Πέρυσι, μια ομάδα βιολόγων και επιστημόνων υπολογιστών από το Πανεπιστήμιο Tufts και το Πανεπιστήμιο του Βερμόντ (UVM) δημιούργησαν καινοτόμα, μικροσκοπικά αυτοθεραπευόμενα ρομπότ από κύτταρα βατράχων που ονομάζονται “Xenobots“, τα οποία μπορούσαν να κινηθούν, να ωθήσουν ένα ωφέλιμο φορτίο και ακόμη και να εκθέσουν συλλογική συμπεριφορά παρουσία ενός συνόλου άλλων Xenobots.
Ετοιμαστείτε για το Xenobots 2.0.
Η ίδια ομάδα έχει πλέον δημιουργήσει μορφές ζωής που αυτοσυναρμολογούνται ένα σώμα από μεμονωμένα κύτταρα, δεν απαιτούν μετακίνηση μυϊκών κυττάρων και ακόμη και αποδεικνύουν την ικανότητα της εγγράψιμης μνήμης. Η νέα γενιά Xenobots κινείται επίσης γρηγορότερα, πλοηγείται σε διαφορετικά περιβάλλοντα και έχει μεγαλύτερη διάρκεια ζωής από την πρώτη έκδοση και εξακολουθεί να έχει τη δυνατότητα να συνεργάζεται σε ομάδες και να θεραπεύεται εάν καταστραφεί. Τα αποτελέσματα της νέας έρευνας δημοσιεύθηκαν χθες στο Science Robotics.
Σε σύγκριση με το Xenobots 1.0, στο οποίο τα ρομπότ μεγέθους χιλιοστού κατασκευάστηκαν με προσέγγιση “από πάνω προς τα κάτω” με χειροκίνητη τοποθέτηση ιστού και χειρουργική διαμόρφωση δέρματος βατράχου και καρδιακών κυττάρων για παραγωγή κίνησης, η επόμενη έκδοση του Xenobots κατασκευάζεται από “κάτω προς τα πάνω” κατά προσέγγιση. Οι βιολόγοι του Tufts πήραν βλαστοκύτταρα από έμβρυα του αφρικανικού βατράχου Xenopus laevis (εξ ου και το όνομα “Xenobots”) και τους επέτρεψαν να αυτοσυναρμολογηθούν και να αναπτυχθούν σε σφαιροειδή, όπου μερικά από τα κύτταρα μετά από λίγες μέρες διαφοροποιήθηκαν για να παράγουν σιλό – μικροσκοπικές προεξοχές που μοιάζουν με τα μαλλιά που κινούνται εμπρός και πίσω ή περιστρέφονται με συγκεκριμένο τρόπο. Αντί να χρησιμοποιεί χειροκίνητα σκαλισμένα καρδιακά κύτταρα των οποίων οι φυσικές ρυθμικές συσπάσεις επέτρεψαν στα αρχικά Xenobots να κυριαρχούν, τα σιλό δίνουν στα νέα σφαιροειδή μποτάκια “πόδια” για να τα κινούν γρήγορα σε μια επιφάνεια. Σε έναν βάτραχο, ή σε έναν άνθρωπο για αυτό το θέμα, η βλεφαρίδα συνήθως βρίσκεται σε βλεννώδεις επιφάνειες, όπως στους πνεύμονες, για να βοηθήσει στην έξοδο παθογόνων και άλλων ξένων υλικών. Στα Xenobots, επανατοποθετούνται για να παρέχουν γρήγορη κίνηση.
“Βλέπουμε την αξιοσημείωτη πλαστικότητα των κυτταρικών συλλογών, που χτίζουν ένα στοιχειώδες νέο” σώμα “που είναι αρκετά διαφορετικό από την προεπιλογή τους – σε αυτήν την περίπτωση, έναν βάτραχο – παρά το ότι έχει ένα εντελώς φυσιολογικό γονιδίωμα“, δήλωσε ο Michael Levin, διακεκριμένος καθηγητής Βιολογίας και διευθυντής του Allen Discovery Center στο Πανεπιστήμιο Tufts, και αντίστοιχος συγγραφέας της μελέτης. “Σε ένα έμβρυο βατράχου, τα κύτταρα συνεργάζονται για να δημιουργήσουν έναν γυρίνο. Εδώ, αφαιρούμενο από αυτό το πλαίσιο, βλέπουμε ότι τα κύτταρα μπορούν να επαναπροσδιορίσουν το γενετικώς κωδικοποιημένο υλικό τους, όπως τα σιλό, για νέες λειτουργίες όπως η μετακίνηση. Είναι εκπληκτικό το γεγονός ότι τα κύτταρα μπορούν αυθόρμητα αναλάβετε νέους ρόλους και δημιουργήστε νέα σχέδια σώματος και συμπεριφορές χωρίς μεγάλες περιόδους εξελικτικής επιλογής για αυτά τα χαρακτηριστικά“.
“Κατά κάποιο τρόπο, τα Xenobots κατασκευάζονται σαν ένα παραδοσιακό ρομπότ. Μόνο χρησιμοποιούμε κύτταρα και ιστούς και όχι τεχνητά συστατικά για να χτίσουμε το σχήμα και να δημιουργήσουμε προβλέψιμη συμπεριφορά,” είπε ο ανώτερος επιστήμονας Doug Blackiston, ο οποίος συνέγραψε για πρώτη φορά τη μελέτη με την ερευνήτρια Emma Lederer. “Στο βιολογικό τέλος, αυτή η προσέγγιση μας βοηθά να κατανοήσουμε πώς τα κύτταρα επικοινωνούν καθώς αλληλεπιδρούν μεταξύ τους κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης και πώς μπορούμε να ελέγξουμε καλύτερα αυτές τις αλληλεπιδράσεις“.
Ενώ οι επιστήμονες του Tufts δημιούργησαν τους φυσικούς οργανισμούς, οι επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο του Βερμόντ (UVM) ήταν απασχολημένοι με τη διεξαγωγή προσομοιώσεων υπολογιστών που μοντελοποίησαν διαφορετικά σχήματα των Xenobots για να δουν αν ενδέχεται να παρουσιάζουν διαφορετικές συμπεριφορές, τόσο μεμονωμένα όσο και σε ομάδες. Χρησιμοποιώντας το σύμπλεγμα υπερυπολογιστών Deep Green στο Vermont Advanced Computing Core του UVM, η ομάδα, με επικεφαλής τους επιστήμονες υπολογιστών και ειδικούς ρομποτικής Josh Bongard και κάτω από εκατοντάδες χιλιάδες τυχαίες περιβαλλοντικές συνθήκες χρησιμοποιώντας έναν εξελικτικό αλγόριθμο. Αυτές οι προσομοιώσεις χρησιμοποιήθηκαν για τον εντοπισμό των Xenobots που είναι πιο ικανοί να συνεργαστούν σε σμήνη για να συλλέξουν μεγάλους σωρούς από συντρίμμια σε ένα πεδίο σωματιδίων.
“Γνωρίζουμε την δυσκολία της εργασίας, αλλά δεν είναι καθόλου προφανές – για τους ανθρώπους – πώς θα πρέπει να μοιάζει ένας επιτυχημένος σχεδιασμός. Εκεί μπαίνει ο υπερυπολογιστής και αναζητά πάνω από το χώρο όλων των πιθανών σμήνων Xenobot για να βρει το σμήνος που κάνει τη δουλειά καλύτερα“, λέει ο Bongard. “Θέλουμε τα Xenobots να κάνουν χρήσιμη δουλειά. Αυτή τη στιγμή τους δίνουμε απλές εργασίες, αλλά τελικά στοχεύουμε σε ένα νέο είδος ζωντανών εργαλείων που θα μπορούσαν, για παράδειγμα, να καθαρίσουν τα μικροπλαστικά στον ωκεανό ή να μολύνουν το έδαφος“.
Αποδεικνύεται ότι τα νέα Xenobots είναι πολύ ταχύτερα και καλύτερα σε εργασίες όπως η συλλογή απορριμμάτων από το μοντέλο του περασμένου έτους, συνεργάζονται σε ένα σμήνος για να σκουπίσουν ένα τρυβλίο Petri και να συλλέξουν μεγαλύτερους σωρούς σωματιδίων οξειδίου του σιδήρου. Μπορούν επίσης να καλύψουν μεγάλες επίπεδες επιφάνειες ή να ταξιδεύουν μέσω στενών τριχοειδών αγγείων. Αυτές οι μελέτες δείχνουν επίσης ότι οι προσομοιώσεις in silico θα μπορούσαν στο μέλλον να βελτιστοποιήσουν πρόσθετα χαρακτηριστικά βιολογικών ρομπότ για πιο περίπλοκες συμπεριφορές Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό που προστίθεται στην αναβάθμιση Xenobot είναι η δυνατότητα καταγραφής πληροφοριών.
Τώρα με μνήμη
Ένα κεντρικό χαρακτηριστικό της ρομποτικής είναι η ικανότητα καταγραφής μνήμης και χρήσης αυτών των πληροφοριών για την τροποποίηση των ενεργειών και της συμπεριφοράς του ρομπότ. Έχοντας αυτό υπόψη, οι επιστήμονες του Tufts δημιούργησαν τα Xenobots με ικανότητα ανάγνωσης / εγγραφής για να καταγράψουν ένα κομμάτι πληροφοριών, χρησιμοποιώντας μια φθορίζουσα πρωτεΐνη ανταποκριτή που ονομάζεται EosFP, η οποία συνήθως ανάβει πράσινο. Ωστόσο, όταν εκτίθεται σε φως σε μήκος κύματος 390nm, η πρωτεΐνη εκπέμπει κόκκινο φως αντ ‘αυτού.
Τα κύτταρα των εμβρύων βατράχου εγχύθηκαν με mRNA που κωδικοποιεί την πρωτεΐνη EosFP πριν από την αποκοπή των βλαστικών κυττάρων για τη δημιουργία των Xenobots. Τα ώριμα Xenobots έχουν τώρα έναν ενσωματωμένο διακόπτη φθορισμού που μπορεί να καταγράψει την έκθεση σε μπλε φως περίπου 390nm.
Οι ερευνητές δοκίμασαν τη λειτουργία μνήμης επιτρέποντας σε 10 Xenobots να κολυμπούν γύρω από μια επιφάνεια στην οποία ένα σημείο φωτίζεται με μια δέσμη φωτός 390nm. Μετά από δύο ώρες, διαπίστωσαν ότι τρία ρομπότ εκπέμπουν κόκκινο φως. Τα υπόλοιπα παρέμειναν το αρχικό τους πράσινο, καταγράφοντας αποτελεσματικά την “ταξιδιωτική εμπειρία” των bots.
Αυτή η απόδειξη της αρχής της μοριακής μνήμης θα μπορούσε να επεκταθεί στο μέλλον για την ανίχνευση και καταγραφή όχι μόνο του φωτός αλλά και της παρουσίας ραδιενεργών μολύνσεων, χημικών ρύπων, φαρμάκων ή μιας πάθησης. Η περαιτέρω σχεδίαση της λειτουργίας μνήμης θα μπορούσε να επιτρέψει την καταγραφή πολλαπλών ερεθισμάτων (περισσότερα κομμάτια πληροφοριών) ή να επιτρέψει στα bots να απελευθερώσουν ενώσεις ή να αλλάξουν συμπεριφορά κατά την αίσθηση των ερεθισμάτων.
“Όταν προσφέρουμε περισσότερες δυνατότητες στα bots, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τις προσομοιώσεις υπολογιστών για να τις σχεδιάσουμε με πιο περίπλοκες συμπεριφορές και την ικανότητα εκτέλεσης πιο περίπλοκων εργασιών“, δήλωσε ο Bongard. “Θα μπορούσαμε ενδεχομένως να τους σχεδιάσουμε όχι μόνο για να αναφέρουμε συνθήκες στο περιβάλλον τους, αλλά και να τροποποιήσουμε και να επισκευάσουμε συνθήκες στο περιβάλλον τους¨.
Xenobot, αυτοθεραπευόμενο
“Τα βιολογικά υλικά που χρησιμοποιούμε έχουν πολλές δυνατότητες που θα θέλαμε κάποια στιγμή να εφαρμόσουμε στα bots – τα κελιά μπορούν να λειτουργήσουν σαν αισθητήρες, κινητήρες για δίκτυα κίνησης, επικοινωνίας και υπολογισμού και συσκευές εγγραφής για την αποθήκευση πληροφοριών“, δήλωσε ο Levin. “Ένα πράγμα που μπορούν να κάνουν τα Xenobots και οι μελλοντικές εκδόσεις των βιολογικών ρομπότ που δυσκολεύονται να κάνουν τα μεταλλικά και πλαστικά τους είναι να κατασκευάζουν το δικό τους σχέδιο σώματος καθώς τα κύτταρα μεγαλώνουν και ωριμάζουν και στη συνέχεια να επισκευάζουν και να αποκαθίστανται εάν καταστραφούν. Η επούλωση είναι φυσικό χαρακτηριστικό των ζωντανών οργανισμών και διατηρείται στη βιολογία του Xenobot“.
Τα νέα Xenobots ήταν εξαιρετικά έμπειρα στην επούλωση και θα έκλειναν την πλειονότητα μιας σοβαρής πλήρους μήκους ρήξης στο μισό πάχος τους εντός 5 λεπτών από τον τραυματισμό. Όλα τα τραυματισμένα ρομπότ ήταν σε θέση να επουλώσουν τελικά την πληγή, να αποκαταστήσουν το σχήμα τους και να συνεχίσουν τη δουλειά τους όπως πριν.
Ένα άλλο πλεονέκτημα ενός βιολογικού ρομπότ, προσθέτει ο Levin, είναι ο μεταβολισμός. Σε αντίθεση με τα πλαστικά ή μεταλλικά ρομπότ, τα κύτταρα ενός βιολογικού ρομπότ μπορούν να απορροφήσουν και να διαλύσουν χημικά και να λειτουργήσουν σαν μικροσκοπικά εργοστάσια που συνθέτουν και εκκρίνουν χημικά και πρωτεΐνες. Όλος ο τομέας της συνθετικής βιολογίας – που έχει επικεντρωθεί σε μεγάλο βαθμό στον επαναπρογραμματισμό μονοκύτταρων οργανισμών για την παραγωγή χρήσιμων μορίων – μπορεί τώρα να αξιοποιηθεί σε αυτά τα πολυκύτταρα πλάσματα.
Όπως τα αρχικά Xenobots, τα αναβαθμισμένα bots μπορούν να επιβιώσουν έως και δέκα ημέρες στα εμβρυϊκά καταστήματα ενέργειας τους και να εκτελέσουν τα καθήκοντά τους χωρίς πρόσθετες πηγές ενέργειας, αλλά μπορούν επίσης να συνεχίσουν με πλήρη ταχύτητα για πολλούς μήνες, εάν διατηρηθούν σε μια «σούπα» θρεπτικών συστατικών.
Τι πραγματικά αναζητούν οι επιστήμονες
Μια συναρπαστική περιγραφή των βιολογικών ρομπότ και τι μπορούμε να μάθουμε από αυτά παρουσιάζεται σε μια ομιλία του στο TED ο Michael Levin.
Στην ομιλία του στο TED, ο καθηγητής Levin περιγράφει όχι μόνο την αξιοσημείωτη δυνατότητα των μικροσκοπικών βιολογικών ρομπότ να εκτελούν χρήσιμα καθήκοντα στο περιβάλλον ή ενδεχομένως σε θεραπευτικές εφαρμογές, αλλά επίσης επισημαίνει ποιο μπορεί να είναι το πιο πολύτιμο όφελος αυτής της έρευνας – χρησιμοποιώντας το bots για να καταλάβουν πώς τα μεμονωμένα κύτταρα ενώνονται, επικοινωνούν και ειδικεύονται στη δημιουργία ενός μεγαλύτερου οργανισμού, όπως κάνουν στη φύση για να δημιουργήσουν έναν βάτραχο ή έναν άνθρωπο. Πρόκειται για ένα νέο μοντέλο που μπορεί να αποτελέσει τη βάση για την αναγεννητική ιατρική.
Τα Xenobots και οι διάδοχοί τους μπορούν επίσης να δώσουν μια εικόνα για το πώς προέκυψαν οι πολυκύτταροι οργανισμοί από τους αρχαίους μονοκύτταρους οργανισμούς, καθώς και την προέλευση της επεξεργασίας πληροφοριών, της λήψης αποφάσεων και της γνώσης σε βιολογικούς οργανισμούς.
Αναγνωρίζοντας το τεράστιο μέλλον αυτής της τεχνολογίας, το Πανεπιστήμιο Tufts και το Πανεπιστήμιο του Βερμόντ ίδρυσαν το Institute for Computer Designed Organisms (ICDO), το οποίο θα ξεκινήσει επίσημα τους επόμενους μήνες, το οποίο θα συγκεντρώσει πόρους από κάθε πανεπιστήμιο και από εξωτερικές πηγές για να δημιουργήσει τα προς το ζην ρομπότ με ολοένα και πιο εξελιγμένες δυνατότητες.
Επιστημονικό Άρθρο:
Douglas Blackiston, Emma Lederer, Sam Kriegman, Simon Garnier, Joshua Bongard, Michael Levin. A cellular platform for the development of synthetic living machines. Science Robotics, 2021
