За да продължи, животът трябва да се възпроизвежда. В продължение на милиарди години организмите са еволюирали по много начини за възпроизвеждане, от пъпкуващи растения през сексуални животни до нахлуващи вируси.
Сега учените откриха изцяло нова форма на биологично възпроизвеждане и приложиха своето откритие, за да създадат първите по рода си, самовъзпроизвеждащи се живи роботи.
Същият екип, който построи първите живи роботи („ксеноботи“, сглобени от жабешки клетки, за които съобщиха през 2020 г. ), е открил, че тези компютърно проектирани и ръчно сглобени организми могат да плуват в лабораторен съд, да намират отделни клетки, да събират стотици заедно и сглобяват „бебета“ ксеноботи вътре в своята „уста“ във формата на Pac-Man (японска видео игра от 1980 г.) – които няколко дни по-късно се превръщат в нови ксеноботи, които изглеждат и се движат точно като "родителите" си.
И тогава тези нови ксеноботи отново намират клетки и изграждат свои копия. Отново и отново.
„С правилния дизайн те спонтанно ще се самовъзпроизвеждат“, разказва Джошуа Бонгард (Joshua Bongard), компютърен учен и експерт по роботика от Университета на Върмонт, който ръководи новото изследване.
Резултатите от новото изследване бяха публикувани на 29 ноември 2021 г. в Proceedings of the National Academy of Sciences.
В неизвестното
При жабата Xenopus laevis тези ембрионални клетки се развиват вътре в кожата й.
"Но ние ги поставяме в нов контекст. Ние им даваме шанс да преосмислят своята многоклетъчност", разказва Майкъл Левин (Michael Levin), професор по биология в университета Тъфтс и съръководител на новото изследване.
И това, което си представят, е нещо далеч по-различно от кожа.
„Хората са смятали, че са знаят всички начини, по които животът може да се възпроизвежда или репликира. Но това е нещо, което никога досега не е наблюдавано“, коментира съавторът Дъглас Блекистън (Douglas Blackiston), старши учен в университета Тъфтс, който сглобява "родителите" на ксеноботите и разработва биологичната част от новото изследване.
„Това е много важно“, казва Левин. "Тези клетки имат генома на жаба, но, освободени от това да се превърнат в попови лъжички, те използват своя колективен интелект, пластичност, за да направят нещо поразително."
В по-ранните експерименти учените са били удивени, че ксеноботите могат да бъдат проектирани да изпълняват прости задачи. Сега те са изумени, че тези биологични обекти - компютърно проектиран набор от клетки - се репликират спонтанно.
„Имаме пълния, непроменен геном на жаба“, подчертава Левин, „но няма и намек, че тези клетки могат да работят заедно по тази нова задача“ за събиране и след това компресиране на отделни клетки в работещи техни копия.
"Това са жабешки клетки, които се възпроизвеждат по начин, който е много различен от начина, по който жабите го правят. Нито едно животно или растение, познато на науката, не се възпроизвежда по този начин", разказва Сам Кригман (Sam Kriegman), водещ автор на новото изследване, постдокторант в Тъфтс и в Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering в Харвардския университет.
Сам по себе си родителят ксенобот, направен от около 3000 клетки, е оформен като сфера.
"Те могат да направят деца, но след това системата обикновено умира. Всъщност е много трудно да накарате системата да продължи да се възпроизвежда", разказва Кригман.
Но с програма за изкуствен интелект еволюционният алгоритъм успя да тества милиарди форми на организма в симулация – триъгълници, квадрати, пирамиди, морски звезди – за да намери такива, които позволяват на клетките да бъдат по-ефективни за "кинематична" репликация, докладвана в новото изследване.
„Зададохме адачата на суперкомпютъра в Университета на Върмонт да измисли как да коригира формата на първоначалните родители и AI излезе с някои странни дизайни след месеци работа, включително такъв, който приличаше на Pac-Man“, разказва Кригман. „Това е много неинтуитивно. Изглежда много просто, но не е нещо, което човек инженер би измислил. Защо една малка уста? Защо не пет? Изпратихме резултатите на Дъг и той построи тези родителски ксеноботи с форма на Pac-Man. Тогава тези родители направиха деца, които направиха внуци, които направиха правнуци, които направиха праправнуци."
С други думи, правилният дизайн значително удължи броя на поколенията.
Кинематичната репликация е добре позната на ниво молекули, но никога досега не е била наблюдавана в мащаба на цели клетки или организми.
Както пишат учените в проучването в Proceedings of the National Academy of Sciences: „животът крие изненадващо поведение точно под повърхността, което чака да бъде разкрито“.
Отговорност към риска
Някои хора може да намерят това за вълнуващо. Други могат да реагират със загриженост или дори ужас на идеята за самовъзпроизвеждаща се биотехнология. За екипа от учени целта е по-дълбоко разбиране.
"Ние работим, за да разберем това свойство - репликацията. Светът и технологиите се променят бързо. Важно е за обществото като цяло да изучаваме и разбираме как работи това", коментира Бонгард.
Тези милиметрови живи машини, изцяло оставащи в лабораторията, лесно проверявани от федерални, щатски и институционални експерти по етика, „не са това, което ме държи буден през нощта. Това, което представлява риск, е следващата пандемия, увреждането на екосистемите от замърсяването, заплахите от изменението на климата“, споделя Бонгард.
"Това е идеална система, в която да изучаваме самовъзпроизвеждащи се системи. Имаме морален императив да разберем условията, при които можем да я контролираме, да я направляваме, да я потушаваме, да я увеличаваме."
Бонгард посочва епидемията от COVID и търсенето на ваксина.
„Скоростта, с която можем да произвеждаме решения, има голямо значение. Ако можем да разработим технологии, учейки се от ксеноботите, където можем бързо да кажем на AI: „Нуждаем се от биологичен инструмент, който прави X и Y и потиска Z“ - това би могло бъде много полезен. Днес това отнема изключително много време."
Екипът има за цел да ускори процеса от идентифициране на един проблем към генериране на решения – „като разполагане на живи машини за изтегляне на микропластмасите от водите или създаване на нови лекарства“, разказва Бонгард.
„Трябва да създадем технологични решения, идващи със същата скорост като предизвикателствата, пред които сме изправени“, отбелязва Бонгард.
И екипът вижда и обещаващи перспективи за регенеративната медицина.
„Ако знаехме как да кажем на колекции от клетки да правят това, което искаме да правят, в крайна сметка това е регенеративна медицина – това е решението за травматични наранявания, вродени дефекти, рак и стареене“, казва Левин. "Всички тези различни проблеми са тук, защото не знаем как да предвидим и контролираме какви групи клетки ще се изграждат. Ксеноботите са нова платформа за обучението ни."
Справка: Kinematic self-replication in reconfigurable organisms, Proceedings of the National Academy of Sciences (2021). DOI: 10.1073/pnas.2112672118
Източник: Xenobots: Team builds first living robots that can reproduce
Joshua Brown, University of Vermont
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари