Учёные создали живых роботов из стволовых клеток

Команде исследователей удалось разработать роботов, состоящих исключительно из живых стволовых клеток. Названные «ксеноботами», они могут выполнять целый ряд функций от передвижения и манипулирования объектами до коллективного поведения. Их создание обещает значительное развитие в области биологии и медицины. Однако это также сопряжено с потенциальными серьезными рисками, поскольку сами исследователи признают, что эксперименты с живыми клетками создают возможности для непредвиденных последствий.

«Это новые живые машины», — говорит Джошуа Бонгар (Joshua Bongard), специалист по компьютерным технологиям и робототехнике в Университете Вермонта (University of Vermont, UVM), один из руководителей нового исследования. «Они не являются ни традиционными роботами, ни известным видом животных. Это новый класс артефактов: живой, программируемый организм».

Новые существа были разработаны на суперкомпьютере в Университете Вермонта, а затем собраны и протестированы биологами в Университете Тафтса (Tufts University). Учёные использовали так называемый эволюционный алгоритм, чтобы проверить тысячи возможностей и найти «кандидатов», лучших с точки зрения биофизики клеток, которые в данном случае были клетками лягушек.

Команда отмечает, что помимо новизны изобретения, эти живые роботы могут стать великим благом для медицины. Поскольку они сделаны из живой ткани, они естественным образом разлагаются, в отличие от обычных машин из металла или синтетических материалов. И поскольку они могут перемещать и даже транспортировать объекты, они потенциально могут быть введены в организм человека.

«Это шаг к использованию компьютерных организмов для интеллектуальной доставки лекарств», — объясняет Бонгар, профессор кафедры компьютерных наук и сложных систем UVM.

«Мы можем найти для этих живых роботов множество полезных применений, с которыми не справляются другие машины», — говорит один из ведущих авторов Майкл Левин (Michael Levin), руководитель Центра регенеративной биологии и биологии развития (Center for Regenerative and Developmental Biology) в Университете Тафтса. «Например, поиск опасных соединений или радиоактивного загрязнения, сбор микропластика в океанах, очистка артерий».

Люди уже давно манипулируют организмами во благо человека. Например, в сельском хозяйстве широко распространено генетическое редактирование животных.

Но в новом исследовании впервые были «спроектированы полностью биологические машины с нуля», пишет команда в своей статье, опубликованной 13 января в Proceedings of the National Academy of Sciences.

В течение нескольких месяцев обработки данных на суперкомпьютерном кластере Deep Green в Vermont Advanced Computing Core при UVM команда использовала эволюционный алгоритм для создания тысяч вариантов проектов новых форм жизни.

Пытаясь выполнить задачу, поставленную учеными — например, движение в одном направлении — компьютер снова и снова собирал несколько сотен моделируемых клеток в бесчисленное множество форм многоклеточных организмов. Программы основывались на базовых правилах биофизики свойств клеток кожи и сердца лягушки.

Более успешные смоделированные организмы были сохранены и очищены, в то время как неудачные проекты были отброшены. После ста независимых прогонов алгоритма были выбраны наиболее перспективные разработки для тестирования.

Затем команда Тафтса во главе с Левиным и с микрохирургом Дугласом Блэкстоном (Douglas Blackiston) воплотила в жизнь проекты in silico. Сначала учёные получили стволовые клетки из эмбрионов африканских лягушек вида Xenopus laevis. (Отсюда и название «ксеноботы».) Они были разделены на отдельные клетки и инкубировались некоторое время. Затем, используя крошечные щипцы и еще более тонкие электроды, клетки разрезали и соединяли под микроскопом в точном приближении к конфигурации, указанной компьютером.

Собранные в организмы, формы которых никогда не встречаются в природе, клетки начали работать сообща. Клетки кожи сформировали пассивную архитектуру, в то время как ранее хаотичные сокращения кардиомиоцитов были задействованы для создания упорядоченного поступательного движения, согласно расчётам компьютера и благодаря спонтанно самоорганизовавшейся структуре, позволяющей роботам самостоятельно передвигаться.

Было показано, что эти реконфигурируемые организмы способны двигаться согласованно и исследовать окружающую их жидкую среду в течение нескольких дней или недель, питаясь зародышевыми запасами энергии. Однако при переворачивании они становились беспомощными, как жуки, перевернутые на спину.

Более поздние испытания показали, что группы ксеноботов перемещались по кругу, самопроизвольно и коллективно выталкивая гранулы в центральное пространство. Другие были построены с отверстием в центре для уменьшения сопротивления. В смоделированных версиях учёные успешно использовали это отверстие в качестве мешочка для переноса объектов.

Конечно, обратной стороной этого удивительного прорыва является то, что он вызывает страх перед разумными живыми роботами, новыми формами жизни, которые могут однажды угрожать существованию человечества. Более абстрактное опасение основано на том, что исследователи из Тафтса и Вермонта породили процесс, который они в конечном итоге не смогут контролировать, по крайней мере, если он попадет в руки менее скрупулезных людей и групп.

«Этот страх не является необоснованным», — признается один из лидеров Майкл Левин, руководитель Центра регенеративной биологии и биологии развития в Тафтсе. «Когда мы начнем возиться со сложными системами, которые мы не понимаем, мы можем получить непредвиденные последствия».

Существует также этический аспект данного исследования, и возможность производства в будущем массы живых роботов, предназначенных только для нужд человечества.

Как пишут исследователи в своей статье: «Большинство современных технологий построены из синтетических, а не живых материалов, потому что первые оказались проще в разработке, изготовлении и обслуживании. Живые системы демонстрируют устойчивость структуры и функций и, таким образом, имеют тенденцию сопротивляться навязыванию им новых моделей поведения».

«Однако, — продолжают авторы, — если бы живые системы могли непрерывно и быстро разрабатываться ab initio и использоваться для выполнения новых функций, их врожденная способность противостоять энтропии могла бы позволить им намного превзойти жизненный период наших самых мощных, но статичных технологий».

Такие новые функции могут быть полезны для людей, непосредственно их эксплуатирующих, но является ли этически оправданным создание организмов, предназначенных исключительно для обслуживания других организмов? Не является ли это потенциально предвестником новой формы рабства? И что мешает менее принципиальным исследователям использовать человеческие стволовые клетки для создания другого вида живого робота?

Все это очень спекулятивные вопросы, но на них нужно ответить, прежде чем другие команды продолжат работу над новаторским исследованием. И они действительно должны получить ответ, потому что, как утверждают ученые из Тафтса и Вермонта, это исследование поможет нам глубже понять логику жизни.