Ученые впервые создали «живых роботов» — из клеток лягушачьих эмбрионов — Naked Science
14 января
9 минут
Полина Гершберг
5411

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.

Позавчера, 17:36
26 минут
Александр Березин

Многие считают зимнее купание «церковным обычаем». Однако на деле Церковь всегда выступала против него, считая нехристианским, и вредным для здоровья. При всей внешней разумности этой позиции, на самом деле, такие купания могут быть даже полезны — но не для всех. Выясняем, как именно и почему.

Вчера, 12:17
23 минуты
Редакция

Возраст планеты, на которой мы живем, – примерно 4,54 миллиарда лет. И большую часть этого времени она была совершенно не похожа на ту Землю, которую мы знаем. Даже самые экзотические планеты за пределами Солнечной системы, возможно, не столь интересны, как наша родная в некоторые моменты ее истории. Наденем скафандр, сядем в машину времени – и представим себя инопланетными путешественниками, посетившими нашу систему в ее ранние времена.

Позавчера, 13:07
2 минуты
Илья Ведмеденко

Очевидно, Россия ведет разработку новой легкой авиационной ракеты, которую можно будет применять для поражения широкого спектра морских и наземных целей.

16 января
5 минут
Илья Ведмеденко

Исследователей в очередной раз удивили привычки кошек: как оказалось, они не прочь питаться одним человеческим трупом на протяжении месяца, несмотря на наличие других тел.

Позавчера, 17:36
26 минут
Александр Березин

Многие считают зимнее купание «церковным обычаем». Однако на деле Церковь всегда выступала против него, считая нехристианским, и вредным для здоровья. При всей внешней разумности этой позиции, на самом деле, такие купания могут быть даже полезны — но не для всех. Выясняем, как именно и почему.

17 января
7 минут
ТГУ

Старший научный сотрудник лаборатории «Гербарий» БИ ТГУ Вера Костикова совместно с новосибирскими коллегами выявила ценные лекарственные свойства у спиреи – кустарника, используемого в озеленении городов и дачных участков. Фитохимическое исследование показало, что растение обладает противовирусной и антиоксидантной активностью, что делает его перспективным для использования в медицине.

16 января
5 минут
Илья Ведмеденко

Исследователей в очередной раз удивили привычки кошек: как оказалось, они не прочь питаться одним человеческим трупом на протяжении месяца, несмотря на наличие других тел.

Позавчера, 17:36
26 минут
Александр Березин

Многие считают зимнее купание «церковным обычаем». Однако на деле Церковь всегда выступала против него, считая нехристианским, и вредным для здоровья. При всей внешней разумности этой позиции, на самом деле, такие купания могут быть даже полезны — но не для всех. Выясняем, как именно и почему.

7 января
44 минуты
Александр Березин

Вашингтон и Тегеран близки к войне как никогда за последние годы. Но, скорее всего, США не пойдут дальше ограниченных ударов. Слишком уж неприятные последствия имели предшествующие силовые операции Штатов в Иране. Попробуем разобраться, что именно их остановит на этот раз.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

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

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: