Dodano: 01 kwiecień 2021r.

Nowa generacja Xenobotów - żywych robotów zbudowanych z komórek skóry żaby

W ubiegłym roku naukowcy przy pomocy komórek pobranych od żab stworzyli malutkie, samonaprawiające się maszyny biologiczne, które były zdolne poruszać się, a nawet przenosić niewielkie ładunki w określone miejsce. Twórcy nazwali swoje dzieło Xenobotami. W nowych badaniach zespół odpowiedzialny za te biologiczne maszyny ulepszył ich konstrukcję i zademonstrował nowe możliwości. Xenoboty 2.0 są szybsze, zwrotniejsze, potrafią wykonywać złożone zadania w grupach i zostały wyposażone w coś na kształt pamięci.

Nowa generacja Xenobotów - żywych robotów zbudowanych z komórek skóry żaby

 

Xenoboty zostały zbudowane przy użyciu komórek macierzystych serc i skóry pobranych z embrionów platan szponiastych – żab żyjących w środkowej i południowej Afryce. Nazwa tej dziwnej hybrydy maszynowo-zwierzęcej nawiązuje do łacińskiej nazwy żab - Xenopus laevis. Ich nowe wersje, o których naukowcy poinformowali na łamach pisma „Science Robotics”, potrafią znacznie więcej i powstały w nieco inny sposób.

Xenoboty

Pierwsze Xenoboty, biologiczne automaty o szerokości około milimetra, zostały zaprojektowane przez 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 określonym kierunku. Coś jak zabawa klockami Lego. Komputer w kółko składał kilkaset symulowanych komórek w niezliczone kształty, by osiągnąć cel.

Gdy model wirtualny był gotowy, naukowcy najpierw pobrali komórki macierzyste z zarodków afrykańskich żab i pozostawili je do inkubacji. Następnie, przy użyciu maleńkich kleszczy i jeszcze drobniejszej elektrody, komórki pocięto i połączono pod mikroskopem w struktury określone przez algorytm.

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.

Xenoboty 2.0

Xenoboty nowej generacji są o około połowę mniejsze od poprzedników i powstały w inny sposób. Zespół biologów i informatyków z Tufts University i University of Vermont (UVM) pobrał komórki macierzyste z embrionów afrykańskiej żaby i pozwolił im na samoorganizację. Oddzielone od swoich zwykłych miejsc w rozwijającym się zarodku komórki organizowały się w sferoidy. Część z nich po kilku dniach zaczęła się różnicować, tworząc rzęski - maleńkie podobne do włosów wypustki, które zapewniły nowym Xenobotom zdolność poruszania się w przód i w tył i nawet obracania się w określony sposób.

Podczas gdy poprzednie wersje do poruszania się korzystały ze skurczu komórek mięśnia sercowego, wspomniane rzęski, których funkcje w organizmie są zupełnie inne (na skórze żaby odpychają patogeny i rozprowadzają śluz), zapewniły Xenobotom nowej generacji „nogi”. To usprawnienie pozwoliło na znacznie szybszy ruch biologicznych maszyn.

- Jesteśmy świadkami niezwykłej plastyczności kolektywów komórkowych budujących prymitywne nowe ciało, które różni się od ich domyślnego - w tym przypadku żaby - pomimo posiadania całkowicie normalnego genomu - powiedział Michael Levin z Tufts University. - W zarodku żaby komórki współpracują ze sobą, tworząc kijankę. Tutaj, uwalniając komórki od normalnego kontekstu widzimy, że te mogą ponownie wykorzystać swój kodowany genetycznie sprzęt, taki jak rzęski, do nowych funkcji, jak lokomocja. To niesamowite, że komórki mogą spontanicznie przyjmować nowe role i tworzyć nowe plany ciała i zachowania bez długich okresów ewolucyjnej selekcji tych cech – dodał.

- W pewnym sensie Xenoboty są zbudowane podobnie jak tradycyjny robot. Tylko my używamy komórek i tkanek, a nie sztucznych komponentów, aby zbudować kształt i stworzyć przewidywalne zachowanie – zaznaczył Doug Blackiston, współautor badań. - Z punktu widzenia biologii podejście to pomaga nam zrozumieć, w jaki sposób komórki komunikują się ze sobą podczas rozwoju i jak możemy lepiej kontrolować te interakcje – dodał.

Roje Xenobotów

Podczas gdy naukowcy z Tufts stworzyli organizmy, badacze z UVM zajęli się przeprowadzaniem symulacji komputerowych, które modelowały różne kształty Xenobotów, aby sprawdzić, czy mogą wykazywać różne zachowania, zarówno indywidualnie, jak i w grupach. Korzystając z klastra superkomputerów Deep Green w Vermont Advanced Computing Core, zespół kierowany przez informatyka i eksperta od robotyki Josha Bongarda zidentyfikował Xenoboty, które najbardziej nadawały się do współpracy w roju, by razem wykonywać złożone zadania.

- Znamy zadanie, ale nie jest wcale oczywiste dla ludzi, jak powinien wyglądać udany projekt. W tym miejscu pojawia się superkomputer i przeszukuje przestrzeń wszystkich możliwych rojów Xenobotów, aby znaleźć taki, który najlepiej spełni zaplanowane zadanie – powiedział Bongard. - Chcemy, aby Xenoboty wykonywały pożyteczną pracę. Obecnie dajemy im proste zadania, ale ostatecznie dążymy do nowego rodzaju żywego narzędzia, które mogłoby na przykład usuwać mikroplastiki z oceanów lub zanieczyszczenia z gleby – dodał.

Okazało się, że nowe Xenoboty są znacznie szybsze i lepsze w zadaniach, takich jak chociażby zbieranie śmieci, niż model z zeszłego roku. W eksperymencie laboratoryjnym rój Xenobotów uprzątnął zaśmieconą cząstkami tlenku żelaza powierzchnię szalki Petriego w uporządkowane stosy.

Te żywe maszyny mogą również pokrywać duże, płaskie powierzchnie lub przemieszczać się przez wąskie naczynia włosowate. Badacze zapewniają, że można zoptymalizować dodatkowe cechy robotów biologicznych pod kątem bardziej złożonych zachowań. Jedną z ważnych funkcji nowej generacji Xenobotów jest możliwość rejestrowania informacji.

Żywe maszyny z funkcją pamięci

Badacze w usprawnieniu konstrukcji z ubiegłego roku wzięli też pod uwagę możliwość rejestrowania pamięci i wykorzystywania tych informacji do modyfikowania działań i zachowań biologicznych maszyn. Nowe Xenoboty mają możliwość zapisu i odczytu jednej informacji.

Naukowcy skorzystali z fluorescencyjnego białka zwanego EosFP, które normalnie świeci na zielono. Jednak po wystawieniu na działanie światła o długości fali 390 nm białko emituje zamiast tego światło czerwone. Jeszcze przed pobraniem komórek z zarodków żab, wstrzyknięto zarodkom informacyjne RNA kodujące białko EosFP. W ten sposób Xenoboty nowej generacji zyskały wbudowany włącznik fluorescencyjny, który może rejestrować ekspozycję na światło niebieskie o długości fali około 390 nm.

Naukowcy przetestowali funkcję pamięci żyjących maszyn wpuszczając 10 z nich na powierzchnię, gdzie tylko jedno miejsce było oświetlone wiązką światła o określonej długości fali. Po dwóch godzinach odkryli, że trzy boty emitują czerwone światło. Reszta pozostała z oryginalną zielenią.

Taką funkcjonalność będzie można w przyszłości rozszerzyć, by Xenoboty wykrywały i rejestrowały nie tylko światło, ale także obecność skażeń radioaktywnych, zanieczyszczeń chemicznych, leków lub stanu chorobowego. Dalsza inżynieria funkcji pamięci mogłaby umożliwić rejestrowanie wielu bodźców lub pozwolić robotom na uwalnianie związków lub zmianę zachowania po odczuciu bodźca.

- Gdy zwiększymy możliwości botów, będziemy mogli wykorzystać symulacje komputerowe do zaprojektowania ich z bardziej złożonymi zachowaniami i możliwością wykonywania bardziej skomplikowanych zadań. Moglibyśmy potencjalnie zaprojektować je nie tylko w celu raportowania warunków w ich środowisku, ale także do modyfikowania tych warunków - powiedział Bongard.

Regeneracja i metabolizm

- Materiały biologiczne, których używamy, mają wiele funkcji, które chcielibyśmy kiedyś zaimplementować w botach - komórki mogą działać jak czujniki, silniki, sieci komunikacyjne i obliczeniowe oraz urządzenia rejestrujące do przechowywania informacji. Jedną z rzeczy, które potrafią nasze biologiczne maszyny, a ich metalowe i plastikowe odpowiedniki mają z tym trudności, jest konstruowanie własnego planu ciała w miarę rozwoju i dojrzewania komórek, a następnie naprawianie go, jeśli ulegnie uszkodzeniu. Leczenie jest naturalną cechą żywych organizmów i ta cecha jest zachowana w biologii Xenobotów - powiedział Levin.

Zdolności regeneracyjne nowej wersji Xenobotów są znacznie lepsze niż w przypadku poprzedników. Małe maszyny leczyły i zamykały większość poważnych ran szarpanych wykonanych na całej ich długości i do połowy grubości w ciągu 5 minut od urazu. Wszystkie kontuzjowane roboty były w stanie ostatecznie wyleczyć ranę, powrócić do pierwotnego kształtu i kontynuować swoją pracę.

Kolejną zaletą biologicznych robotów jest metabolizm. W przeciwieństwie do robotów metalowych i plastikowych, komórki robota biologicznego mogą wchłaniać i rozkładać związki chemiczne i działać jak małe fabryki syntetyzujące i wydalające chemikalia i białka. Cała dziedzina biologii syntetycznej - która w dużej mierze skupiała się na przeprogramowaniu organizmów jednokomórkowych w celu wytworzenia użytecznych cząsteczek - może teraz zostać wykorzystana w tych żyjących maszynach.

Podobnie jak oryginalne Xenoboty, te zmodernizowane mogą przetrwać do dziesięciu dni na swoich zapasach energii embrionalnej i wykonywać zadania bez dodatkowych źródeł energii. Ale karmione „zupą” składników odżywczych mogą pracować z pełną wydajnością przez wiele miesięcy.

 

Źródło: Tufts University, fot. Doug Blackiston/ Tufts University