В январе 2020 года исследователи из Университета Тафтса и Университета Вермонта разработали метод создания крошечных биологических машин из яиц африканской когтистой лягушки Xenopus laevis. Прозванные ксеноботами в честь своих животных предков эти «живые» машины могли передвигаться самостоятельно, толкать предметы и даже объединяться в рои. Примечательно, что для их создания ученые использовали эволюционный алгоритм, работающий на суперкомпьютере. С его помощью команда смогла протестировать тысячи потенциальных конструкций, состоящих из различных конфигураций клеток, так что никакой вам генной инженерии. Но самое потрясающее, пожалуй, заключается в том, что год спустя та же команда выпустила новую версию ксеноботов, которые не только стали быстрее, сильнее и способнее, чем когда-либо, но даже собирают собственные тела из отдельных клеток.
Из клеток лягушачьей кожи был создан микроскопический живой робот, способный исцелять и питать себя.
Как появились ксеноботы?
Итак, ксеноботы – это синтетические организмы, которые автоматически создаются компьютерами для выполнения заранее определенных задач и строятся путем объединения различных биологических тканей. Впервые мир услышал о них в начале 2020 года, но ввиду обнаружения коронавируса SARS-CoV-2, на тот момент новость не получила должного внимания. Но именно тогда тонкая грань между животным и машиной стала размытой.
Сегодня создание механизма, выполняющего задачи под управлением искусственного интеллекта не является чем-то новым. К тому же, ученые давно научились перестраивать существующие организмы, меняя их характеристики, форму или структуру. Так что все было бы очень здорово, если бы не одно «но» – все живые организмы демонстрируют устойчивость к любому вмешательству извне, нацеленному на изменение их поведения.
Материалы, традиционно применяющиеся в робототехнике просты в изготовлении и внедрении; например, металл всегда можно расплавить, заточить или перековать – в отличие от живых существ.
К счастью, существуют эмбриональные клетки, которые обладают по-настоящему удивительными свойствами: они способны к самоорганизации, регенерации тканей и процессов развития (в зависимости от ситуации). Грамотные манипуляции с эмбриональными клетками могут помочь ученым в создании новых форм жизни – каким бы удивительным нам это не казалось.
Как пишут авторы исследования, опубликованного в журнале Science Robotics, для создания ксеноботов они взяли стволовые клетки из эмбрионов лягушек и позволили им вырасти в скопления из нескольких тысяч клеток, называемых сфероидами. Через несколько дней стволовые клетки превратились в клетки кожи, покрытые маленькими волоскоподобными выступами, называемыми ресничками, которые извиваются взад и вперед.
Обычно эти структуры используются для распространения слизи по коже лягушки. Но в отрыве от своего обычного контекста они взяли на себя функцию, более похожую на ту, что наблюдается у микроорганизмов, которые используют реснички для перемещения, действуя как крошечные весла.
Продолжительность жизни подобных микроботов на основе клеток составляет от десяти до 14 дней. Они могут плавать и ходить благодаря структурам, напоминающим волоски.
«Мы наблюдаем замечательную пластичность клеточных коллективов, которые строят рудиментарное новое «тело». Оно сильно отличается от их стандартного – в данном случае лягушки – несмотря на наличие совершенно нормального генома», – пишут авторы работы в пресс-релизе исследования.
Исследователи отмечают, что этот процесс не отличается от обычного способа создания робота, просто для его создания используется биологическую ткань. «В каком-то смысле ксеноботы устроены так же, как и обычные роботы, только мы используем клетки и ткани, а не искусственные компоненты, чтобы построить форму и создать предсказуемое поведение»,-пишут авторы научной работы.
Ксеноботы 2.0
Так как строить каждого отдельного ксенобота вручную занятие явно утомительное, команда разработала новый подход, который работает снизу вверх, заставляя ксеноботов самостоятельно собирать свои тела из отдельных клеток. Этот подход более масштабируемый, а новые ксеноботы не только быстрее, живут дольше и имеют рудиментарную память, но и лучше справляются с совместной работой.
И хотя форма и функции ксеноботов были достигнуты без какой-либо генной инженерии, в дополнительном эксперименте команда ввела им РНК, которая заставила их производить флуоресцентный белок. Это, по мнению ученых, служит доказательством того, что ксеноботы могут обладать молекулярной памятью. Но зачем вообще кому-то понадобилось создавать нечто подобное?
В общем и целом, как отмечают исследователи, процессы, которые помогают формировать ксеноботов, могут рассказать нам как сформировались Homo sapiens.
Во-первых, роботы, сделанные из стволовых клеток, полностью биоразлагаемы и способны к самовосстановлению всего за пять минут (если их разрезать), во-вторых они могут воспользоваться способностью клеток обрабатывать все виды химических веществ. А значит, ксеноботам можно найти применение во всем – от терапии до экологической инженерии.
Ученые, в свою очередь, надеются использовать их, чтобы лучше понять процессы, которые позволяют отдельным клеткам объединяться и работать вместе. Ксеноботы могут помочь пролить свет на то, как именно клетки – такие, как те, что составляют человеческое тело – собираются вместе, чтобы сформировать единый организм, работающий как система.
«С точки зрения биологии, этот подход помогает нам понять, как клетки общаются, когда они взаимодействуют друг с другом во время развития, и как мы можем лучше контролировать эти взаимодействия» – пишут создатели ксеноботов. Как говорится, the future is here.
