Robot bioinspirado revela el patrón de movimiento de los espermatozoides de rayos



En general, se acepta que los espermatozoides “nadan” golpeando o rotando sus colas blandas. Sin embargo, un equipo de investigación dirigido por científicos de la City University of Hong Kong (CityU) ha descubierto que los espermatozoides de los rayos se mueven al girar tanto la cola como la cabeza.

El equipo investigó más a fondo el patrón de movimiento y lo demostró con un robot. Su estudio ha ampliado el conocimiento sobre el movimiento de los microorganismos y ha proporcionado inspiración para el diseño de ingeniería de robots.

La investigación está codirigida por el Dr. Shen Yajing, profesor asociado del Departamento de Ingeniería Biomédica (BME) de CityU, y el Dr. Shi Jiahai, profesor asistente del Departamento de Ciencias Biomédicas (BMS). Sus hallazgos han sido publicados en la revista científica. Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América (PNAS), titulado “Propulsión autoadaptativa y eficiente de los espermatozoides de Ray a diferentes viscosidades habilitadas por hélices duales heterogéneas”.

Descubrimiento sorprendente

Su investigación reveló un modo de movimiento nuevo y peculiar de los espermatozoides de rayos, al que denominan “modelo heterogéneo de doble hélice (HDH)”. “Esto fue en realidad un descubrimiento accidental”, dijo el Dr. Shi, que se ha centrado en el desarrollo de diferentes bioterapias.

Todo comenzó con otra investigación del equipo sobre el desarrollo de técnicas de inseminación artificial para la cría de peces cartilaginosos, incluidos tiburones y rayas, cuyo esqueleto está compuesto total o en gran parte por cartílago.

Los peces cartilaginosos se pueden utilizar como “fábrica” ​​para producir anticuerpos contra enfermedades, incluido el COVID-19. Así que queríamos desarrollar técnicas de inseminación artificial para cultivarlas para una acuicultura de alto valor “.

Dr. Shi Jiahai, profesor asistente, Departamento de Ciencias Biomédicas (BMS)

Durante ese proceso, el equipo se sorprendió enormemente cuando observaron por primera vez la estructura única y el movimiento de natación de los espermatozoides de rayos bajo el microscopio. Descubrieron que la cabeza de los espermatozoides de rayos tiene una estructura helicoidal larga en lugar de ser redonda, y gira junto con la cola al nadar.

El equipo investigó más a fondo su mecanismo de propulsión, especialmente el papel exacto de la cabeza en movimiento. Descubrieron que los espermatozoides de rayos consisten en secciones helicoidales heterogéneas: una cabeza espiral rígida y una cola blanda, que están conectadas por una “pieza intermedia” que proporciona energía para el movimiento de rotación. La cabeza del espermatozoide raya no es solo un “contenedor” de los materiales genéticos, sino que también facilita la propulsión junto con la cola blanda.

Alta eficiencia energética de la propulsión HDH

Para comprender mejor el modo de movimiento, el equipo analizó una gran cantidad de datos de natación y observó la estructura interna de los espermatozoides a nanoescala. Dado que tanto la cabeza como la cola de los espermatozoides del rayo giraban en la misma dirección con varias velocidades de rotación y amplitudes al nadar, el equipo lo denominó propulsión heterogénea de doble hélice (HDH).

Según su análisis estadístico, la cabeza contribuyó con aproximadamente el 31% de la fuerza propulsora total, que es la primera propulsión de la cabeza registrada en todos los espermatozoides conocidos. Debido a la contribución de la cabeza, la eficiencia de movimiento de los espermatozoides de la raya es mayor que en otras especies como el esterlet y el toro, que solo son impulsados ​​por la cola.

“Una forma de propulsión tan poco tradicional no solo proporciona a los espermatozoides de rayos una alta adaptabilidad a una amplia gama de entornos viscosos, sino que también conduce a una capacidad de movimiento y una eficiencia superiores”, explicó el Dr. Shen, cuya investigación se centra en la robótica y la micro / nano. manipulación y control.

Alta adaptabilidad ambiental

La adaptabilidad ambiental es crucial en la selección natural. La cabeza y la cola de los espermatozoides de las rayas pueden ajustar su movimiento y contribución a la propulsión de acuerdo con la viscosidad ambiental y nadar a diferentes velocidades para avanzar. Por lo tanto, los espermatozoides de rayos pueden moverse en varios entornos con una amplia gama de viscosidades, lo que demuestra una alta adaptabilidad ambiental.

El equipo también descubrió que los espermatozoides de rayos tienen una capacidad única de natación bidireccional, lo que significa que pueden nadar no solo hacia adelante sino también hacia atrás. Esta capacidad proporciona ventajas a los espermatozoides en la naturaleza, especialmente cuando encuentran obstáculos. Y otros espermatozoides con cabeza esférica o en forma de varilla no pueden lograr un movimiento bidireccional.

Gracias al modelo HDH, la cabeza espiral de los espermatozoides tiene una capacidad de giro activa. Como tanto la cabeza como la cola contribuyen a la propulsión, el ángulo entre ellos producirá una fuerza lateral sobre el cuerpo, lo que permitirá que los espermatozoides giren, mostrando una gran flexibilidad en su movimiento.

Robot bioinspirado demuestra el modelo HDH

El peculiar modelo HDH mostró amplias características en motilidad y eficiencia e inspiró al equipo a diseñar microrobots. El robot de inspiración biológica, también con una cabeza espiral rígida y una cola blanda, demostró superioridades similares sobre los convencionales en términos de adaptabilidad y eficiencia bajo la misma entrada de energía. Podía moverse hábilmente en un ambiente con líquido, incluso cuando cambiaba la viscosidad.

Dichas habilidades pueden proporcionar información para diseñar robots de natación para tareas de ingeniería desafiantes y aplicaciones biomédicas dentro del cuerpo humano con entornos fluidos complejos, como el interior de los vasos sanguíneos.

“Creíamos que comprender esta propulsión única revolucionaría el conocimiento del movimiento de los microorganismos, lo que facilitaría la comprensión de la fertilización natural y proporcionaría inspiración para el diseño de robots bioinspirados en condiciones viscosas”, concluyó el Dr. Shen.

Fuente:

Referencia de la revista:

Wang, P., et al. (2021) Propulsión autoadaptativa y eficiente de los espermatozoides de Ray a diferentes viscosidades habilitadas por hélices duales heterogéneas. Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América. doi.org/10.1073/pnas.2024329118.

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