Vědci přebudují živé buňky žab na vývoj prvního živého robota na světě

V čem je pozoruhodné spojení mezi biologickým životem a robotikou, tým vědců přebudil živé buňky žab a použil je k vývoji “xenobotů”. Buňky pocházely z embryí žab a xenoboti jsou široké pouze jeden milimetr. Jsou schopné pohybovat se směrem k cíli, možná zvednout náklad, jako je lék pro vnitřek lidského těla, a uzdravit se po pořezání nebo poškození.

“Tyto jsou nové živé stroje,” podle Joshuy Bongarda, počítačového vědce a odborníka na robotiku na University of Vermont, který vedl nové výzkumy. “Není to tradiční robot ani známý druh zvířete. Je to nová třída artifactu: 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 spoluvedoucí Michael Levin, který řídí Centrum pro regenerativní a vývojovou biologii na Tufts, “jako hledání nepříjemných sloučenin nebo radioaktivního znečištění, shromažďování mikroplastů v oceánech, cestování v tepnách, aby se odstranily plaky.”

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

Podle týmu je to poprvé, kdy výzkum “navrhuje úplně biologické stroje od základu.”

To trvalo měsíce zpracování na superpočítači Deep Green cluster v UVM’s Vermont Advanced Computing Core. Tým zahrnoval hlavního autora a doktoranda Sama Kriegmana a spoléhal se na evoluční algoritmus pro vývoj tisíců různých návrhů pro nové formy života.

Když počítač dostal úkol dokončit úkol stanovený vědci, jako je lokomoce v jednom směru, neustále reassembloval několik set simulovaných buněk do různých forem a tvarů těla. 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, pak 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 elektrody, aby buňky rozřezal a spojil je pod mikroskopem do návrhů vytvořených počítačem.

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

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

“Je to krok směrem k používání počítačově navržených organismů pro inteligentní doručování léků,” říká Bongard, profesor na UVM’s Department of Computer Science a Complex Systems Center.

Pоскольку xenoboti jsou živé technologie, mají jisté výhody.

“Nevýhodou živé tkáně je, že je slabá a degraduje,” říká Bongard. “To je důvod, proč používáme ocel. Ale organismy mají 4,5 miliardy let praxe v regeneraci a pokračují v činnosti po desetiletí. Tyto xenoboti jsou plně biologicky odbouratelné,” pokračuje. “Když dokončí svou práci po sedmi dnech, jsou to jen mrtvé kožní buňky.”

Tyto vývojové změny 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 nutností pro společnost jít vpřed a získat lepší pochopení systémů, kde je výsledek velmi komplexní. První krok k tomu je prozkoumat: jak živé systémy rozhodují, co by měla být celková 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 je to rychlé příchod samořiditelných aut, změna genetických pohonů, aby vymazala celé linie virů, nebo mnoho dalších komplexních a autonomních systémů, které budou stále více formovat lidské zkušenosti.”

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