Vědci přebudují živé buňky žab na první živý robot

Je to pozoruhodné spojení mezi biologickým životem a robotikou, kdy tým vědců přebuduje živé buňky žab a použije je k vývoji “xenobotů”. Buňky pocházejí z embryí žab a xenoboty jsou široké pouze jeden milimetr. Jsou schopny pohybovat se směrem k cíli, možná dokonce zvednout náklad, jako je lék pro vnitřek lidského těla, a uzdravit se po poranění nebo poškození.

“Tyto jsou nové živé stroje,” říká Joshua Bongard, počítačový vědec a odborník na robotiku na University of Vermont, který vedl nové výzkumy. “Není to tradiční robot ani známý druh zvířete. Je to nová třída artefaktů: živý, programovatelný organismus.”

Vědci navrhli roboty na superpočítači na University of Vermont a skupina biologů na Tufts University je sestavila a otestovala.

“Můžeme si představit mnoho užitečných aplikací těchto živých robotů, které jiné stroje nedokážou,” říká spoluautor Michael Levin, který řídí Centrum pro regenerativní a vývojovou biologii na Tufts, “jako hledání nebezpečných látek nebo radioaktivního znečištění, shromažďování mikroplastů v oceánech, cestování v tepnách, aby se odstranil plak.”

Výzkum byl zveřejněn v Proceedings of the National Academy of Sciences dne 13. ledna.

Podle týmu je to poprvé, kdy výzkum “navrhuje kompletně biologické stroje od základů.”

Trvalo to měsíce zpracování na superpočítači Deep Green cluster na UVM’s Vermont Advanced Computing Core. Tým zahrnoval hlavního autora a doktorského studenta Sama Kriegmana a spoléhal se na evoluční algoritmus k vývoji tisíců různých návrhů pro nové formy života.

Když počítač dostal úkol dokončit úkol stanovený vědci, jako je pohyb v jednom směru, neustále znovu sestavoval několik set simulovaných buněk do různých forem a tělesných tvarů. Jak programy běžely, nejúspěšnější simulované organismy byly uchovány a rafinovány. Algoritmus běžel nezávisle stokrát a nejlepší návrhy byly vybrány pro testování.

Tým na Tufts, vedený Levinem a s pomocí mikrochirurga Douglase Blackistona, poté převzal projekt. Přenesli návrhy do další fáze, která byla život. Tým shromáždil kmenové buňky, které byly získány z embryí afrických žab, druhu Xenopus laevis. Jednotlivé buňky byly poté odděleny a ponechány k inkubaci. Tým použil malé pinzety a elektrodu, aby buňky rozřezal a spojil je pod mikroskopem do návrhů vytvořených počítačem.

Buňky byly sestaveny do všech nových tělesných forem a začaly spolupracovat. Kožní buňky se vyvinuly do více pasivního buildu a srdeční svalové buňky byly odpovědné za vytváření uspořádaného vpředového pohybu, jak bylo vedeno počítačovým návrhem. Roboti byli schopni pohybovat se sami, protože spontánní sebeorganizující vzory.

Organismy byly schopny pohybovat se koherentním způsobem a vydržely dny nebo týdny, když prozkoumaly své vodní prostředí. Spoléhaly se na embryonální energetické zásoby, ale selhaly, když byly otočeny na záda.

“Je to krok směrem k používání počítačem navrženými organismy pro inteligentní dodávku léků,” říká Bongard, profesor na UVM’s Department of Computer Science and Complex Systems Center.

Pоскольку xenoboti jsou živé technologie, mají určitá výhoda.

“Nevýhodou živé tkáně je, že je slabá a rozkládá se,” říká Bongard. “Proto používáme ocel. Ale organismy mají 4,5 miliardy let praxe v regeneraci a mohou žít desetiletí. Tyto xenoboty jsou plně biologicky odbouratelné,” pokračuje. “Když dokončí svou práci po sedmi dnech, jsou to pouze mrtvé kožní buňky.”

Tyto vývojové kroky budou mít velké důsledky pro budoucnost.

“Pokud chce lidstvo přežít do budoucnosti, musíme lépe pochopit, jak komplexní vlastnosti nějakým způsobem vznikají z jednoduchých pravidel,” říká Levin. “Velká část vědy se zaměřuje na kontrolu nízkoúrovňových pravidel. Musíme také pochopit vysokou úroveň pravidel. Pokud byste chtěli mraveniště se dvěma komíny místo jednoho, jak byste změnili mravence? Neměli bychom žádnou představu.”

“Myslím, že je absolutní nezbytnost pro společnost jít dál, aby získala lepší pochopení systémů, kde je výsledek velmi komplexní. První krok k tomu je prozkoumat: jak rozhodují živé systémy o celkovém chování a jak můžeme manipulovat s částmi, abychom získali chování, které chceme?”

“Tato studie je přímým příspěvkem k pochopení toho, čeho se lidé bojí, což jsou neúmyslné důsledky, ať už jde o rychlý příchod samořízených aut, změnu genetických pohonů, aby se vymýtila celá linie virů, nebo mnoho dalších komplexních a autonomních systémů, které budou stále více formovat lidskou zkušenost.”

“Je zde veškerá tato vrozená kreativita v životě,” říká UVM’s Josh Bongard. “Chceme ji lépe pochopit – a jak můžeme směrovat a tlačit ji do nových forem.”