Ксеноботы – первые роботы способные к воспроизведению
Ксеноботы, созданные искусственным интеллектом, открывают совершенно новую форму биологической самовоспроизведения, многообещающую для регенеративной медицины.
Чтобы существовать, жизнь должна воспроизводиться. За миллиарды лет организмы развили множество способов размножения, от бутонизированных растений до половых животных и вторгшихся вирусов.
Теперь ученые открыли совершенно новую форму биологического воспроизводства и применили свое открытие для создания первых в мире самовоспроизводящихся живых роботов.
Та же команда, которая построила первых живых роботов («Ксеноботов», собранных из клеток лягушки — о которых сообщалось в 2020 году), обнаружила, что эти спроектированные компьютером и собранные вручную организмы могут плавать в своей крошечной тарелке, находить отдельные клетки, собирать сотни их вместе и собирают «маленьких» ксеноботов внутри своего «рта» в форме пак-мэна, которые через несколько дней становятся новыми ксеноботами, которые выглядят и двигаются точно так же, как и они сами.
Созданный ИИ «родительский» организм (форма C; красный) рядом со стволовыми клетками, сжатыми в шар («потомство»; зеленый). Предоставлено: Дуглас Блэкистон и Сэм Кригман.
А затем эти новые ксеноботы смогут искать клетки и создавать свои копии. Снова и снова.
«При правильном дизайне они будут спонтанно самовоспроизводиться», — говорит Джошуа Бонгард, компьютерный ученый и эксперт по робототехнике из Университета Вермонта, который был одним из руководителей нового исследования.
Результаты нового исследования были опубликованы 29 ноября 2021 года в Трудах Национальной академии наук.
В неизвестное
У лягушки Xenopus laevis эти эмбриональные клетки развиваются в кожу. «Они сидели бы снаружи головастика, не подпадая под действие болезнетворных микроорганизмов и перераспределяя слизь», — говорит Майкл Левин, профессор биологии и директор Центра открытий Аллена в Университете Тафтса и соруководитель нового исследования. «Но мы помещаем их в новый контекст. Мы даем им возможность переосмыслить свою многоклеточность».
И то, что они представляют, это нечто совсем иное, чем кожа.
«Люди довольно долгое время думали, что мы разработали все способы, которыми жизнь может воспроизводить или воспроизводить. Но это то, чего раньше никогда не наблюдалось», — говорит соавтор Дуглас Блэкистон, старший научный сотрудник Университета Тафтса, который собрал «родителей» ксеноботов и разработал биологическую часть нового исследования.
«Мы обнаружили, что есть это ранее неизвестное пространство внутри организмов или живых систем, и это огромное пространство». — Джош Бонгард
«Это глубоко, — говорит Левин. «Эти клетки имеют геном лягушки, но, не превращаясь в головастиков, они используют свой коллективный разум и пластичность, чтобы сделать что-то поразительное». В более ранних экспериментах ученые были поражены тем, что Xenobots могут быть разработаны для решения простых задач. Теперь они ошеломлены тем, что эти биологические объекты — созданная компьютером коллекция клеток — будут спонтанно воспроизводиться. «У нас есть полный неизмененный геном лягушки, — говорит Левин, — но это не намекает на то, что эти клетки могут работать вместе над этой новой задачей» — по сбору и последующему сжатию разделенных клеток в рабочие самокопии.
«Это клетки лягушки, которые реплицируются способом, который очень отличается от того, как это делают лягушки. Ни одно животное или растение, известное науке, не воспроизводится таким образом », — говорит Сэм Кригман, ведущий автор нового исследования, который защитил докторскую диссертацию в лаборатории Бонгарда в UVM, а теперь является исследователем с докторской степенью в Центре Аллена Тафт и Висс Гарвардского университета. Институт биологической инженерии.
Созданные искусственным интеллектом (С-образные) организмы выталкивают свободные стволовые клетки (белые) в груды, когда они перемещаются по окружающей среде. Предоставлено: Дуглас Блэкистон и Сэм Кригман.
Сам по себе родительский объект Xenobot, состоящий примерно из 3000 ячеек, образует сферу. «Из них могут родиться дети, но после этого система обычно вымирает. На самом деле очень сложно заставить систему продолжать воспроизводство, — говорит Кригман. Но с помощью программы искусственного интеллекта, работающей над кластером суперкомпьютеров Deep Green в Advanced Computing Core UVM в Вермонте, эволюционный алгоритм смог протестировать миллиарды форм тел в моделировании — треугольники, квадраты, пирамиды, морские звезды — чтобы найти те, которые позволили клеткам быть более эффективным при «кинематической» репликации на основе движения, о которой сообщается в новом исследовании.
«Мы попросили суперкомпьютер в UVM выяснить, как отрегулировать форму первоначальных родителей, и после нескольких месяцев работы ИИ придумал некоторые странные конструкции, в том числе тот, который напоминал Pac-Man», — говорит Кригман. «Это очень не интуитивно понятно. Это выглядит очень просто, но это не то, что придумал бы человек-инженер. Почему один крошечный ротик? Почему не пять? Мы отправили результаты Дугу, и он построил этих родительских ксеноботов в форме Пакмана. Потом эти родители построили детей, которые построили внуков, которые построили правнуков, которые построили праправнуков ». Другими словами, правильный дизайн значительно увеличил количество поколений.
Кинематическая репликация хорошо известна на уровне молекул, но никогда раньше не наблюдалась в масштабе целых клеток или организмов.
«Мы обнаружили это ранее неизвестное пространство внутри организмов или живых систем, и это огромное пространство», — говорит Бонгард, профессор Колледжа инженерных и математических наук UVM. «Как же нам тогда исследовать это пространство? Мы нашли ксеноботов, которые ходят. Мы нашли плавающих ксеноботов. И теперь, в этом исследовании, мы нашли ксеноботов, которые кинематически воспроизводятся. Что еще есть?»
Или, как пишут ученые в исследовании Proceedings of the National Academy of Sciences : «жизнь таит в себе удивительное поведение прямо под поверхностью, ожидая своего раскрытия».
Реагируя на риск
Некоторых это может воодушевить. Другие могут с беспокойством или даже ужасом отреагировать на самовоспроизводящуюся биотехнологию. Для команды ученых цель — более глубокое понимание.
- «Мы работаем, чтобы понять это свойство: репликация. Мир и технологии стремительно меняются. Для общества в целом важно, чтобы мы изучали и понимали, как это работает», — говорит Бонгард. Эти живые машины миллиметрового размера, целиком помещенные в лабораторию, легко тушимые и проверенные федеральными, государственными и институциональными экспертами по этике, «не мешают мне спать по ночам.
- Риск представляет следующая пандемия; ускорение ущерба экосистеме от загрязнения; усиление угроз, связанных с изменением климата », — говорит Бонгард из UVM. «Это идеальная система для изучения самовоспроизводящихся систем. У нас есть моральный долг понимать условия, при которых мы можем контролировать это, направлять, подавлять, преувеличивать».
Исследовательская группа ксеноботов
Ксеноботы — это изобретение и совместное исследование (слева направо): Джоша Бонгарда, Университет Вермонта; Майкл Левин, Университет Тафтса и Институт Висса при Гарвардском университете; Дуглас Блэкистон, Университет Тафтса; и Сэм Кригман, Университет Тафтса и Институт Висса при Гарвардском университете. Предоставлено: Тафтс и ICDO.
Бонгард указывает на эпидемию COVID и охоту за вакциной. «Скорость, с которой мы можем предложить решения, имеет большое значение. Если мы сможем разрабатывать технологии, обучаясь у Xenobots, где мы можем быстро сказать ИИ: «Нам нужен биологический инструмент, который выполняет X и Y и подавляет Z», — это может быть очень полезно. Сегодня это занимает очень много времени ». Команда нацелена на то, чтобы ускорить процесс перехода людей от выявления проблемы к поиску решений — «таких как использование живых машин для извлечения микропластика из водных путей или создания новых лекарств», — говорит Бонгард.
По мере того, как «родители» ксеноботов в форме пакмана перемещаются по окружающей среде, они собирают в своих «ртах» свободные стволовые клетки, которые со временем объединяются, создавая «потомство» ксеноботов, которые развиваются и выглядят так же, как их создатели. Предоставлено: Дуг Блэкистон и Сэм Кригман.
«Нам необходимо создавать технологические решения, которые будут расти с той же скоростью, что и проблемы, с которыми мы сталкиваемся», — говорит Бонгард.
И команда видит в исследованиях многообещающие достижения в области регенеративной медицины. «Если бы мы знали, как сказать коллекциям клеток делать то, что мы хотим, в конечном счете, это регенеративная медицина — это решение травматических повреждений, врожденных дефектов, рака и старения», — говорит Левин. «Все эти различные проблемы существуют, потому что мы не знаем, как предсказать и контролировать, какие группы ячеек будут построены. Ксеноботы — это новая платформа для обучения».
Метки: Биотехнологии
Ученые из UNIGE обнаружили, что жир может помочь поджелудочной железе адаптироваться к избытку сахара, тем самым замедляя развитие диабета. Диабет 2 типа, которым страдает почти 10% населения мира, является серьезной проблемой общественного здравоохранения. Чрезмерно малоподвижный образ жизни и слишком калорийная диета способствуют развитию этого метаболического заболевания, изменяя функционирование клеток поджелудочной железы и снижая эффективность регуляции…
Устойчивость к стрессу и дифференциальные симптомы коррелируют с региональными изменениями в головном мозге Недавнее исследование связывает тревожное поведение у крыс, а также посттравматическое стрессовое расстройство (ПТСР) у ветеранов вооруженных сил с повышенным содержанием миелина — вещества, которое ускоряет связь между нейронами — в областях мозга, связанных с эмоциями и памятью. Результаты, представленные учеными из Калифорнийского…
С помощью 2000 участников Framingham Heart Study исследователи из BU изучили, насколько малоподвижный образ жизни, ходьба и рутинные упражнения влияют на физическую форму. Упражнения полезны для здоровья. Это общеизвестно. Но насколько строгим должно быть это упражнение, чтобы действительно повлиять на уровень физической подготовки человека? И если вы сидите весь день за столом, но при этом…
Будущее вакцин может больше походить на поедание салата, чем на укол в руку. Ученые Калифорнийского университета в Риверсайде изучают, могут ли они превратить съедобные растения, такие как салат, в фабрики по производству мРНК-вакцин. Коммуникатор РНК или мРНК технология, используемый в COVID-19 вакцин, работает обучая наши клетки распознавать и защитить нас от инфекционных заболеваний. Одна из…
Клетки в организме можно рассматривать как крошечные мишени для стрельбы из лука, каждая из которых уязвима для смертельной стрелы рака. Чем больше клеток у данного животного и чем дольше оно живет, тем выше вероятность накопления вредных клеточных мутаций, которые в конечном итоге могут привести к раку. По крайней мере, так подсказывает интуиция. Тем не менее,…
