Ксеноботы, созданные год назад из стволовых клеток, научились размножаться
Американские ученые, создавшие первых в мире живых роботов, получивших название ксеноботы, утверждают, что новая форма жизни теперь может самовоспроизводиться — причем способом, который не наблюдался ранее ни у растений, ни у животных.
Мы уже писали ранее о разработке в 2020 году крошечных искусственных организмов. Сформированные из стволовых клеток африканской шпорцевой лягушки (Xenopus laevis), от которой они получили свое название, ксеноботы имеют размеры, не превышающие одного миллиметра. Эксперименты показали, что они могут самостоятельно передвигаться, работать сообща в группах и самовосстанавливаться после повреждений.
В новой работе, опубликованной 7 декабря 2021 года в PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America), создавшие ксеноботов ученые из Университета Вермонта, Университета Тафтса и Института биоинженерии Висс при Гарвардском университете заявили, что они открыли совершенно новую неизвестную ранее науке форму биологического воспроизводства, которая отличается от существующих форм размножения у животных и растений.
«Это удивительно», — говорит Майкл Левин (Michael Levin), профессор биологии и директор Центра открытий Аллена в Университете Тафтса, один из ведущих авторов нового исследования. «Данные клетки обладают геномом лягушки, однако мы избавили их от необходимости превращения в головастиков. В итоге они используют свой коллективный разум и пластичность, чтобы создать нечто поразительное. Ксеноботы могут работать сообща над такой новой задачей, как сборка отдельных стволовых клеток и последующая их группировка в собственные функционирующие копии».
Во время проведения более ранних экспериментов ученые были впечатлены тем, что ксеноботы могут выполнять простые задачи. Теперь исследователи поражены, что эти созданные биологические объекты, являющиеся, по сути, подобранными компьютером скоплениями клеток, способны спонтанно самовоспроизводиться.
Робот или живой организм?
Стволовые клетки — это неспециализированные клетки, способные развиваться в клетки любого типа в организме. Чтобы создать ксеноботов, исследователи инкубировали отобранные эмбриональные стволовые клетки, которые должны были превратиться в кожу головастика при естественном развитии. В данной относительно простой процедуре не проводится никаких манипуляций с генами.
«Большинство людей представляют роботов как искусственно созданные машины из металла и керамики. Но суть не столько в том, из чего сделан робот, сколько в том, что он действует под руководством человека», — сказал профессор Джош Бонгард (Josh Bongard), специалист по компьютерным технологиям и робототехнике в Университете Вермонта (University of Vermont, UVM), один из руководителей нового исследования. «В данном смысле это робот, однако это также явно живой организм, сделанный из генетически немодифицированных клеток лягушки».
Бонгард говорит, что они обнаружили, что ксеноботы, которые изначально имели форму шара и состояли примерно из 3000 клеток, могут размножаться. Однако это случалось редко и только при определенных обстоятельствах. По словам Бонгарда, ксеноботы использовали «кинематическую репликацию» — процесс, который, как известно, происходит на молекулярном уровне, и никогда ранее не наблюдался в масштабе клеток или целых организмов.
«Они могут создавать детей, но после этого система обычно умирает. Вообще-то, очень трудно заставить эту систему продолжать размножение», — говорит Сэм Кригман (Sam Kriegman), ведущий автор исследования, защитивший докторскую диссертацию в лаборатории Бонгарда в Университета Вермонта. В настоящее время он работает научным сотрудником в Центре открытий Аллена в Университете Тафтса и в Институте биоинженерии Висс при Гарвардском университете.
Форма определяет поведение
С помощью программы искусственного интеллекта, работающей на суперкомпьютерном кластере Deep Green в Advanced Computing Core при Университете Вермонта, эволюционный алгоритм смог протестировать миллиарды моделируемых форм организмов — треугольников, квадратов, пирамид, звезд — чтобы найти те, которые позволили бы клеткам быть более эффективными при основанной на движении кинематической репликации, о которой сообщается в новом исследовании.
Спустя несколько месяцев вычислений суперкомпьютер предложил модель организма C-образной формы, напоминающую Пакмена (Pac-Man), персонажа видеоигры 1980-х годов. Учёные обнаружили, что такой ксенобот может находить крошечные стволовые клетки в чашке Петри, собирать их сотнями во «рту», а через несколько дней сгруппированные таким образом клетки превращались в новых ксеноботов.
«Родители»-ксеноботы собирают большую группу стволовых клеток из которой сформируются новые ксеноботы-«дети».
«Искусственный интеллект не программировал эти создания так, как мы обычно понимаем написание кода. Он придумал и создал форму, похожую на Пакмена», — сказал Бонгард. «Форма — это, по сути, и есть программа. Форма влияет на поведение ксеноботов, усиливая это невероятно удивительное свойство».
Практическое применение
Создание ксеноботов является зарождающейся технологией, которая пока не имеет практического применения, подобно компьютерам 1940-х годов. Однако, по мнению исследователей, такое сочетание молекулярной биологии и искусственного интеллекта потенциально может быть использовано для решения множества задач, связанных как с медициной, так и с окружающей средой. В будущем применение ксеноботов может включать такие сферы деятельности как сбор микропластика в океанах, проверка корневой системы растений и использование в регенеративной медицине.
Предотвращение возможных рисков
Несмотря на то, что перспектива самовоспроизводящейся биотехнологии может вызвать беспокойство общественности, исследователи заявили, что живые роботы содержались в лаборатории под полным контролем и их легко уничтожить, поскольку они биоразлагаемы. Кроме того, процесс исследования регулируется экспертами по этике.
