Живые роботы, построенные с использованием клеток лягушек

Живые роботы, построенные с использованием клеток лягушек

Теперь команда ученых перераспределила живые клетки – очищенные от эмбрионов лягушек – и собрала их в совершенно новые формы жизни. Эти «ксеноботы» шириной в миллиметр могут двигаться к цели, возможно, поднять полезную нагрузку (как лекарство, которое нужно доставить в определенное место внутри пациента) – и вылечить себя после пореза.

«Это новые живые машины», – говорит Джошуа Бонгар, специалист по компьютерным технологиям и робототехнике в Университете Вермонта, который был одним из руководителей нового исследования. «Они не являются ни традиционным роботом, ни известным видом животных. Это новый класс артефактов: живой, программируемый организм».

Новые существа были разработаны на суперкомпьютере в UVM, а затем собраны и протестированы биологами в Университете Тафтса. «Мы можем представить себе множество полезных применений этих живых роботов, которых не могут сделать другие машины, – говорит со-лидер Майкл Левин, который руководит Центром регенеративной биологии и биологии развития в Тафтсе, – например, поиск неприятных соединений или радиоактивного загрязнения, сбор микропластика. в океанах, путешествуя по артериям, чтобы вычистить налет “.

Результаты нового исследования были опубликованы 13 января в Известиях Национальной академии наук .

Сделанные на заказ Живые Системы

Люди манипулируют организмами с пользой для человека, так как по крайней мере на заре сельского хозяйства, генетическое редактирование становится широко распространенным, и несколько искусственных организмов были собраны вручную в последние несколько лет – копируя формы тела известных животных.

Но это исследование, впервые в истории, «проектирует полностью биологические машины с нуля», пишет команда в своем новом исследовании.

В течение нескольких месяцев обработки на суперкомпьютерном кластере Deep Green в UVM Vermont Advanced Computing Core команда, включая ведущего автора и докторанта Сэма Кригмана, использовала эволюционный алгоритм для создания тысяч вариантов проектов для новых форм жизни. Пытаясь выполнить задачу, поставленную учеными – например, передвижение в одном направлении – компьютер снова и снова собирает несколько сотен моделируемых клеток в бесчисленное множество форм и форм тела. Поскольку программы работали, руководствуясь основными правилами, касающимися биофизики того, что могут делать кожа и клетки сердца лягушки, более успешные моделируемые организмы сохранялись и совершенствовались, в то время как неудачные проекты отбрасывались. После ста независимых прогонов алгоритма были выбраны наиболее перспективные разработки для тестирования.

Затем команда Тафтса во главе с Левиным и с ключевой работой микрохирурга Дугласа Блэкстона – воплотила в жизнь проекты in silico. Сначала они собирали стволовые клетки, собранные у эмбрионов африканских лягушек, вида Xenopus laevis . (Отсюда и название «ксеноботы».) Они были разделены на отдельные клетки и оставлены для инкубации. Затем, используя крошечные щипцы и еще более крошечный электрод, клетки разрезали и соединяли под микроскопом в близком приближении к конструкциям, указанным компьютером.

Собранные в формы тела, никогда не встречавшиеся в природе, клетки начали работать вместе. Клетки кожи сформировали более пассивную архитектуру, в то время как когда-то случайные сокращения сердечных мышечных клеток были задействованы, создавая упорядоченное поступательное движение в соответствии с дизайном компьютера и спонтанной самоорганизующейся структурой – позволяя роботам двигаться дальше их.

Было показано, что эти реконфигурируемые организмы способны двигаться согласованно и исследовать свою водянистую среду в течение нескольких дней или недель, питаясь от зародышевых запасов энергии. Однако, перевернувшись, они потерпели неудачу, как жуки, перевернутые на спину.

Более поздние испытания показали, что группы ксеноботов перемещаются по кругу, выталкивая гранулы в центральное место – спонтанно и коллективно. Другие были построены с отверстием в центре, чтобы уменьшить сопротивление. В смоделированных версиях ученые смогли повторно использовать эту дыру в качестве мешочка для успешного переноса объекта. «Это шаг к использованию компьютерных организмов для интеллектуальной доставки лекарств», – говорит Бонгар, профессор кафедры компьютерных наук и 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 экологические проблемы и проблемы со здоровьем человека, такие как растущее загрязнение пластика в океанах и токсичность многих синтетических материалов и электроники. «Недостаток живой ткани в том, что она слабая и деградирует», – говорит Бонгард. «Вот почему мы используем сталь. Но у организмов есть 4,5 миллиарда лет опыта в регенерации и в течение десятилетий». И когда они перестают работать – смерть – они обычно безобидно разваливаются. «Эти ксеноботы полностью биоразлагаемы, – говорит Бонгард, – когда они заканчивают свою работу через семь дней, они просто мертвые клетки кожи».

Ваш ноутбук – это мощная технология. Но попробуйте разрезать его пополам. Не очень хорошо работает. В новых экспериментах ученые вырезали ксеноботов и наблюдали за тем, что произошло. «Мы нарезали робота почти пополам, и он снова сшивает себя и продолжает работать», – говорит Бонгард. «И это то, что вы не можете сделать с типичными машинами».

Взломать код

И Левин, и Бонгар 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 трансформационные приложения ждут нашего открытия того, как это оборудование позволяет клеткам взаимодействовать для создания функциональных анатомий в совершенно разных условиях».

Чтобы заставить организм развиваться и функционировать, существует много обмена информацией и сотрудничества – органических вычислений – все время происходящих внутри и между клетками, а не только внутри нейронов. Эти возникающие и геометрические свойства определяются биоэлектрическими, биохимическими и биомеханическими процессами, «которые протекают на оборудовании, определенном ДНК, – говорит Левин, – и эти процессы можно реконфигурировать, создавая новые живые формы».

Ученые видят работу, представленную в их новом исследовании PNAS – «Масштабируемый конвейер для проектирования реконфигурируемых организмов» – как один из шагов в применении понимания этого биоэлектрического кода как в биологии, так и в информатике. «Что на самом деле определяет анатомию, с которой взаимодействуют клетки?» Левин спрашивает. «Вы смотрите на клетки, с которыми мы строим наших ксеноботов, и, по геному, это лягушки. Это на 100% лягушачий ДНК – но это не лягушки. Тогда вы спрашиваете, ну и на что еще способны эти клетки? строительство?”

«Как мы показали, эти клетки-лягушки могут быть использованы для создания интересных живых форм, которые полностью отличаются от их анатомии по умолчанию», – говорит Левин. Он и другие ученые в команде UVM и Tufts – при поддержке программы DARPA «Машины для обучения на протяжении всей жизни» и Национального научного фонда – считают, что создание ксеноботов – это маленький шаг к взлому того, что он называет «морфогенетическим кодом», обеспечивая более глубокое представление о том, как организмы организованы в целом – и как они вычисляют и хранят информацию, основываясь на их истории и окружающей среде.

Будущие Шоки

Многие люди беспокоятся о последствиях быстрых технологических изменений и сложных биологических манипуляций. «Этот страх не является необоснованным», – говорит Левин. «Когда мы начнем возиться со сложными системами, которые мы не понимаем, мы получим непредвиденные последствия». Многие сложные системы, такие как муравьиная колония, начинаются с простого элемента – муравья, из которого невозможно было бы предсказать форму своей колонии или как они могут строить мосты через воду со своими взаимосвязанными телами.

«Если человечество выживет в будущем, нам нужно лучше понять, как сложные свойства каким-то образом возникают из простых правил», – говорит Левин. Большая часть науки сосредоточена на «контроле правил низкого уровня. Мы также должны понимать правила высокого уровня», говорит он. «Если бы вы хотели муравейник с двумя дымоходами вместо одного, как бы вы изменили муравьев? Мы бы не поняли».

«Я думаю, что для общества абсолютно необходимо идти вперед, чтобы лучше управлять системами, в которых результат очень сложный», – говорит Левин. «Первым шагом к этому является изучение: как живые системы решают, каким должно быть общее поведение, и как мы манипулируем частями, чтобы получить поведение, которое мы хотим?»

Другими словами, «это исследование является прямым вкладом в получение информации о том, чего боятся люди, что является непредвиденными последствиями», – говорит Левин – будь то быстрое прибытие автомобилей с самостоятельным вождением, изменение генных приводов, чтобы уничтожить все линии вирусов, или многие другие сложные и автономные системы, которые будут все больше формировать человеческий опыт.

«В жизни есть все это врожденное творчество», – говорит Джош Бонгард из UVM. «Мы хотим понять это более глубоко – и как мы можем направить и подтолкнуть его к новым формам».


Источник истории:

Материалы предоставлены Университетом Вермонта . Оригинал написан Джошуа Э. Брауном. Примечание: содержание может быть отредактировано по стилю и длине.


Связанные мультимедиа :


Ссылка на журнал :

  1. Сэм Кригман, Дуглас Блэкстон, Майкл Левин и Джош Бонгард. Масштабируемый конвейер для проектирования реконфигурируемых организмов . PNAS , 2020 DOI: 10.1073 / pnas.1910837117