Книга сделана из дерева. Но она не дерево, его мертвые клетки были трансформированы для других потребностей. Точно так же группа ученых перепрофилировала живые клетки, взятые из эмбрионов африканских лягушек (Xenopus laevis, отсюда и название «ксеноботы»), и собрала их в совершенно новые формы жизни. Эти «ксеноботы» шириной в миллиметр могут двигаться к цели, возможно, неся терапевтический груз (например, лекарство, которое необходимо доставить в определенный участок организма пациента), и самостоятельно восстанавливаться после повреждения.
Новые живые машины, как их называют создатели, не являются ни роботами в традиционном понимании, ни известным видом животных. Это новый класс артефактов: живой, программируемый организм.
Живые роботы были разработаны на суперкомпьютере в Университете Вермонта, а затем собраны и протестированы биологами в Университете Тафтса, США. Возможности применения этих живых роботов разнообразны, например, поиск вредных соединений или радиоактивного загрязнения, сбор микропластика в океанах, очищение просвета артерий и др.
Живые системы на заказ
Исследователи впервые спроектировали полностью биологических роботов с нуля. Для этого в течение нескольких месяцев выполнялся поиск с использованием эволюционного алгоритма для создания тысяч вариантов проектов новых форм жизни. Пытаясь выполнить задачу, поставленную учеными, например, передвижение в одном направлении, компьютер снова и снова собирал несколько сотен моделируемых клеток в бесчисленное множество форм. После ста независимых прогонов алгоритма для тестирования были отобраны наиболее перспективные проекты.
Затем на основе проектов были собраны компьютерные модели. Сначала использовались стволовые клетки эмбрионов лягушек. Они были разделены на отдельные клетки и оставлены для инкубации. После этого микроскопическими щипцами клетки разъединили и собрали вновь в точном соответствии с конструкцией, определенной ранее компьютером.
Клетки, собранные в структуры, никогда не встречавшиеся в природе, начали взаимодействовать друг с другом. Клетки кожи сформировали более пассивную архитектуру, в то время как когда-то случайные сокращения кардиомиоцитов были задействованы в создании упорядоченного движения вперед вследствие формирования спонтанной самоорганизующейся структуры. Исследователи показали, как эти реконфигурируемые организмы способны согласованно передвигаться и исследовать свою жидкую среду в течение нескольких дней или недель, питаясь эмбриональными запасами энергии.
Более поздние испытания показали, что группы ксеноботов перемещаются по кругу, выталкивая гранулы в центральное место – самопроизвольно и коллективно. Некоторые ксеноботы были построены с отверстием в центре, чтобы уменьшить сопротивление жидкости. В смоделированных версиях они смогли использовать это отверстие в качестве кармана для успешного переноса груза.
Ксеноботы полностью биоразлагаемы, и через семь дней они становятся просто мертвыми клетками.
В своих экспериментах ученые наносили ксеноботам повреждения и наблюдали за их реакцией: они разрезали робота почти пополам, но он регенерировал и продолжил работать.
Взломать код
Авторы пишут, что потенциал собранной информации о взаимодействии клеток внутри ксеноботов огромен как для вычислительной науки, так и для понимания жизни.
Для того чтобы организм развивался и функционировал, в клетках и между ними постоянно происходит обмен информацией и сотрудничество. Эти свойства определяются биоэлектрическими, биохимическими и биомеханическими процессами, которые протекают на платформе, определенной ДНК, и они реконфигурируемы для создания новых форм жизни. Клетки, из которых построены ксеноботы, имеют 100% ДНК лягушки, но это не лягушки. Что же определяет анатомию живого организма? Что еще эти клетки способны построить?
Исследователи продемонстрировали, что клетки лягушек могут быть использованы для создания интересных живых форм, которые полностью отличаются от анатомии по умолчанию. Создание ксеноботов – это маленький шаг к взлому так называемого «морфогенетического кода» и более глубокого представления об организации живых структур.
Статья S.Kriegman et al. A scalable pipeline for designing reconfigurable organisms опубликована в журнале PNAS.
Аминат Аджиева, портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам UVM: Team Builds the First Living Robots.
