Dodano: 14 styczeń 2020r.

Pierwsze roboty zbudowane z żywych komórek

Komórki macierzyste pobrane od żab posłużyły naukowcom do stworzenia malutkich robotów, które są w stanie poruszać się, a nawet przenosić niewielkie ładunki w określone miejsce. Te żywe maszyny badacze nazwali xenobotami i jak twierdzą, są one całkiem nową klasą żywych, programowalnych organizmów.

Pierwsze roboty zbudowane z żywych komórek

 

Xenoboty mają szerokość około milimetra. Składają się z 500 – 1000 komórek. - To całkiem nowe, żywe maszyny - stwierdził Joshua Bongard z University of Vermont, współautor badań. - Nie są ani tradycyjnym robotem, ani znanym nam gatunkiem zwierząt. Są nową klasą żywych, programowalnych organizmów – dodał.

Nowa forma życia

Pierwsze żywe roboty zostały zbudowane przy użyciu komórek macierzystych serc i skóry pobranych z embrionów platan szponiastych – żab żyjących w środkowej i południowej Afryce. Ta dziwna hybryda maszynowo-zwierzęca nazwana została przez twórców kesnobotem, co nawiązuje do łacińskiej nazwy żab - Xenopus laevis. Naukowcy twierdzą, że jest to „zupełnie nowa forma życia”.

Nowe stworzenia zostały zaprojektowane na superkomputerze na University of Vermont, a następnie zbudowane i przetestowane przez biologów z Tufts University. - Możemy sobie wyobrazić wiele użytecznych zastosowań tych żywych robotów, których inne maszyny nie są w stanie wykonać - powiedział Michael Levin z Tufts University. Jak dodał uczony, wśród zadań, które mogłyby wykonywać xenoboty mogłyby się znaleźć wyszukiwanie niebezpiecznych związków lub skażenia radioaktywnego, zbieranie mikroplastiku z oceanów, dostarczanie leków w określone miejsca w organizmie czy nawet usuwanie płytki nazębnej.

Jak stwierdzili autorzy badań opublikowanych w „Proceedings of National Academy of Sciences”, są one pierwszymi, w których od zera zaprojektowana została biologiczna maszyna. Naukowcy w pracach wykorzystali algorytm, który wirtualnie łączył ze sobą komórki żabich serc i skóry w różnych konfiguracjach, by osiągnąć zadanie przypisane przez naukowców, jak chociażby poruszanie się w jednym kierunku. Coś jak zabawa klockami Lego. Komputer w kółko składał kilkaset symulowanych komórek w niezliczone kształty, by osiągnąć cel.

Ponieważ program działał w oparciu o podstawowe zasady dotyczących biofizyki tego, co mogą zrobić pojedyncze komórki skóry i serca, udoskonalano organizmy, które odniosły sukces, a nieudane projekty odrzucano. Do budowy i testów wybrano najbardziej obiecujące projekty.

Żywe maszyny

Budową żywych robotów zajął się zespół Levina. Najpierw komórki macierzyste pobrane z zarodków afrykańskich żab zostały pozostawione do inkubacji. Następnie, przy użyciu maleńkich kleszczy i jeszcze drobniejszej elektrody, komórki pocięto i połączono pod mikroskopem w struktury określone przez algorytm. Zajął się tym mikrochirurg Douglas Blackiston.

Komórki złożone w formy, których natura nigdy nie widziała, zaczęły ze sobą współpracować. Komórki skóry tworzyły bardziej pasywną architekturę, rodzaj rusztowania, podczas gdy skurcze komórek mięśnia sercowego wytwarzały uporządkowany ruch, zgodnie z projektem komputera, napędzając żywe roboty.

W badaniach wykazano, że te rekonfigurowalne organizmy potrafią poruszać się w środowisku wodnym nawet przez tydzień bez potrzeby stosowania dodatkowych składników odżywczych, zasilane z własnych zapasów energii w postaci lipidów i białek.

Jedna z najbardziej udanych kreacji to robot z czterema nóżkami (na zdjęciu), które służyły mu do poruszania się. Inny zyskał otwór w środku, który badacze wykorzystali jak luk ładunkowy do transportu różnorakich związków. - To krok w kierunku wykorzystania organizmów zaprojektowanych komputerowo do precyzyjnego dostarczania leków - teoretyzował Bongard.

Zdolność do regeneracji

- Minusem żywej tkanki jest to, że jest słaba i ulega degradacji. Ale organizmy mają 4,5 miliarda lat praktyki w regeneracji . A kiedy przestają pracować następuje śmierć i zwykle rozpadają się na nieszkodliwie związki. Te xenoboty są w pełni biodegradowalne, kiedy kończą swoją pracę, są po prostu martwymi komórkami - podkreślił Bongard.

Wspomniana zdolność do regeneracji została przetestowana. Uczeni poważnie uszkodzili kesnobota i obserwowali, co się stanie. - Przecięliśmy robota prawie na pół, a on sam się naprawił i kontynuował pracę. Tego nie można zrobić z typowymi maszynami – zauważył Bongard.

Zarówno Levin, jak i Bongard twierdzą, że potencjał tego, czego się nauczyli, w jaki sposób komórki komunikują się i łączą, jest nieoceniony. - Najważniejszym zagadnieniem w biologii jest zrozumienie algorytmów determinujących formę i funkcję. Genom koduje białka, ale to, jak ten sprzęt umożliwia komórkom współpracę w tworzeniu funkcjonalnych anatomii w bardzo różnych warunkach, czeka na odkrycie – przyznał Levin.

Aby organizm mógł się rozwijać i funkcjonować musi dojść do wymiany informacji i współpracy. Te właściwości są kształtowane przez procesy bioelektryczne, biochemiczne i biomechaniczne, które działają na sprzęcie określonym przez DNA, a procesy te można konfigurować, umożliwiając nowe formy życia.

- Patrzysz na komórki, z których zbudowaliśmy nasze xenoboty i genomowo są to żaby. To w 100 procentach DNA żaby, ale to nie są żaby. Następnie pytasz, co jeszcze można zbudować z tych komórek. Jak wykazaliśmy, te komórki można łączyć, aby tworzyć interesujące żywe formy, które całkowicie różnią się od ich domyślnej anatomii – powiedział Levin.

Wiele osób martwi się konsekwencjami szybkich zmian technologicznych i złożonych manipulacji biologicznych. Chociaż zespół nazywa xenoboty „żywymi”, to właściwie zależy od tego, jak zdefiniuje się żywe stworzenia. Xenoboty nie są w stanie ewoluować samodzielnie, nie mają narządów rozrodczych i nie są w stanie się rozmnażać. Kiedy zabraknie im paliwa, czyli składników odżywczych, stają się po prostu małą gromadą martwych komórek.

 

Źródło: University of Vermont, fot. Douglas Blackiston