作中。没有人会乘坐飞机，除非他们已经进行了计算机模拟，并假设他们已经按照允许的公差进行了制造。这不仅仅是猜测。没有人愿意将组织工程的心脏或其他器官植入体内，除非他们有一些制造商的规格。水母的绝妙之处在于你可以进行所有这些高度定量的推进研究。这就是为什么我需要 John Dabiri 的团队——他们在生物推进领域是世界上最好的。我们能够定量匹配我们的人造水母——我们工程化的水母——与真正的水母完全相同的推进特性。最有趣的是，水母的嘴在钟罩内。为了喂养自己，它在动力冲程中产生一个涡流，将颗粒状物质向上抛向它的嘴。我们认为如果我们做得好，如果我们真的做得好，我们将能够重现那个涡流，而且我们做到了。我们发现这取决于细胞内蛋白质网络的某些非常精确的组织。整个想法是将工程设计方法与组织工程相结合，采用一套非常严格的参数来证明我们的组织工程水母非常像水母。形态上，我们建造了一个水母。功能上，我们建造了一个水母。遗传上，这个东西是一只老鼠。所以，水母不是终点。构建它并让它像普通水母一样运作的目的是为了展示你对细胞如何工作的理解有多深？ 是的，但取决于你看待它的角度。对于对水母如何游泳感兴趣的海洋生物学家来说，我们已经证明了肌肉结构和细胞内蛋白质排列对于水母生存和进食的重要性。水母科学家会从不同的角度看待这个问题，而不是那些试图模仿生物推进的人。他们会将其视为如何构建一个可以通过这种蠕动泵推自己的东西。组织工程师将其视为以可能达到的最高标准将组织工程方法应用于组织工程，而这以前从未做过。如果你是一名心血管生理学家或一家从事药物发现的公司，你会看着这个说：哇，多年来，我们在培养皿中测量到的只是收缩性。但收缩性和搏动之间有很大的区别。现在我们已经证明了我们可以在培养皿中构建一个肌肉泵。你有一个心脏药物吗？让我把它放在我的水母上，我会告诉你它是否能改善搏动。任何药物生命周期的前两三年总是花在培养皿中。我们为此及其变体申请了专利，用于药物发现分析。下一步是看看我们是否可以用人类细胞构建它。我们可能会为实际的药物测试构建水母的变体。在你的论文中，你将水母描述为一种合成生物。 通常当我们谈论合成生命形式时，有人会取一个现有的活细胞并放入新的基因，使其表现出不同的行为。那是合成生物学，但我认为这有点言过其实。我们建造了一个动物。我认为我们正在将合成生物学提升到一个新的水平。这不仅仅是关于基因。这是关于形态和功能。那么这项研究让你对理解“肌肉泵的基本规律”更进一步了吗？ 是的，它做到了。心脏和你的肠道都有动作电位波前在组织中传播。我们将尝试在章鱼和鱿鱼身上做到这一点，但我的猜测是，为了获得一个肌肉泵，你必须以同样的方式组织电活动。你有一个清晰的波前，而不是沿着一维神经纤维的单个脉冲。它必须像波前一样传播。我们还发现，水母的肌肉细胞的形状与心肌细胞的形状截然不同。但如果我们剥离细胞的外层，细胞内的蛋白质网络在普遍构建方式上是相同的，并且在细胞聚集体之间也是以同样的方式排列的。我们认为结构产生功能。我真正高兴的是，我的团队在心脏方面学到的关于结构和功能的一切，同样适用于水母。我觉得我们在这里学到了一些基本生物学知识。有些人通过解构事物来进行基础生物学研究。工程师以不同的方式进行基础科学研究。我们所做的，是通过从零开始构建来学习基础科学。下一步是什么？ 诱饵。组织工程诱饵。我想去钓鱼，并且拥有一个好得多的诱饵。这是唯一能打动我家人的东西。他们对这种高等科学毫不在乎。他们想知道他们是否能赢得一场鲈鱼比赛。说真的，还有很多其他事情。我们将把它开发成药物发现的分析工具。这对我们来说非常重要。我们正在努力。我们也试图逆向工程其他海洋生物；我们那里有一个装满东西的坦克，还订购了一只章鱼。我们试图构建更大和更小的水母版本，以便我们可以观察药物的效果。
