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生命繁衍新方式:科学家造出会“生孩子”的活体机器人?
发布时间:2021-12-01 09:36 来源:生物世界

生命要想延续下去,就必须繁衍。数十亿年来,生物体已经进化出多种自我复制和繁衍的方式,从病毒自我复制到植物的发芽,再到动物的有性生殖。

2020年,HBO上线了一部名为《异星灾变》的电视剧,剧中一个机器人孕育并生下了孩子,惊呆了观众。

而现在,一项最新研究显示,“机器人生孩子”并非天方夜谭。科学家们发现了一种新的生物繁殖形式,并创造了自我复制的活体机器人。

2021年3月31日,塔夫茨大学艾伦探索中心主任 Michael Levin 教授团队在《Science》子刊 《Science Robotics》期刊发表了题为“A cellular platform for the development of synthetic living machines”的研究论文。

在这项研究中,研究团队利用非洲爪蟾(Xenopus laevis)的细胞,创造了小型合成生命机器(Synthetics Living Machines),并将其命名为Xenobots。

它们可以由单个细胞自组装而来,无需肌肉细胞即可在不同环境中快速移动,推动有效载荷,它们还可以记住自己的经历,在受损时可以自愈,并表现出群体行为。

2021年11月29日,该研究团队在《美国科学院院刊》(PNAS)发表了题为:Kinematic self-replication in reconfigurable organisms 的研究论文。

研究团队在之前创造的小型合成生命机器(Synthetics Living Machines)的从基础上更进一步,创造出了有史以来第一批能够自我复制的活体机器人。

Xenobots的诞生

研究团队从非洲爪蟾胚胎中提取干细胞,使它们自组装并长成球形,几天后其中的一些细胞分化产生纤毛,这些纤毛就像腿一样,可以帮助球形的Xenobots快速移动。

该研究的通讯作者、塔夫茨大学艾伦探索中心主任 Michael Levin 教授表示,这项研究让我们目睹了细胞集群的非凡可塑性,尽管它们具有完全正常的基因组,但却能形成了一个几乎新的“物体”,与它们原本来源的非洲爪蟾截然不同。

这些细胞可以将其遗传编码的纤毛重新用于新功能的——运动,令人惊奇的是,这些细胞可以自发承担起新的角色并创建新的身体计划和行为,而无需为这些特征进行长时间的进化选择。

当非洲爪蟾细胞将自己组装成Xenobots时,它们可以借助表面上存在的纤毛以协同的方式移动。而且它们可以接受外科手术、遗传、化学和光学刺激。Xenobots可以在水中操纵,在受损伤后能够自愈,并表现出可预测的集体行为。

该研究的第一作者Douglas Blackiston博士表示,某种程度上,这种Xenobots机器人跟传统机器人在构造上是类似的,只不过Xenobots是使用了细胞和组织来构建并创造了可预测行为。这项研究也有助于了解细胞在发育过程中如何相互作用,以及如何更好地控制这些相互作用。

该研究的共同第一作者,Douglas Blackiston(左),Emma Lederer(右)

接下来,研究团队使用计算机对Xenobots的个体和集体行为进行了模拟,这些模拟发现Xenobots擅长群体协同工作。

一、用于清理垃圾

研究团队将Xenobots培养在均匀铺满氧化铁颗粒的培养皿中,Xenobots能够一起扫过培养皿表面,迅速收集大量氧化铁颗粒,这表明Xenobots可以通过群体行为清理垃圾。

研究团队表示,目前Xenobots虽然只能做一些简单的任务,但是最终的目标是开发出一种有用的新型生命机器,例如用于清理海洋中的微塑料或土壤中的污染物。

二、可以记录信息

研究团队在创建Xenobots之前,向非洲爪蟾胚胎细胞中注入了编码EosFP蛋白的mRNA,该蛋白会发出绿色荧光,但是当暴露于390nm波长的蓝光时,该蛋白会发出红光。因此,成熟的Xenobots具有内置的荧光开关,可以记录暴露于蓝光的情况。

为了验证这一功能,研究团队将10个Xenobots放置在一个直径5厘米的培养皿表面,培养皿中有一个直径7毫米的区域直射蓝光,2个小时后,有3个Xenobots发出了红光,其余的保持原始绿色,这表明这3个机器人曾运动到了这束蓝光下,有效记录了它们的“旅行经历”。

研究团队表示,可以利用Xenobots的这种分子记忆来检测放射性污染物、化学污染物的存在,或药物、疾病状况等等。

三、生物机器人的优势

研究团队表示,这种Xenobots机器人,相比于金属和塑料机器人,具有许多优势,比如,它们可以随着细胞的生长和成熟,建立自己的身体计划,还能在受损时进行自我修复。这种自我修复是生物体的自然特征,并且在Xenobots中得以保留。

这些生物机器人中的细胞还可以吸收和分解化学物质,像微型工厂一样工作,合成和排出化学物质和蛋白质。此外,还可以通过计算机模拟为它们设计更复杂的行为,让它们执行更复杂的任务。

四、实现自我复制

上述Xenobots机器人有一个不足,就是无法自我复制。因此,研究团队继续研究,希望能突破这一点。

研究团队使用佛蒙特大学的超级计算机上运行的 AI 程序上进行模拟测试,通过测试数十亿种生物体型的进化算法发现哪种细胞配置能够实现自我复制。最终,AI 发现了一个成功的设计:一组形状像 1980 年代街机游戏吃豆人的细胞。

研究团队使用 AI 的设计方案,使用微型电烙铁和手术钳手工雕刻出Xenobots母体,它由3000个青蛙细胞组成,能够在培养皿中游走。随后,添加到培养皿中的青蛙细胞为Xenobots母体提供了原材料,它们用这些材料在吃豆人形状的“嘴巴”中造出Xenobabies。

几天后,Xenobabies又成长为外观和动作与母体一样的新的Xenobot。这些新的 Xenobot 会继续出去寻找细胞,建立自己的副本,循环往复。

这项研究显示,这种细胞簇如果从发育中的生物体中解放出来,可以找到松散的细胞并将其组合成外观和行动一致的新细胞簇,并且这种能力不必专门进化或通过基因操作引入。这也表明人工智能可以设计出更好复制的集群,并执行有用的工作。这也说明了生命在表面之下隐藏着令人惊讶的行为,还在等待被人类发现。

研究团队表示,从这项研究中看到了再生医学进步的希望。如果我们知道如何告诉细胞集合做我们想让它们做的事情,那将成为包括外伤、先天缺陷、癌症和衰老在内的再生医学的解决方案。

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