Ученые создали первых в мире самовоспроизводящихся биороботов-ксеноботов

Независимо от того, идет ли речь о распускающемся растении или о половом размножении, все виды воспроизводства на нашей планете подразумевают выращивание потомства внутри или на теле организма. Тем не менее,  ученые создали первых в истории живых роботов, которые размножаются с помощью совершенно новой формы репродукции, ранее не встречавшейся на Земле. 

Разработанный с помощью искусственного интеллекта "родительский" организм показан красным цветом,  а зеленым - собранные им клетки, сформировавшиеся в потомство. Фото Дуглас Блэкистон/Сэм Кригман

Исследователи из Университета Вермонта (Берлингтон, США) создали новые формы жизни, так называемых ксеноботов, способных производить "потомство". Биологические роботы были смоделированы на суперкомпьютере с помощью искусственного интеллекта (ИИ), а затем созданы в реальной жизни с использованием эмбриональных стволовых клеток лягушки. Когда команда специалистов проверяла проект ИИ в лаборатории, они были удивлены, когда ксеноботы действительно начали размножаться.

Ксеноботы - синтетические формы жизни, созданные из тканей стволовых клеток, полученных из эмбрионов гладкой шпорцевой лягушки (Xenopus laevis). Изображение предоставлено: Дуглас Блэкистон и Сэм Кригман.

 

"Люди довольно долго думали, что им известны все способы, благодаря которым жизнь может воспроизводиться или реплицироваться. Но такого раньше никогда не наблюдалось", - говорит соавтор Дуглас Блэкистон, старший научный сотрудник Университета Тафтса.

В 2020 году команда использовала искусственный интеллект для создания эскизов искусственных форм жизни, используя смоделированный биологический материал, которые затем удалось создать на практике, используя эмбриональные ткани гладкой шпорцевой лягушки (Xenopus laevis).  Ксеноботы были сформованы в различные формы в зависимости от необходимой функции. Через три дня у них развились реснички, и они смогли самостоятельно передвигаться, оставаясь живыми в течение нескольких недель благодаря запасам энергии эмбриона. 

Это первое исследование подтверждает наблюдение о том, что ученые могут извлекать стволовые клетки из эмбриона и превращать их в ранее невиданные организмы. При этом клетки демонстрировал поведение, не свойственное эмбриональным хозяевам. Например, если их оставить развиваться в зародыше, они начинали формировать клетки кожи животного.

                                                           

Спонтанная кинематическая саморепликация
(А) Стволовые клетки извлекают из бластулы лягушки на ранней стадии развития, диссоциируют и помещают в физиологический раствор, где они объединяются в сферы, содержащие ∼3 000 клеток. Через 3 дня на внешних поверхностях сфер развивают реснички
(B) После того как полученный зрелый рой сфер помещают среди ∼60 000 диссоциированных стволовых клеток
(C и D) их совместное движение заставляет некоторые клетки собираться в скопления
(E) которые, если состоят не менее чем из 50 клеток, опять развиваются в потомство с ресничкам
(F) и если им предоставить дополнительные диссоциированные стволовые клетки образуют новое потомство.

"Они должны были бы располагаться на теле головастика, защищая его от патогенных микроорганизмов и обеспечивать перераспределение слизи", - говорит Майкл Левин, директор Центра открытий Аллена в Университете Тафтса и один из руководителей нового исследования. Эти клетки имеют геном лягушки, но мы лишили их возможности стать головастиками, и они используют свой коллективный разум, пластичность для чего-то потрясающего".

В новом исследовании суперкомпьютер предложил команде изменить форму живых роботов, придав им форму пиццы с недостающим кусочком, чтобы они были похожи на Пакмана из знаменитой аркадной игры. Затем ученые поместили ксеноботов в емкость, наполненную тысячами свободно плавающих клеток. Они были потрясены, когда роботы начали перемещаться, используя свой “рот”, как Пакман, собирая сотни клеток и формируя из них детенышей ксеноботов, используя подход, называемый "кинематической репликацией". В данном методе для получения потомства происходит самосборка организмов которая зависит от их движения и температуры окружающей среды. 

В данном случае потомство передвигалось так же, как и их родители, и спонтанно запускало кинематический процесс через пять дней. Такое поведение отсутствует не только у эмбриона-донора (лягушки), но и у любого другого известного растения или животного на планете Земля. 

Команда предполагает, что “возможно на наших глазах происходит само зарождение жизни”, когда пептиды начали самостоятельно собираться в более крупные молекулы, что предшествовало синтезу РНК и полностью зависело от кинематической репликации. Теория, названная "Первобытным супом", не давала покоя многим ученым с тех пор, как впервые была предложена советским биохимиком Александром Ивановичем Опариным в 1924 году и Дж. Б. С. Холдейном в 1929 году. Благодаря этому исследованию ученые, наконец, могут получить точный ответ. 

 Exponential utility: Самовоспроизводящиеся ксеноботы Pac-Man внутри частично завершенной схемы. 

С практической точки зрения, способность роботов к деторождению значительно увеличит продолжительность времени, в течение которого крошечные ксеноботы (которые обычно живут около недели) могут выполнять определенные функции внутри человеческого тела. В будущем команда может изменить форму роботов, например, для удаления бляшек в артериях, поиска и уничтожения раковых клеток или создания тканей для пересадки органов. 

Кинематическая саморепликация в реконфигурируемых организмах (Фрагмент фильма S1)

Джошуа Бонгард, эксперт по робототехнике из Университета Вермонта, который был одним из руководителей нового исследования, указывает на конец пандемии COVID.  "Скорость, с которой мы можем создавать решения, имеет огромное значение. Если мы сможем разработать технологии, учась у ксеноботов, мы сможем очень оперативно передать искусственному интеллекту: "Нам нужен биологический инструмент, который производит X и Y и подавляет Z", - это может быть очень полезно. Сегодня на это уходит очень много времени". Теперь команда намерена использовать свою технологию для быстрого поиска решений, следующего мирового кризиса. 

Эволюционная саморепликация. (Кратко) Независимые эволюционных испытания привели к развитию самовоспроизводящихся роев с различными формами потомков (H).
 

Источник: https://www.pnas.org/content/118/49/e2112672118