14.01.2020
София Жаботинская
13 094

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.
Вчера, 17:08
Александр Березин

КНР выпустила демографические данные за прошлый год, и они показали необычайно резкое сокращение рождаемости. Более ранний прогноз о двукратном падении численности китайцев в этом столетии начинает приобретать конкретные очертания.

Вчера, 11:00
Сергей Васильев

Новые измерения свойств минерала из глубоких слоев мантии показали, что ядро планеты теряет тепло в полтора раза активнее, чем полагали до сих пор.

Вчера, 21:16
Илья Ведмеденко

Перспективный российский многоцелевой самолет «Байкал» оторвался от земли. Первый полноценный полет машина должна выполнить до конца января.

Вчера, 11:00
Сергей Васильев

Новые измерения свойств минерала из глубоких слоев мантии показали, что ядро планеты теряет тепло в полтора раза активнее, чем полагали до сих пор.

12 января
Алиса Гаджиева

Дополнительное исследование вулканических пород формации Кибиш в Эфиопии изменило датировку найденных там костей Homo sapiens.

Позавчера, 09:00
Оксана Шолохова

Ученые показали, что ограничения движения негативно влияют на творческое мышление.

26.12.2021
Александр Березин

Российская тяжелая ракета имеет все шансы взлететь после Starship, хотя ее начали создавать на 20 лет раньше, да и по параметрам она радикально уступает детищу Илона Маска. Попробуем разобраться, почему любая попытка создать классическую ракету в наши дни — пустая трата времени и средств. А заодно дать ответ на вопрос, какую космическую ракету на самом деле стоит создавать России.

12 января
Алиса Гаджиева

Дополнительное исследование вулканических пород формации Кибиш в Эфиопии изменило датировку найденных там костей Homo sapiens.

19.12.2021
Александр Речкин

Корпорация Илона Маска с 2012 года разрабатывает космический корабль, который может изменить правила игры в космической отрасли. Starship, как его называют, должен стать многоразовой транспортной системой, способной доставить на Красную планету до 100 человек за раз.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: