Ученые из университетов Вермонта и Тафтса создали из живых клеток ксеноботов — микроскопических роботов, названных так в честь своего прародителя, африканской когтистой лягушки Xenopus laevis.
Роботы не могут есть, размножаться и живут около недели. Зато они способны плавать, толкать или переносить предметы, а также работать в группах. Это первые роботы, состоящие полностью из живых клеток и способные решать сравнительно широкий спектр задач.
Для того, чтобы создать их, исследователи из Университета Вермонта разработали искусственный интеллект, способный моделировать совместную работу десятков тысяч различных комбинаций клеток кожи и сердца, если они будут существовать в реальном мире. Затем ученые из Университета Тафтса выбрали самое оптимальное сочетание и создали программируемый организм из стволовых клеток, взятых из эмбрионов лягушек.
Исследователи обрезали периферическую область эмбриона, которая обычно развивается в кожу или сердечную мышцу в процессе роста. Затем они вручную разделили ткани на отдельные клетки и поместили их в чашку Петри.
Получившийся организм движется благодаря сокращениям клеток сердечной мышцы — они ведут себя примерно так же, как клетки человеческого сердца. Клетки кожи, в свою очередь, создают каркас, который удерживает клетки сердца вместе.
У ксеноботов есть способности к самовосстановлению: когда ученые повредили клетки кожи одного из роботов, он смог без посторонней помощи восстановить их и ликвидировать рану.
После того, как все клетки соединились в единый организм, исследователи придали ему оптимальную для движения форму, смоделированную ИИ. Получившиеся роботы имеют микроскопический размер — их ширина составляет около миллиметра. Несмотря на это, создание ксенобота — большой шаг в создании программируемых живых организмов, то есть совершенно новых форм жизни.
Главный прорыв исследования заключается в придании смоделированной ИИ формы живому организму — то есть в переводе с языка компьютера на биологический язык, отмечают авторы работы. Ученые создали рецепт робота, который каждый раз выполняет одни и те же функции.
В более ранних исследованиях ученые использовали генную инженерию и различные виды генерации тканей, однако никому из них не удавалось создать устойчивую и воспроизводимую модель биоробота — существа каждый раз имели разную форму, а их функционал сильно отличался. Поэтому использование ИИ для производства роботов из живых клеток имеет большое значение — такие организмы можно воспроизводить бесконечное количество раз без серьезных отличий.
Зачем нужны роботы из живых клеток?
Это может прозвучать как научная фантастика, но люди меняли и меняют организмы на протяжении тысячелетий. Речь идет об одомашнивании диких животных или о селекции сельскохозяйственных культур: например, кукуруза в нынешнем виде сильно отличается от своих дикорастущих далеких предков. Конечный результат таких экспериментов практически невозможно ни предугадать, ни проконтролировать.
Если взглянуть на разработку с этой стороны, она не кажется слишком новаторской. При этом создание роботов из живых клеток — следующий шаг к изменениям организмов, к которым приводит деятельность человека.
Ксеноботы не похожи на традиционных роботов — у них нет блестящих механизмов или роботизированных рук. Они напоминают крошечные шарики движущейся розовой плоти. Исследователи говорят, что эта форма выбрана не случайно — такие программируемые «биологические машины» позволят сделать то, чего не могут обычные роботы из стали и пластика.
Традиционные роботы со временем деградируют — их детали и механизмы изнашиваются, а в случае с медицинскими роботами это может нанести вред здоровью человека. Роботы, созданные из живых клеток, напротив, являются безопасными для здоровья человека и исключают нанесение какого-либо вреда экологии, считают исследователи.
Ксеноботов можно использовать для очистки радиоактивных отходов, сбора микропластиков в океанах или переноса лекарств по сосудам внутри человеческого тела. Ксеноботы выживают в водных средах без дополнительных питательных веществ в течение нескольких дней или недель, что делает их пригодными для внутренней доставки лекарств.
Помимо этих непосредственно практических задач, ксеноботы могут также помочь исследователям узнать больше о клеточной биологии — дальнейшие эксперименты по созданию биороботов дадут ученым представление о том, как клетки взаимодействуют друг с другом в различных сочетаниях.
Это этично?
Исследователи признают, что создание совершенно новых организмов поднимает много этических вопросов — даже если эти организмы не способны думать или чувствовать в привычном понимании. По мере развития технологий научному сообществу, вероятно, придется выработать правила, обеспечивающие этичное отношение к организмам, подобным ксеноботам.
При этом исследователи отмечают, что ксеноботы не являются организмами в привычном смысле слова — они представляют собой набор клеток, которые реагируют на внешнюю стимуляцию.
Что ждет технологию?
Сейчас исследователи сосредоточены на развитии технологии, а не на использовании ксеноботов для решения медицинских или промышленных задач. В частности, ученые пытаются найти механизм, позволяющий клеткам четко взаимодействовать друг с другом внутри организма. Кроме того, инженеры экспериментируют с различными методами стимуляции роботов, в том числе электрическими и химическими сигналами.
Для развития технологии ученым предстоит научиться более точно контролировать процесс роста и взаимодействия разных типов клеток. На данный момент, по словам исследователей, эта цель не выглядит легкодостижимой — как и печать ксеноботов из живых клеток на 3D-принтере в промышленном масштабе. Пока ученые не могут сказать, как технология будет развиваться дальше и с какими ограничениями могут столкнуться разработчики роботов из живых клеток.