Współczesna nauka znajduje się w punkcie, w którym granice między biologią, inżynierią i informatyką stają się coraz bardziej płynne. Obserwujemy stopniowe przechodzenie od mechanicznego projektowania urządzeń do systemów inspirowanych naturą – zdolnych do adaptacji, reakcji na bodźce, a nawet samodzielnej regeneracji. W tym kontekście biomimetyka, czyli interdyscyplinarna dziedzina zajmująca się naśladowaniem procesów i struktur biologicznych w technologii, zdobywa coraz większe uznanie. 

Zespół z MIT, kierowany przez prof. Adama J. Cohena, skupił się na stworzeniu metody umożliwiającej kontrolowanie kształtu komórek biologicznych przy użyciu światła. Punktem wyjścia było zrozumienie mechanizmów regulujących cytoszkielet komórkowy – strukturę białkową odpowiadającą za utrzymanie kształtu komórki oraz jej zdolność do ruchu i podziału. Kluczową rolę odgrywa tu białko Rho, które steruje polimeryzacją aktyny i reorganizacją filamentów cytoszkieletowych. Aby precyzyjnie kontrolować ten proces, naukowcy opracowali światłowrażliwą wersję enzymu GEF (z ang. guanine nucleotide exchange factor), który aktywuje Rho. Następnie wprowadzili mRNA tego enzymu do przezroczystych komórek jajowych rozgwiazdy – modelu biologicznego szczególnie cenionego w badaniach mikroskopowych ze względu na dużą wielkość i brak pigmentacji. Po naświetleniu światłem o odpowiednio dobranej długości fali enzym ulegał aktywacji, co prowadziło do lokalnych zmian w aktywności białka Rho, a w konsekwencji – dynamicznych zmian kształtu całej komórki. Eksperymenty wykazały, że procesy te są w pełni odwracalne, dają się precyzyjnie kontrolować czasowo i przestrzennie, a jednocześnie – nie wpływają negatywnie na żywotność komórek.

To osiągnięcie można porównać do zdalnego sterowania biologicznym kształtem za pomocą światła – technologii, która może stać się podstawą nowej generacji systemów biologicznych wykorzystywanych w medycynie regeneracyjnej, terapii celowanej i inżynierii tkanek. Możliwość modulowania morfologii komórek w czasie rzeczywistym otwiera zupełnie nowe perspektywy w badaniach nad rozwojem embrionalnym, różnicowaniem komórek, mechanobiologią oraz interakcjami międzykomórkowymi. Co więcej, zastosowanie optogenetyki w inżynierii tkankowej może pozwolić na tworzenie przestrzennie zorganizowanych struktur komórkowych o określonych właściwościach mechanicznych i funkcjonalnych. W perspektywie długoterminowej światłoczułe komórki mogą zostać zintegrowane z materiałami inteligentnymi lub implantami, które samoczynnie dostosowują się do potrzeb organizmu.

Niezależnie od pracy zespołu naukowego MIT inżynierowie z Hochschule Bremen skoncentrowali się na fizycznym wymiarze biomimetyki. Ich celem było stworzenie materiału, który nie tylko przypomina struktury biologiczne, ale także funkcjonuje w sposób do nich zbliżony. Inspiracją była wewnętrzna struktura szkieletu rozgwiazdy charakteryzująca się połączeniem sztywności i elastyczności – cech kluczowych dla funkcjonowania organizmu w zmiennym środowisku morskim. Badacze opracowali hybrydowy materiał złożony z drukowanego szkieletu termoplastycznego oraz pokrycia z elastycznego polimeru. Dzięki zastosowaniu materiałów z pamięcią kształtu cała struktura mogła zmieniać formę, samodzielnie wracać do wcześniej zaprogramowanych konfiguracji i regenerować drobne uszkodzenia mechaniczne.

Wykorzystanie tej technologii daje ogromne możliwości w projektowaniu adaptacyjnych systemów robotycznych, które działają w środowiskach o wysokim stopniu nieprzewidywalności, takich jak głębiny oceaniczne, powierzchnia innych planet czy wnętrze ludzkiego ciała. Tego rodzaju elastyczne konstrukcje mogą być używane jako komponenty miękkiej robotyki, adaptacyjne implanty medyczne, a nawet inteligentne powłoki ochronne w lotnictwie i astronautyce. Kluczowym atutem takich materiałów jest ich zdolność do samonaprawy i trwałej adaptacji bez potrzeby zastosowania zewnętrznego źródła energii – to cechy obecnie nieosiągalne w konwencjonalnych materiałach inżynieryjnych.

Zarówno podejście molekularne zespołu z MIT, jak i makroskopowe rozwiązanie inżynierów z Bremy wpisują się w szerszy nurt biomimetyki, który postrzega przyrodę jako doskonałego inżyniera. Ewolucja, jako proces dążący do maksymalnej efektywności w zmiennych warunkach środowiskowych, doprowadziła do powstania struktur, które łączą prostotę z funkcjonalnością, a jednocześnie – są zrównoważone i energooszczędne. Rozgwiazdy, pozbawione centralnego układu nerwowego, lecz zdolne do skoordynowanego ruchu, przywierania do podłoża i regeneracji utraconych kończyn, oferują bogactwo rozwiązań technicznych i biologicznych. Ich struktura wapienna, złożona z mikroskopijnych beleczek i kanalików, stanowi idealny model dla projektowania elastycznych, wytrzymałych i samoregulujących się materiałów.

Biomimetyka jest interdyscyplinarną dziedziną wiedzy integrującą osiągnięcia biologii, inżynierii materiałowej, robotyki oraz sztucznej inteligencji w celu tworzenia systemów technologicznych wzorowanych na strukturach i procesach występujących w naturze. Jej dynamiczny rozwój nie tylko umożliwia projektowanie innowacyjnych urządzeń o niespotykanej dotąd funkcjonalności, ale również redefiniuje samo pojęcie projektowania – przesuwając je z obszaru statycznych konstrukcji ku systemom zdolnym do samoorganizacji, adaptacji i interakcji ze środowiskiem. Przyszłe rozwiązania techniczne, inspirowane organizmami żywymi, mogą wykazywać cechy typowe dla systemów biologicznych – reagować na bodźce, komunikować się z innymi elementami otoczenia, a nawet współdziałać z tkankami organizmów żywych.

Przykłady, takie jak komórki światłoczułe sterowane optogenetycznie czy inteligentne materiały o pamięci kształtu, wskazują na możliwość zatarcia granicy między światem biologicznym a technologicznym, w której to różnica między „naturalnym” a „sztucznym” ulega stopniowemu zniwelowaniu. Oba opisywane badania nie tylko ilustrują potencjał biomimetyki, ale również stanowią zapowiedź przyszłości, w której granica między żywym a nieożywionym może przestać istnieć. Zmiana kształtu komórki za pomocą światła czy materiał zdolny do samonaprawy i adaptacji to nie pojedyncze odkrycia, lecz elementy większej całości – rewolucji technologicznej inspirowanej naturą.