Теперь команда ученых перепрофилировала живые клетки, соскобленные с эмбрионов лягушки, и собрала из них совершенно новые формы жизни. Эти миллиметровые «ксеноботы» могут двигаться к цели, возможно, подбирать полезную нагрузку (например, лекарство, которое нужно отнести в определенное место внутри пациента) – и лечить себя после пореза.
«Это новые живые машины», – говорит Джошуа Бонгард, ученый-компьютерщик и эксперт по робототехнике из Университета Вермонта, который был одним из руководителей нового исследования. "Они не являются ни традиционными роботами, ни известными видами животных.
Это новый класс артефактов: живой программируемый организм."
Новые существа были созданы на суперкомпьютере в UVM, а затем собраны и протестированы биологами из Университета Тафтса. «Мы можем вообразить множество полезных применений этих живых роботов, которые не могут сделать другие машины, – говорит со-руководитель Майкл Левин, который руководит Центром регенеративной биологии и биологии развития в Тафтсе, – например, поиск вредных соединений или радиоактивного загрязнения, сбор микропластика. в океанах, путешествуя по артериям, чтобы соскоблить зубной налет."
Результаты нового исследования были опубликованы 13 января в Трудах Национальной академии наук.
Индивидуальные живые системы
Люди манипулируют организмами для блага человека, по крайней мере, с зарождения сельского хозяйства, генетическое редактирование становится широко распространенным, и за последние несколько лет вручную собрали несколько искусственных организмов, копируя формы тела известных животных.
Но это исследование, впервые в истории, «проектирует полностью биологические машины с нуля», – пишет команда в своем новом исследовании.
За несколько месяцев обработки на суперкомпьютерном кластере Deep Green в Advanced Computing Core UVM в Вермонте команда, включая ведущего автора и докторанта Сэма Кригмана, использовала эволюционный алгоритм для создания тысяч вариантов дизайна новых форм жизни. Пытаясь выполнить поставленную учеными задачу – например, движение в одном направлении – компьютер снова и снова собирал несколько сотен смоделированных клеток в бесчисленные формы и формы тела.
По мере выполнения программ – руководствуясь базовыми правилами биофизики того, что могут делать отдельные лягушачьи кожа и сердечные клетки – наиболее успешные смоделированные организмы сохранялись и совершенствовались, в то время как неудавшиеся конструкции отбрасывались. После сотни независимых прогонов алгоритма для тестирования были выбраны наиболее перспективные конструкции.
Затем команда Tufts во главе с Левином и при ключевой работе микрохирурга Дугласа Блэкистона воплотила конструкции in silico в жизнь. Сначала они собрали стволовые клетки, полученные от эмбрионов африканских лягушек вида Xenopus laevis. (Отсюда и название "ксеноботы".") Они были разделены на отдельные клетки и оставлены для инкубации.
Затем с помощью крошечных пинцетов и еще более крошечного электрода клетки были вырезаны и соединены под микроскопом так, чтобы они полностью соответствовали схемам, заданным компьютером.
Собранные в формы тела, невиданные в природе, клетки начали работать вместе. Клетки кожи сформировали более пассивную архитектуру, в то время как некогда случайные сокращения клеток сердечной мышцы были задействованы, создавая упорядоченное поступательное движение в соответствии с дизайном компьютера и при помощи спонтанных самоорганизующихся моделей, позволяющих роботам двигаться дальше. их собственный.
Было показано, что эти реконфигурируемые организмы могут двигаться согласованным образом – и исследовать свою водянистую среду в течение нескольких дней или недель, используя запасы энергии эмбриона.
Однако перевернуться они не смогли, как жуки перевернулись на спину.
Более поздние тесты показали, что группы ксеноботов будут перемещаться по кругу, выталкивая гранулы в центральное место – спонтанно и коллективно. Другие были построены с отверстием в центре, чтобы уменьшить сопротивление.
В их смоделированных версиях ученые смогли превратить это отверстие в сумку, чтобы успешно переносить объект. «Это шаг к использованию созданных на компьютере организмов для интеллектуальной доставки лекарств», – говорит Бонгард, профессор кафедры компьютерных наук и Центра сложных систем UVM.
Живые Технологии
Многие технологии изготавливаются из стали, бетона или пластика.
Это может сделать их сильными или гибкими. Но они также могут создавать проблемы для окружающей среды и здоровья человека, такие как растущее бедствие пластикового загрязнения океанов и токсичность многих синтетических материалов и электроники. «Обратной стороной живой ткани является то, что она слаба и разрушается», – говорит Бонгард. "Вот почему мы используем сталь.
Но у организмов есть 4.5 миллиардов лет практики восстановления и продолжаются десятилетиями."А когда они перестают работать – смерть – они обычно разваливаются безвредно. «Эти ксеноботы полностью биоразлагаемы, – говорит Бонгард, – когда они заканчивают свою работу через семь дней, они просто мертвые клетки кожи."
Ваш ноутбук – мощная технология.
Но попробуйте разрезать его пополам. Не работает так хорошо. В новых экспериментах ученые разрезали ксеноботов и наблюдали за происходящим. «Мы разрезали робота почти пополам, он зашивается и продолжает работать», – говорит Бонгард. "И это то, что нельзя сделать с обычными машинами."
Взломать код
И Левин, и Бонгард говорят, что потенциал того, что они узнали о том, как клетки общаются и соединяются, глубоко проникает как в вычислительную науку, так и в наше понимание жизни. «Большой вопрос в биологии – понять алгоритмы, определяющие форму и функции», – говорит Левин. «Геном кодирует белки, но трансформирующие приложения ждут нашего открытия того, как это оборудование позволяет клеткам сотрудничать для создания функциональной анатомии в очень разных условиях."
Чтобы организм развивался и функционировал, необходимо постоянно обмениваться информацией и сотрудничать – органические вычисления – внутри и между клетками, а не только внутри нейронов.
Эти эмерджентные и геометрические свойства формируются биоэлектрическими, биохимическими и биомеханическими процессами, «которые работают на оборудовании, определенном ДНК, – говорит Левин, – и эти процессы можно реконфигурировать, что позволяет создавать новые живые формы."
Ученые рассматривают работу, представленную в их новом исследовании PNAS – «Масштабируемый конвейер для проектирования реконфигурируемых организмов», – как один из шагов в применении представлений об этом биоэлектрическом коде как в биологии, так и в информатике. "Что на самом деле определяет анатомию, с которой взаимодействуют клетки?"Спрашивает Левин. "Вы посмотрите на клетки, из которых мы строили наших ксеноботов, и геномно они лягушки. Это 100% лягушачья ДНК – но это не лягушки.
Затем вы спрашиваете, а что еще эти клетки способны создавать??"
«Как мы показали, эти клетки лягушки можно уговорить создать интересные живые формы, которые полностью отличаются от их анатомии по умолчанию», – говорит Левин. Он и другие ученые из группы UVM и Тафтса – при поддержке программы «Машины непрерывного обучения» DARPA и Национального научного фонда – считают, что создание ксеноботов – это небольшой шаг к взлому того, что он называет «морфогенетическим кодом», обеспечивающим более глубокое представление об общем способе организации организмов – и о том, как они вычисляют и хранят информацию на основе своей истории и окружающей среды.
Будущие шоки
Многие люди беспокоятся о последствиях быстрых технологических изменений и сложных биологических манипуляций. «Этот страх небезоснователен», – говорит Левин. "Когда мы начнем возиться со сложными системами, которые мы не понимаем, мы получим непредвиденные последствия."Многие сложные системы, такие как колония муравьев, начинаются с простого элемента – муравья, по которому невозможно предсказать форму их колонии или то, как они могут строить мосты через воду с помощью своих взаимосвязанных тел.
«Если человечество собирается выжить в будущем, нам нужно лучше понять, как сложные свойства каким-то образом возникают из простых правил», – говорит Левин. Большая часть науки сосредоточена на «управлении низкоуровневыми правилами. Нам также необходимо понимать правила высокого уровня », – говорит он. "Если вам нужен муравейник с двумя дымоходами вместо одной, как вы можете изменить муравьев??
Мы бы понятия не имели."
«Я думаю, что для будущего общества абсолютно необходимо лучше справляться с системами, в которых результат очень сложен», – говорит Левин. «Первый шаг к этому – изучить: как живые системы решают, каким должно быть общее поведение, и как мы манипулируем частями, чтобы добиться желаемого поведения?"
Другими словами, «это исследование является прямым вкладом в понимание того, чего люди боятся, а именно непредвиденных последствий», – говорит Левин, – будь то быстрое появление беспилотных автомобилей, изменение генных движений с целью уничтожить все линии вирусов или многие другие сложные и автономные системы, которые все больше будут определять человеческий опыт.
«В жизни есть все это врожденное творческое начало, – говорит Джош Бонгард из UVM. "Мы хотим понять это глубже – и как мы можем направить и подтолкнуть его к новым формам."