Ученые впервые создали «живых роботов» — из клеток лягушачьих эмбрионов — Naked Science
9 минут
София Жаботинская

Ученые впервые создали «живых роботов» — из клеток лягушачьих эмбрионов

Крошечные «ксеноботы» смогут справиться с самыми разными сложными задачами — от доставки лекарств внутри организма до борьбы с токсичными отходами.

Так выглядит ксенобот
Так выглядит ксенобот / © Kriegman, Blackiston et al., Proceedings of the National Acadamy of Sciences, 2020

Авторы статьи, опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, рассказывают, как им удалось превратить клетки, взятые от эмбрионов лягушки, в совершенно новую форму жизни. Этот микроскопический гибрид робота и живого организма способен, помимо выполнения полезных задач, самостоятельно чинить (или, правильнее сказать, лечить) свои повреждения.

«Это новые живые машины, — объясняет Джошуа Бонгар, специалист по компьютерным технологиям и робототехнике в Университете Вермонта, который был одним из руководителей нового исследования. — Они не являются ни традиционным роботом, ни известным видом животных. Это новый класс результатов человеческой деятельности: живой, программируемый организм».

Ученые вначале произвели все расчеты для будущих живых роботов с помощью суперкомпьютера UVM. Затем их «собрали» с помощью биологов Университета Тафтса. По словам авторов, исследование впервые «проектирует полностью биологические машины с нуля» — не пытаясь скопировать уже существующие биологические виды, отредактировать их или собрать из них некую химеру.

Чтобы подобрать конфигурацию, ученые опирались на возможности клеток лягушачьего зародыша — кожи и сердца. С помощью эволюционного алгоритма ученые отбирали нужный из тысяч предлагаемых вариантов. Наилучший проект должен был наиболее эффективно справляться с поставленными задачами, для чего по каждой из них, например способности передвижения в заданном направлении, пересобирал сотни клеток в бесчисленных комбинациях и оценивал их возможности.

Таймлапс-видео, демонстрирующее процесс создания «живых роботов» / © Youtube — Eric Mack

Наиболее перспективные проекты ученые воплотили в жизнь. Под руководством микрохирурга Дугласа Блэкстона биологи собрали стволовые клетки от эмбрионов африканских лягушек вида Xenopus laevis, благодаря которым и назвали свое детище «ксеноботами». Вырастив отделенные клетки, их, используя крошечные щипцы и еще более тонкий электрод, разрезали и соединяли под микроскопом в максимально точном соответствии конструкциям, указанным компьютером.

Собранные в единое целое с формами тела, никогда не встречавшимися в природе, клетки начали работать вместе. Их деятельность была предусмотрена расчетами компьютера и обусловлена спонтанными самоорганизующимися паттернами клеточных свойств. Из клеток кожи сформировали более пассивную архитектуру новых существ, а когда-то случайные сокращения сердечных мышечных клеток использовали для создания упорядоченного поступательного движения.

Последующие тесты показали, что эти организмы способны двигаться согласованно и исследовать влажную среду, в которой они находились, в течение нескольких дней или недель, питаясь зародышевыми запасами энергии. Однако первые образцы испытывали сложности при попытке заставить их выполнять поставленную задачу.

Более поздние испытания показали, что группы ксеноботов перемещаются по кругу, выталкивая гранулы в центральное место, как поодиночке, так и коллективно. Другие были построены с отверстием в центре, чтобы уменьшить сопротивление. В смоделированных версиях они смогли повторно использовать эту дыру в качестве емкости для успешного переноса объекта. «Это шаг к использованию компьютерных организмов для интеллектуальной доставки лекарств», — говорит Бонгар.

Результаты компьютерного моделирования «ксеноботов» (слева) и их «живая» реализация (крайний столбец изображений справа) / © Kriegman, Blackiston et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020

Созданные из искусственных материалов технологии впоследствии ставят вопрос о переработке и могут загрязнять окружающую среду на всех этапах: при создании, во время работы и после выработки своего ресурса. Живые ткани снимают часть этих проблем, но, в отличие от механических, недолговечны и хрупки. Зато при должном уровне инженерии живые организмы могут легко заращивать полученные повреждения. «Может ли такое ваш ноутбук?» — спрашивают исследователи.

Авторы отмечают, что подобные биотехнологии — первые шаги в будущее биологии и информатики. Они видят огромный потенциал в проникновении в загадку биологического кодирования и передачи информации. Масса из происходящего в организме в этом плане случается внутри клетки, а не только при синаптическом взаимодействии нейронов.

Эти возникающие и геометрические свойства определяются биоэлектрическими, биохимическими и биомеханическими процессами, «которые протекают на оборудовании, определенном ДНК, и эти процессы реконфигурируемы и могут создавать новые живые формы», объясняет Майкл Левин, руководящий Центром регенеративной биологии и биологии развития в Тафтсе.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Позавчера, 12:51
39 минут
Александр Березин

В июне 2020 года канадские астрономы рассчитали, что в Млечном Пути может быть пять миллиардов планет, похожих на Землю и вращающихся вокруг звезд, похожих на Солнце. Однако это лишь видимая часть айсберга обитаемых планет. Дело не только в том, что вокруг звезд других типов их больше: и сами условия на экзопланетах в других системах могут быть куда благоприятнее для жизни, чем у нас с вами. Попробуем понять почему.

Позавчера, 10:05
2 минуты
Sergei Sobol

Обращаете внимание, какой творческий подход проявляют дизайнеры при создании электрических мотоциклов? Каждый из них уникален своими особенностями, и наш сегодняшний фаворит – концептуальный электрический байк BMW Motorrad – не исключение. Он создан дизайнером из Валенсии Яго Валино (Iago Valino), вдохновившимся кастомными мотоциклами мастерской El Solitario. А эстетика байка навеяна культовыми мотоциклами Ural, в которые советские инженеры добавили собственный взгляд на традиции BMW.

11 часов назад
4 минуты
Ольга Иванова

К такому выводу пришли ученые из Японии и США. Они выяснили, что грызуны и свиньи способны использовать кишечник для дыхания, подобно некоторым морским организмам. Такие наработки в условиях стационара, возможно, даже могли бы помочь людям, частично утратившим способность дышать легкими.

Позавчера, 12:51
39 минут
Александр Березин

В июне 2020 года канадские астрономы рассчитали, что в Млечном Пути может быть пять миллиардов планет, похожих на Землю и вращающихся вокруг звезд, похожих на Солнце. Однако это лишь видимая часть айсберга обитаемых планет. Дело не только в том, что вокруг звезд других типов их больше: и сами условия на экзопланетах в других системах могут быть куда благоприятнее для жизни, чем у нас с вами. Попробуем понять почему.

Позавчера, 10:05
2 минуты
Sergei Sobol

Обращаете внимание, какой творческий подход проявляют дизайнеры при создании электрических мотоциклов? Каждый из них уникален своими особенностями, и наш сегодняшний фаворит – концептуальный электрический байк BMW Motorrad – не исключение. Он создан дизайнером из Валенсии Яго Валино (Iago Valino), вдохновившимся кастомными мотоциклами мастерской El Solitario. А эстетика байка навеяна культовыми мотоциклами Ural, в которые советские инженеры добавили собственный взгляд на традиции BMW.

14 мая
2 минуты
Илья Ведмеденко

Как следует из обнародованных материалов, дальность действия перспективной американской системы гиперзвукового оружия Long Range Hypersonic Weapon превышает 2775 километров.

25 апреля
17 минут
Александр Березин

На этой неделе СМИ выдали новость, от которой можно впасть в шок: «Ранее из России уезжало около 14 тысяч исследователей [в год], теперь — 70 тысяч». Мы внимательно разобрались в ситуации и вынуждены отметить, что ничего подобного не было и нет. В реальности речь вовсе не об ученых и даже не о высококвалифицированных специалистах. Проблемы с учеными в России есть. Но в этом случае речь идет не о них, а о том, что отдельные бывшие комсомольские вожаки, удачно устроившиеся в РАН, перепутали утечку мозгов из России с отъездом из нее гастарбайтеров. Разбираемся, как это у них получилось.

23 апреля
11 минут
Василий Парфенов

Действующий глава NASA в рамках общения с прессой ответил на ряд вопросов, касающихся недавних заявлений российских политиков и главы «Роскосмоса» о скором отказе от собственного сегмента МКС. Администратор заверил всех, что агентство находится в хороших отношениях с Россией, а также поделился информацией о согласовании обмена местами для астронавтов и космонавтов в пилотируемых миссиях двух стран.

24 апреля
9 минут
Мария Азарова

Американские ученые показали обратную связь всех конечных точек смертности с содержанием омега-3-полиненасыщенных жирных кислот. Согласно их выводам, более высокие уровни некоторых основных ПНЖК в тканях и крови могут снижать вероятность смерти от всех причин в среднем на 13% и в итоге замедлять процесс старения.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: