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

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.

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.

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.