علماء يُعيدون توجيه خلايا الضفادع الحية لإنشاء أول روبوت حي في العالم

في ما يُعتبر تقاطعًا مذهلًا بين الحياة البيولوجية والروبوتات، قام فريق من العلماء بتحويل خلايا الضفادع الحية واستخدموها لإنشاء “زينوبوتس”. جاءت الخلايا من أجنة الضفادع، والزينوبوتس هي فقط بمقدار ملليمتر واحد في العرض. وهي قادرة على التحرك نحو هدف، وربما تُلتقط حمولة مثل العلاج الطبي داخل جسم الإنسان، وتُصلح نفسها بعد القطع أو الضرر.

“هذه هي آلات حية جديدة،” وفقًا لجوشوا بونغارد، عالم حاسوب وخبير روبوتات في جامعة فيرمونت الذي قاد البحث الجديد. “إنها لا تقبل الروبوت التقليدي ولا أي نوع معروف من الحيوانات. إنه فئة جديدة من المخلوقات: كائن حي قابل للبرمجة.”

صمم العلماء الروبوتات على جهاز كمبيوتر فائق في جامعة فيرمونت، وقام فريق من الأحيائيين في جامعة تافتس بتركيبها واختبارها.

“يمكننا أن نتخيل العديد من التطبيقات المفيدة لهذه الروبوتات الحية التي لا تستطيع الآلات الأخرى القيام بها،” يقول القائد المشارك مايكل ليفين، الذي يدير مركز الأحياء الإنمائية والتجديدية في تافتس، “مثل البحث عن مركبات كيميائية سيئة أو تلوث إشعاعي، وجمع الميكروبلاستيك في المحيطات، والسفر في الشرايين لتقشير اللوحة.”

نُشر البحث في ماجستير الأكاديمية الوطنية للعلوم في 13 يناير.

وفقًا للفريق، هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها تصميم آلات بيولوجية كاملة من الصفر.

استغرق الأمر أشهر من وقت المعالجة على кластер Deep Green الفائق في نواة الحوسبة المتقدمة في فيرمونت. وشمل الفريق المؤلف الرئيسي سام كريغمان، الطالب الدكتوراه، واعتماد خوارزمية تطورية لإنشاء آلاف التصاميم المختلفة للكائنات الحية الجديدة.

عندما كُلف الكمبيوتر بcompletion مهمة معينة من قبل العلماء، مثل الحركة في اتجاه واحد، فإنها ست重新 تجميع بضعة مئات من الخلايا المحاكاة في أشكال وتصاميم جسم مختلفة. مع تشغيل البرامج، تم الاحتفاظ بالكائنات المحاكاة الأكثر نجاحًا وتحسينها. تم تشغيل الخوارزمية بشكل مستقل مائة مرة، وتم اختيار أفضل التصاميم للاختبار.

ثم قام الفريق في تافتس، بقيادة ليفين وبمساعدة الجراح المايكروسكوبي دوغلاس بلاكستون، بتولي المشروع. نقلوا التصاميم إلى المرحلة التالية، التي كانت الحياة. جمع الفريق الخلايا الجذعية التي تم حصادها من أجنة الضفادع الأفريقية، من نوع Xenopus laevis. تم فصل الخلايا المفردة وتركها لتخمر. استخدم الفريق مشابك صغيرة ومشابك كهربائية لقطع الخلايا وربطها تحت المجهر في التصاميم التي تم إنشاؤها بواسطة الكمبيوتر.

تم تجميع الخلايا في أشكال جسم جديدة، وبدأت في العمل معًا. تطور الخلايا الجلدية إلى بنية أكثر سلبية، وكانت خلايا عضلة القلب مسؤولة عن إنشاء حركة متسقة للأمام كما هو موضح في تصميم الكمبيوتر. كانت الروبوتات قادرة على التحرك بمفردها بسبب الأنماط الذاتية المنظمة.

كانت الكائنات قادرة على التحرك بطريقة متسقة، ودامت أيامًا أو أسابيع في استكشاف بيئتها المائية. اعتمدت على مخازن الطاقة الجنينية، ولكنها فشلت بمجرد قلبها على ظهرها.

“إنها خطوة نحو استخدام الكائنات الحية المصممة بواسطة الكمبيوتر لتسليم الأدوية الذكية،” يقول بونغارد، أستاذ في قسم علوم الكمبيوتر والأنظمة المعقدة في فيرمونت.

نظرًا لأن الزينوبوتس هي تقنيات حية، فإن لها بعض المزايا.

“الجانب السلبي للمواد الحية هو أنها ضعيفة وتتحلل،” يقول بونغارد. “لذلك نستخدم الفولاذ. لكن الكائنات الحية لديها 4.5 مليار سنة من الممارسة في تجديد نفسها والاستمرار لعدة عقود. هذه الزينوبوتس قابلة完全 للتحلل البيولوجي،” يواصل. “عندما ينتهي عملهم بعد سبعة أيام، فإنهم مجرد خلايا جلد ميتة.”

ستكون لهذه التطورات عواقب كبيرة على المستقبل.

“إذا كان البشر سيبقون على قيد الحياة في المستقبل، فإننا بحاجة إلى فهم أفضل لكيفية ظهور الخواص المعقدة بشكل ما من القواعد البسيطة،” يقول ليفين. “معظم العلوم يركز على التحكم في القواعد منخفضة المستوى. نحن بحاجة أيضًا إلى فهم القواعد العليا. إذا كنت تريد تلًا به两个 مدخن بدلاً من واحد، كيف يمكنك تعديل النمل؟ لن نعرف.”

“أعتقد أنه ضروري تمامًا للمجتمع للمضي قدمًا في الحصول على قبضة أفضل على الأنظمة حيث النتيجة معقدة للغاية. خطوة أولى نحو القيام بذلك هي استكشاف كيف تقرر الأنظمة الحية سلوكًا عامًا وكيف نتعامل مع القطع لتحقيق السلوكيات التي نريدها؟”

“هذه الدراسة هي مساهمة مباشرة في الحصول على قبضة على ما يخاف الناس منه، وهو عواقب غير مقصودة، سواء في وصول السيارات ذاتية القيادة بسرعة، أو تغيير محركات الجينات لاستئصال سلالات كاملة من الفيروسات، أو العديد من الأنظمة المعقدة والذاتية التي ستشكل بشكل متزايد الخبرة البشرية.”

“هناك كل هذه الإبداعية الفطرية في الحياة،” يقول جوش بونغارد من فيرمونت. “نريد فهم ذلك بشكل أعمق – وكيف يمكننا توجيهه ودفعه نحو أشكال جديدة.”