Исследователи сообщают, что ксеноботы, созданные компьютером, это собранный организм, также могут находить и собирать отдельные клетки, а также собирать “маленьких” ксеноботов. Через несколько дней незрелые ксаноботы также могут находить клетки и размножаться.
Чтобы сохраниться, жизнь должна размножаться. За миллиарды лет организмы развили множество способов размножения, от опыляемых растений до половых животных и вирусов.
Теперь ученые открыли совершенно новую форму биологического размножения—и применили свое открытие для создания первых в истории самовоспроизводящихся живых роботов.
Та же команда, которая создала первых живых роботов, обнаружила, что эти созданные компьютером и собранные организмы могут заплывать в свою крошечную среду, находить отдельные клетки, собирать их сотни вместе и собирать “маленьких” ксеноботов внутри своего “рта”, который через несколько дней становится новыми ксеноботами, которые выглядят и двигаются точно так же, как они сами.
“При правильном дизайне они будут самопроизвольно самовоспроизводиться”,—говорит Джошуа Бонгард, ученый-компьютерщик и эксперт по робототехнике из Университета Вермонта, который возглавлял новое исследование.
Результаты нового исследования были опубликованы 29 ноября 2021 года в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
В поисках неизвестности.
У лягушки Xenopus laevis эти эмбриональные клетки развились бы в кожу. “Они сидели бы снаружи головастика, защищая его от патогенов и перераспределяя слизь”, - говорит Майкл Левин, профессор биологии и директор Центра открытий Аллена в Университете Тафтса и соруководитель нового исследования. “Но мы помещаем их в новый контекст. Мы даем им шанс переосмыслить свою многоклеточность".
И то, что они себе представляют, - это нечто совсем иное, чем кожа. “Люди довольно долго думали, что мы разработали все способы, которыми жизнь может размножаться или воспроизводиться. Но это то, чего никогда раньше не наблюдалось”,-говорит соавтор Дуглас Блэкистон, старший научный сотрудник Университета Тафтса, который впервые собрал “родителей” ксеноботов и разработал биологическую часть нового исследования.
“Это невероятно", - говорит Левин. “Эти клетки имеют геном лягушки, но, освободившись от превращения в головастиков, они используют свой коллективный разум, пластичность, чтобы сделать что-то поразительное”.
В более ранних экспериментах ученые были поражены тем, что ксеноботы могут быть сконструированы для выполнения простых задач. Теперь они ошеломлены тем, что эти биологические объекты—созданная компьютером коллекция клеток - будет спонтанно размножаться.
“У нас есть полный, неизмененный геном лягушки, - говорит Левин, - но он не дал никакого намека на то, что эти клетки могут работать вместе над этой новой задачей”, - собирать и затем сжимать отдельные клетки в рабочие самокопии.
“Это клетки лягушки, размножающиеся способом, который сильно отличается от того, как это делают лягушки. Ни одно животное или растение, известное науке, не воспроизводится таким образом”, - говорит Сэм Кригман, ведущий автор нового исследования, который защитил докторскую диссертацию в лаборатории Бонгарда в UVM и в настоящее время является аспирантом в Центре Аллена Тафта и Институте биологической инженерии Висса Гарвардского университета.
Сам по себе родитель ксенобота, состоящий примерно из 3000 клеток, образует сферу. “Они могут рожать детей, но после этого система обычно отмирает. На самом деле это очень трудно заставить систему продолжать воспроизводиться”, - говорит Кригман.
Но с помощью программы искусственного интеллекта, работающей суперкомпьютерным кластером Deep Green в Vermont Advanced Computing Core, эволюционный алгоритм смог протестировать миллиарды форм тела при моделировании—треугольники, квадраты, пирамиды, морские звезды—чтобы найти те, которые позволили бы клеткам быть более эффективными при “кинематической” репликации на основе движения, о которой сообщается в новом исследовании.
“Мы запрограммировали суперкомпьютер, чтобы выяснить, как настроить форму исходных родителей, и ИИ придумал несколько странных конструкций после нескольких месяцев работы, в том числе один, который напоминал Pac-Man”, - говорит Кригман.
“Это очень неинтуитивно. Это выглядит очень просто, но это не то, что придумал бы инженер - человек. Почему только один крошечный ротик? Почему не пять? Мы отправили результаты, и создали этих родительских ксеноботов. Затем эти родители построили своих детей, которые построили внуков, которые построили правнуков, которые построили праправнуков и т.д.”.
Другими словами, правильный дизайн организма значительно увеличил число поколений.
Кинематическая репликация хорошо известна на уровне молекул, но она никогда раньше не наблюдалась в масштабе целых клеток или организмов.
“Мы обнаружили, что внутри организмов или живых систем существует ранее неизвестное пространство, и это очень огромное пространство”, - говорит Бонгард, профессор Колледжа инженерных и математических наук UVM.
“Как же нам тогда исследовать это пространство? Мы создали ксеноботов, которые передвигаются. Мы создали ксеноботов, которые плавают. И теперь, в этом исследовании, мы обнаружили ксеноботов, которые кинематически копируются. Что еще там ещё есть!?”
Или, как пишут ученые в исследовании Proceedings of the National Academy of Sciences: “жизнь таит в себе удивительное поведение прямо под поверхностью, ожидая, когда ее раскроют”.
Реагирование на искусственный организм
Некоторым людям это может показаться волнующим. Другие могут с беспокойством или даже с ужасом отреагировать на идею самовоспроизводящейся биотехнологии. Для команды ученых иная цель - это более глубокое понимание жизни.
“Мы работаем над тем, чтобы понять это свойство: репликация. Мир и технологии стремительно меняются. Для общества в целом важно, чтобы мы изучили и поняли, как это работает”, - говорит Бонгард.
Эти живые машины миллиметрового размера, полностью содержащиеся в лаборатории, легко умирающие и проверенные федеральными, государственными и институциональными экспертами по этике“, -это не то, что не дает нам спать по ночам и пугаться. Что представляет действительно риск, так это следующая пандемия. Ущерб экосистеме от загрязнения. Усиление угроз, связанных с изменением климата”, - говорит Бонгард из UVM.
“Это идеальная система для изучения самовоспроизводящихся систем. У нас есть моральный императив понять условия, при которых мы можем контролировать это, направлять это, гасить это, или увеличивать ".
Команда стремится ускорить то, как быстро люди могут перейти от выявления проблемы к выработке решений— ”например, развернуть живые машины для извлечения микропластика из водных путей или создания новых лекарств”, - говорит Бонгард.
“Нам нужно создавать технологические решения, которые растут с той же скоростью, что и проблемы, с которыми мы сталкиваемся”, - говорит Бонгард.
И команда видит многообещающие перспективы в из исследованиях, направленных на развитие регенеративной медицины.
“Если бы мы знали, как заставить ксеноботов делать то, что мы от них хотим, в конечном счете, это была бы новая регенеративная медицина — это решение травматических повреждений, врожденных дефектов, рака и старения”, - говорит Левин.
“Все эти различные проблемы возникают здесь и сейчас, потому что мы не знаем, как предсказать и контролировать, какие группы ксеноботов будут строиться. Ксеноботы-это новая платформа для обучения нас”.
Оригинальное исследование: Открытый доступ.
Сэма Кригмана, Дугласа Блэкистона, Майкла Левина и Джоша Бонгарда. PNAS
