Dodano: 30 listopad 2021r.

Xenoboty - pierwsze biologiczne roboty zdolne do samoreplikacji

W 2020 roku naukowcy zaprezentowali pierwsze na świecie roboty stworzone przy pomocy komórek pobranych od żab. Te biologiczne automaty nazwane xenobotami początkowo potrafiły się poruszać i przenosić niewielkie ładunki w określone miejsce. W miarę postępów prac malutkie roboty stały się szybsze, zwrotniejsze, zaczęły wykonywać złożone zadania w grupach i zostały wyposażone w coś na kształt pamięci. Teraz naukowcy poinformowali, że ich xenoboty potrafią się replikować.

Xenoboty - pierwsze biologiczne roboty zdolne do samoreplikacji

 

Xenoboty zostały zbudowane przy pomocy 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. Nie są to tradycyjne roboty, a raczej nowa klasa żywych, programowalnych organizmów.

Pierwsze xenoboty zostały zaprojektowane na superkomputerze na University of Vermont, a następnie zbudowane i przetestowane przez biologów z Tufts University. Naukowcy w pracach wykorzystali algorytm, który wirtualnie łączył ze sobą komórki żabich serc i skóry w różnych konfiguracjach, by osiągnąć zadanie przypisane przez badaczy, 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.

Algorytmy oczywiście działały w oparciu o podstawowe zasady dotyczące biofizyki tego, co mogą zrobić pojedyncze komórki skóry i serca. Naukowcy udoskonalali wersje, które odniosły sukces, resztę odrzucali. Do budowy i testów wybrano najbardziej obiecujące projekty. Tak powstała pierwsza i druga generacja xenobotów - malutkich maszyn mogących wykonywać nawet złożone zadania (więcej na ten temat w tekście: Nowa generacja xenobotów - żywych robotów zbudowanych z komórek skóry żaby). Teraz naukowcy poinformowali, że ich xenoboty mają zdolność do samoreplikacji i tworzenia nowych wersji samych siebie. Jednak nie osiągają tego za pomocą technik reprodukcji, które zwykle obserwujemy w biologicznych formach życia.

Wyniki nowych badań zostały opublikowane w „Proceedings of National Academy of Sciences” (DOI: 10.1073/pnas.2112672118).

Xenoboty

U platany szponiastej, część komórek, z których skorzystali naukowcy, rozwinęłoby się w skórę. - Siedziałyby sobie na kijance chroniąc ją przed patogenami i redystrybuując śluz – mówi Michael Levin z Tufts University, współautor nowych badań. - Ale my umieszczamy je w nowym kontekście. Dajemy im szansę na ponowne wyobrażenie sobie ich wielokomórkowości – dodaje. A to, co sobie wyobrażają, jest czymś zupełnie innym niż skóra. - Te komórki mają genom żaby, ale uwolnione od stania się kijankami wykorzystują swoją zbiorową inteligencję, plastyczność, aby zrobić coś zdumiewającego - podkreśla.

- Ludzie sądzą, że znamy już wszystkie sposoby reprodukcji czy replikacji życia. Ale jest coś, czego nigdy wcześniej nie zaobserwowano – mówi współautor badań Douglas Blackiston z Tufts University. To on opracował biologiczną część nowego eksperymentu. We wcześniejszych eksperymentach naukowcy byli zdumieni, że xenoboty można zaprojektować do wykonywania prostych zadań. Teraz są jeszcze bardziej zdumieni, że te biologiczne obiekty – zaprojektowany komputerowo zbiór komórek – mogą się spontanicznie replikować.

- Są to komórki żaby, które replikują się w sposób bardzo odmienny od tego, w jaki robią to żaby. Żadne zwierzę ani roślina znane nauce nie replikuje się w ten sposób – zaznacza Sam Kriegman, główny autor nowego badania.

Samoreplikacja

Pierwsze xenoboty miały szerokość około jednego milimetra i składały się z 500 – 1000 komórek. Późniejsze wersje były już o połowę mniejsze i powstały też w inny sposób. Naukowcy pobrali komórki macierzyste z embrionów afrykańskiej żaby i pozwolili 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, choć ich funkcja w organizmie żaby jest zupełnie inna (poprzednie wersje do poruszania się korzystały ze skurczu komórek mięśnia sercowego). Xenoboty nie posiadają neuronów czy układu trawiennego i po około dwóch tygodniach rozpadają się.

Kiedy kilkanaście tych biologicznych maszyn drugiej generacji, które powstały w wyniku samoorganizacji, zostało umieszczonych na szalce Petriego, gdzie znajdowały się pluripotencjlane komórki macierzysta platan szponiastych, które mogą różnicować się w komórki dowolnego typu, ich ruch zaczął gromadzić luźne komórki macierzyste unoszące się w roztworze w skupiska. Gdy wystarczająca ilość luźnych komórek została ułożona razem, zagregowana grupa około 50 komórek stała się rodzajem potomstwa xenobota, zdolnego do samodzielnego poruszania się. Obecne w roztworze luźne komórki macierzyste powieliły obecną w ich środowisku formę, czyli xenoboty. Nie zachowały się tak w wyniku inżynierii genetycznej i nie potrzebowały do tego żadnych instrukcji.

"Odkryliśmy, że syntetyczne wielokomórkowe zespoły mogą również replikować się, przesuwając i kompresując zdysocjowane komórki w ich środowisku w funkcjonalne samokopie” – wyjaśniają naukowcy w publikacji opisującej rekonfigurowalne organizmy. „Ta forma utrwalania, wcześniej niespotykana w żadnym organizmie, pojawia się spontanicznie w ciągu kilku dni, nie ewoluowała przez tysiąclecia” - dodają.

Podobne zjawisko nie było dotąd obserwowane w żywych systemach wielokomórkowych, takich jak xenoboty.

Pac-Man

Sam rodzic xenobota, złożony z około 3000 komórek, ma kształt kuli. Naukowcy zauważyli, że ten syntetyczny organizm może się samopowielać, ale nie w nieskończoność. Dzięki algorytmom sztucznej inteligencji, naukowcy byli w stanie przetestować w wirtualnym środowisku miliardy kształtów xenebotów, aby znaleźć taki, które umożliwi komórkom być bardziej efektywnym w replikacji.

- Superkomputer otrzymał zadanie, które polegało na tym, by opracował najlepszy kształt xenobotów-rodziców. Sztuczna inteligencja po miesiącach pracy „wymyśliła” kilka dziwnych projektów, w tym taki, który przypominał Pac-Mana. To bardzo nieintuicyjne. Wygląda na bardzo proste, ale nie jest to coś, co wymyśliłby ludzki inżynier. Dlaczego jedna maleńka buzia? Dlaczego nie pięć? Przesłaliśmy wyniki Dougowi (Douglas Blackiston – przyp. red.), a on zbudował xenoboty w kształcie Pac-Mana, a potem te xenoboty zbudowały swoje dzieci, które zbudowały im wnuki, które zbudowały prawnuki itd. - mówi Kriegman. Innymi słowy, odpowiedni projekt znacznie wydłużył liczbę pokoleń biologicznych maszyn.

Zagrożenie czy szansa?

Niektórzy ludzie mogą uznać to za ekscytujące. Inni mogą zareagować z niepokojem, a nawet przerażeniem na pomysł samoreplikującej się biotechnologii. Ale dla zespołu naukowców celem jest głębsze zrozumienie. Jak napisali w publikacji, „życie kryje w sobie zaskakujące zachowania tuż pod powierzchnią, czekające na odkrycie”.

- Pracujemy nad zrozumieniem tej właściwości: replikacji. Świat i technologie szybko się zmieniają. Dla całego społeczeństwa ważne jest, abyśmy badali i rozumieli, jak to działa - mówi Joshua Bongard, informatyk i ekspert w dziedzinie robotyki z Uniwersytetu Vermont, współautor badań. Dodaje, że xenoboty potrafiące się powielać „nie są tym, co nie pozwala mi zasnąć w nocy. Tym, co stanowi zagrożenie, jest następna pandemia, przyspieszające niszczenie ekosystemów przez zanieczyszczenia czy nasilające się zagrożenia wynikające ze zmian klimatycznych”. - To idealny system do badania samoreplikujących się systemów. Mamy moralny imperatyw zrozumienia warunków, w jakich możemy go kontrolować i nim kierować – podkreśla.

Zespół widzi nadzieję ewentualnego zastosowania swoich xenobotów chociażby w badaniach nad postępami w medycynie regeneracyjnej. - Gdybyśmy wiedzieli, jak powiedzieć kolekcjom komórek, aby zrobiły to, czego od nich oczekujemy, to w końcu byłaby to medycyna regeneracyjna – rozwiązanie na urazy, wady wrodzone, nowotwory i starzenie się. Nie wiemy, jak przewidywać i kontrolować, które grupy komórek będą się różnicować i w co. Xenoboty to dla nas nowa platforma do nauki – mówi Levin.

Ale potencjalnych zastosować tych malutkich maszyn biologicznych jest więcej. 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.

 

Źródło: University of Vermont, fot. Douglas Blackiston/ Sam Kriegman