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由細胞組裝而成的活機器人 有望從藥物輸送到有毒廢物清理取得進展

來源 : 亞洲健康互聯海外中心
update : 2020/01/14
左側是在佛蒙特大學超級電腦上發現的電腦設計生物的解剖藍圖。在右側,完全由青蛙皮膚(綠色)和心肌(紅色)細胞構建的生物體。當這些新自然生物在顆粒物領域中移動時,其背景顯示了由這些新自然生物群雕刻的痕跡。圖片來源:佛蒙特大學山姆·克里格曼

一組科學家重新利用了從青蛙胚胎中提取的活細胞,並將它們組裝成全新的生命形式。這些毫米級的「異種機器人」可以朝目標移動,也許會撿起有效載荷(例如需要運送到患者體內特定位置的藥物),並在切割後自行癒合。

佛蒙特大學的電腦科學家和機器人專家約書亞·邦加德說:「這些都是新穎的生活機器。它們既不是傳統的機器人,也不是已知的動物物種。它是一類新的人工製品:一種活的可編碼生物。」

這些新生物是在佛蒙特大學的超級電腦上設計的,然後由塔夫茨大學的生物學家組裝和測試。塔夫茨再生與發育生物學中心的負責人邁克爾·萊文說:「我們可以想像這些活人機器人在許多有用的應用中,是其他機器無法做到的。」

這項「用於設計可重構生物的可擴展管」的研究結果,於113日在美國國家科學院院刊上發表。

至少從農業的曙光開始,科學家就一直在為人類的利益而操縱生物,基因編輯正變得越來越普遍,並且在過去的幾年中已經人工組裝了一些人造生物,複製了已知動物的體型。

研究小組在最新研究中寫道,但這是有史以​​來第一次「完全從頭開始設計完全生物的機器」。


(佛蒙特大學和塔夫茨大學的一組科學家,在超級電腦上設計了活機器人。然後,在塔夫茨大學,他們重新利用了活的青蛙細胞,並將它們組裝成全新的生命形式。這些微小的「異種機器人」可以自行移動、環繞目標並在被切割後自行癒合。這些新穎的生活機器既不是傳統的機器人,也不是已知的動物物種。它們是一類新的人工製品:一種活的可編碼生物。有一天,它們可以用於各種任務,例如尋找放射性污染、在海洋中收集微塑膠或在人的動脈中刮除斑塊。)

在佛蒙特大學的超級電腦集群上進行了數月的處理後,該團隊使用了一種進化演算法,為新的生命形式創建了數千個候選設計。嘗試完成科學家分配的任務(例如在一個方向上移動),電腦將一遍又一遍地將數百個模擬細胞重新組裝成無數種形式和體形。隨著程式的運行-由關於青蛙皮膚和心臟細胞可以做什麼的生物物理基本規則驅動-保留並完善了更成功的模擬生物,同時拋棄了失敗的設計。在演算法獨立運行一百次之後,選擇了最有前途的設計進行測試。

然後,在萊文的帶領下,在塔夫茨的團隊以及顯微外科醫師道格拉斯·布萊克斯頓的關鍵工作下,將電腦設計轉移到了生活中。首先,他們收集了從非洲青蛙Xenopus laevis的胚胎中收穫的幹細胞,將它們分成單個細胞,而後進行孵育。隨後,使用微小的鑷子和均勻的電極,將細胞切割並在顯微鏡下連接成電腦指定設計的近似值。

這些細胞組裝成自然界中從未見過的身體形態,開始協同工作。皮膚細胞形成了更加被動的結構,而曾經隨機收縮的心肌細胞開始工作,在電腦的設計指導下,並在自發的自組織模式的幫助下,創造了有序的向前運動,使機器人得以繼續前進。

這些可重構生物被證明能夠以連貫的方式移動-在胚胎儲能的支持下,探索其水環境數天或數星期。

後來的測試表明,異種機器人會繞圈走動,將顆粒自發地和集體地推到中央位置。其他的則建有一個穿過中心的孔,以減少阻力。在這些的模擬版本中,科學家們能夠將這個孔,重新定位為可成功攜帶物體的小袋。佛蒙特大學電腦科學與複雜系統中心系教授邦加德說:「這是朝著使用電腦設計的生物體,進行智能藥物輸送邁出的一步。」

生活技術
許多技術是由鋼、混凝土或塑料製成的。這可以使它們強大或靈活。但是它們也會造成生態和人類健康問題,例如海洋中日益嚴重的塑膠污染禍害,以及許多合成材料和電子產品的毒性。邦加德說:「活組織的缺點是它薄弱並且會降解。這就是我們使用鋼鐵的原因。但是,生物在再生自身和持續數十年的發展中,擁有45億年的實踐經驗。當它們停止工作時(死亡),它們通常會無害地分崩離析。這些異種機器人是完全可生物降解的,當它們在工作七天後完成工作時,它們只是死了的皮膚細胞。」

在新的實驗中,科學家切割了異種機器人並觀察了發生的情況。邦加德說:「我們將機器人切成兩半,然後將自己縫合起來,繼續前進,這是典型機器無法做到的。」

破解密碼
萊文和邦加德都表示,他們已經學到的有關細胞如何進行通訊,和連接的潛能已深入到計算科學和我們對生命的理解中。萊文說:「生物學的最大問題是了解決定形式和功能的演算法。基因組編碼蛋白質,但是轉化性的應用,正在等待我們發現這種硬體,如何使細胞能夠在非常不同的條件下,進行功能解剖的合作。」

為了使有機體得以發展和發揮功能,許多資訊共享與合作一直在細胞內和細胞間進行,而不僅限於神經元內。這些新興的幾何特性是由生物電、生物化學和生物力學過程所形成的,「這些過程在DNA特定的硬體上運行,」萊文說,「這些過程是可重新配置的,從而可以創造出新穎的生命形式。」

科學家們看到了他們最新的研究中提出的工作,這是將對這種生物電代碼的見解,應用於生物學和電腦科學的第一步。

萊文說:「正如我們所展示的,這些青蛙細胞可以被哄騙成有趣的生物形式,這與它們的默認解剖結構完全不同。研究團隊在DARPA的「終身學習機器」計劃和美國國家科學基金會的支持下,認為製造異種機器人是邁向破解他所謂的「形態學密碼」的一小步,更深入地了解生物的整體組織方式,以及它們如何根據其歷史和環境來計算和儲存資訊。」

未來的衝擊
許多人擔心快速的技術變革複雜的生物操作的影響。萊文說:「這種恐懼並非沒有道理。當我們開始搞亂我們不了解的複雜系統時,我們將得到意想不到的後果。許多複雜的系統(例如蟻群)都以一個簡單的單元-螞蟻開始-從中無法預測它們的菌落形狀,或如何利用相互連接的物體在水上架起橋樑。」

萊文說:「如果人類要生存到未來,我們就需要更好地了解,簡單規則如何以某種方式出現複雜的特性。 許多科學都集中在控制底層規則。我們還需要了解高層規則。」

他總結道「我認為社會絕對有必要對結果非常複雜的系統進行更好的處理。 要做到這一點的第一步是探索:生命系統如何決定整體行為應該是什麼,以及我們如何操縱碎片,來獲得我們想要的行為?」