Біологія
Технології
Біологія
Технології

Біороботи зі стовбурових клітин продемонстрували здатність до самовідтворення

Американські дослідники продемонстрували, що ксеноботи — біологічні роботи зі стовбурових клітин жаби — можуть самовідтворюватися. Для цього вони використовують спосіб, не властивий жодним іншим живим організмам, збираючи собі подібних ксеноботів із клітин у навколишньому середовищі. Дослідження опубліковане в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences.

Designed by Biology / YouTube

Designed by Biology / YouTube

Що це за ксеноботи і до чого тут роботи?

Люди уявляють роботів найчастіше зробленими із металу, але це не обов'язково так. Запрограмувати на виконання бажаних дій можна і живі організми. Тоді вони називаються біороботами.

Група дослідників із Вермонтського університету, Гарвардського університету та Університету Тафтса вже кілька років працює над створенням мікробіороботів, і досягає успіхів. Минулого року вони представили те, що назвали новою формою життя із клітин, початково не запрограмованих на його утворення — ксеноботів. Це мікроскопічні скупчення стовбурових клітин жаби Xenopus laevis (за якою боти й отримали свою назву), які рухаються заданим чином та самостійно загоюють свої пошкодження. У перших дослідах ксеноботів збирали з клітин вручну самі науковці за схемою, запропонованою алгоритмом штучного інтелекту, яка передбачає спосіб руху майбутнього робота. У наступній роботі автори вдосконалили свою технологію, змусивши ксеноботів самостійно складатися зі стовбурових клітин у поживному середовищі у кулясту структуру з війчастим епітелієм, здатну до різних типів руху. Окрім самоорганізації, нові роботи мали подовжене життя та швидше пересувалися за попередню версію. А в новому дослідженні вчені пішли ще далі та наділили своє творіння здатністю розмножуватися.

Designed by Biology / YouTube

Яким чином змусили ксеноботів до розмноження?

Живі організми можуть розмножуватися різними шляхами, включно з брунькуванням, статевим розмноженням, поділом клітини й так далі. Але їх усіх об'єднує те, що новий організм зростає на або в іншому організмі. На відміну від них, на субклітинному рівні поширений інший тип відтворення, який вчені називають кінематичною реплікацією (kinematic replication). У такому разі молекули збирають свої копії із компонентів, наявних у зовнішньому середовищі. На клітинному або вищому рівні організації життя подібного не помічали. Але вчені припустили, що якщо вони змусили клітини жаби організуватися в організм, який за виглядом та поведінкою зовсім не схожий на той, з якого вони походять, то можливо, є спосіб змусити його і розмножуватися так, як це не властиво іншим організмам.

У попередніх дослідах ксеноботи могли штовхати та збирати розкидані в чашці Петрі синтетичні частинки. Так само вони могли б збирати в нові ксеноботи розкидані стовбурові клітини, шляхом кінематичної реплікації. Тож науковці знову звернулися до алгоритмів штучного інтелекту, щоб симуляція вказала на форму ксеноботів, яка найбільше підходитиме для розмноження. Оптимальною виявилася С-подібна форма, тобто сфера із вирізом, схожа на Пекмена із відеогри 1980-х (Pac-Man). Вона може захоплювати більшу кількість стовбурових клітин із середовища завдяки своєму «ротові» та компресувати їх у нові сферичні ксеноботи. Процес дещо нагадує утворення снігової кулі для сніговика, коли вона збільшується при її розкочуванню, приліпляючи до себе сніг. Тож вчені зібрали таких С-подібних ксеноботів, щоб перевірити, як вони розмножуються, у порівнянні зі звичайними сферичними ксеноботами.

Наскільки успішно самовідтворювалися ксеноботи?

Сферичні та Пекмен-подібні роботи успішно рухалися у поживному середовищі чашки Петрі, згрібаючи в купку стовбурові клітини, із яких вони й самі складаються, та утворюючи нові сфероїди. Однак зібране первинними сфероїдами потомство було суттєво меншим за розмірами від потомства С-подібних ксеноботів. Крім цього, сферичні боти продемонстрували здатність відтворюватися лише протягом двох поколінь, із кожним разом зменшуючи чисельність потомства. Тоді як С-подібні ксеноботи давали щонайменше чотири покоління сферичних нащадків.

А) Форма сфери з розрізом, запропонована алгоритмом як оптимальна для самовідтворення.. В) Поведінка ксеноботів повторила представлену в симуляції алгоритма. Потомство сферичних ботів (С) менше за потомство С-подібних (D). F) Сферичні ксеноботи відтворювалися усього протягом двох поколінь. G) С-подібні ксеноботи відтворювалися і протягом чотирьох поколінь. Sam Kriegman eta al. / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021

А) Форма сфери з розрізом, запропонована алгоритмом як оптимальна для самовідтворення.. В) Поведінка ксеноботів повторила представлену в симуляції алгоритма. Потомство сферичних ботів (С) менше за потомство С-подібних (D). F) Сферичні ксеноботи відтворювалися усього протягом двох поколінь. G) С-подібні ксеноботи відтворювалися і протягом чотирьох поколінь. Sam Kriegman eta al. / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021

Таким чином вчені довели, що можна змусити живий організм розмножуватися способом, природно не властивим жодному іншому виду живих організмів — без генетичної модифікації, хімічного контролю або довготривалої еволюції. Вони вважають, що їхня робота показує потенціал штучного інтелекту в передбаченні форм, найбільш придатних до реплікації. А також може допомогти зрозуміти, як можуть розвиватися неживі, клітинні та біогібридні системи, якщо реплікуватимуться кінематично.