由青蛙細胞生成的首個活體機械人升級:5 分鐘恢復「致命傷」,壽命達數月

2020 年 1 月 13 日,科學家們官宣了世界第一個由青蛙幹細胞生成的活體機械人。

活體機械人既非傳統意義上的機械人,也不是某個已知的動物品種,科學家們對它下的定義是「可編程生物體」。

這種「生物」神奇的地方在於受破壞后還能自己癒合。

過去一年裡,科學家們對這款全球首個活體機械人進行了一次升級,就在 2021 年 3 月 31 日,相關研究成果正式發表於知名學術期刊 Science 子刊 Science Robotics,題為 A cellular platform for the development of synthetic living machines(一個用於開發合成生命機器的細胞平台)。

論文作者來自於美國塔夫茨大學艾倫探索中心、佛蒙特大學計算機科學系、新澤西理工學院生物科學系、哈佛大學 Wyss 生物啟發工程研究所。

全球首個活體機械人誕生

迄今為止,很多技術離不開鋼鐵、混凝土、化學品、塑料等材料,隨着時間的推移可能對生態環境和健康產生副作用。

佛蒙特大學與塔夫茨大學團隊的科學家們認為,利用可自我更新、生物兼容的材料設計機械人,將會是一條不錯的思路——理想狀態下,甚至可以用生物體做材料。

因此,科學家們決定從頭開始設計一種所謂「生物機器」的存在,他們的方法是:利用計算機模擬、自動設計形態,然後將不同的生物組織結合在一起,從而構建最佳設計。

具體而言,他們利用非洲爪蟾早期胚胎中的皮膚細胞和心臟細胞,創造出了名為 Xenobots 的活體機械人。Xenobots 這個名字中,「Xeno」代表非洲爪蟾的英文名稱 Xenopus laevis,「bots」則指機械人。

Xenobots 雖然寬度不足 1 毫米,但可以向目標移動,能拿起物體(比如需要運送到患者體內特定位置的藥物),受破壞可自愈,甚至能在一群生物機器出現時表現出集體行為。

佛蒙特大學計算機科學與複雜系統中心教授 Josh Bongard 曾介紹:

Xenobots 有自我再生修復機制,而且當它們停止工作、死亡時,通常也不會對外界環境帶來破壞,它們是完全可生物降解的。七天後當它們完成工作時,就會變成死皮細胞。

Xenobots 的創造過程有兩步

第一步,利用佛蒙特大學的 Deep Green 超級計算機,研究團隊用了幾個月時間通過進化算法為這一新的生命形式做出了上千個設計。

為完成任務(比如朝某個方向移動),計算機會一遍遍地將幾百個模擬細胞重新組合成無數的形式或形狀。程序受生物物理學基本規則驅動運行,不斷對較為成功的模擬生物進行保存、優化,對失敗的進行拋棄。100 次獨立運行之後,科學家終於選出了最滿意的設計。

第二步,塔夫茨大學團隊將電腦設計變成現實。

他們先從非洲爪蟾胚胎中收集幹細胞,將其分離成單個細胞並孵育,然後用小鑷子和小電極將細胞切割、連接等工作,使其非常接近於計算機指定的設計。於是,這些細胞就被組裝成了自然界中從未見過的形體。

值得一提的是,在科學家們的操縱下,非洲爪蟾的皮膚細胞形成了一個更加被動的結構,而原本無序收縮的心肌細胞則在電腦設計的指導下、在自組織模式的幫助下,產生有序的向前運動——這正是機械人自行移動的關鍵。

在當時的論文中,研究團隊也表示:

通過這種方法,科學家們能夠設計出各種各樣的生命機器,從而安全地將藥物輸送到人體、幫助實現對環境的修復,或是進一步拓寬我們對生命可能的多種形式和功能的理解。

活體機械人迎來大升級

不過,科學家們並不滿足於僅僅實現上述研究成果,一年時間過去,第二代 Xenobots(下稱 Xenobots 2.0)也誕生了。

在最新的論文中,科學家們寫道:

雖然此前通過在形狀精確的支架上生長肌肉細胞,創造出了可運動生物構造,但將尚不成熟的自組織和功能可塑性運用到自我導向的生命機器,仍是一項重大挑戰。

基於此,科學家們的最新突破主要在於,不需肌肉細胞移動,創造出了從單個細胞自我組裝身體的生命形式。Xenobots 2.0 有了記憶能力,移動速度更快,可在不同環境中運行,壽命也比 Xenobots 更長(無額外能源下運行,可存活10天;額外能源加持下可全速運行數月),仍然可以展現集體行為,並在受損時自我修復。

Xenobots 2.0 的創造過程大致如下。

塔夫茨大學生物學家從非洲爪蟾胚胎中收集幹細胞:

讓它們自我組裝並長成球狀體:

幾天後一些細胞經分化產生纖毛(即以特定方式來回移動或旋轉的細小毛髮狀突起):

值得關注的是,Xenobots 的移動基於細胞有節奏的收縮,而 Xenobots 2.0 的移動則基於纖毛。

為實現記憶功能,塔夫茨大學團隊通過一種名為 EosFP 的熒光報告蛋白來記錄信息。

EosFP 通常會發出綠光,但當暴露在 390nm 波長的光下時會發出紅光,通過這一原理,Xenobots 2.0 擁有了讀寫能力。

自愈能力方面,Xenobots 2.0 可在 5 分鐘內恢復嚴重的撕裂,即便撕裂長度達到了 Xenobots 2.0 長度的一半。 治癒傷口之後,Xenobots 2.0 將恢復形狀,並像往常一樣繼續工作。

實際上,就在塔夫茨大學的科學家們創造物理有機體時,佛蒙特大學團隊則忙着通過 Deep Green 超級計算機在數十萬種隨機環境條件下進行模擬,其主要目的在於探究在形狀、運作方式(獨立運作還是集體運作)存在差異時,Xenobots 2.0 是否會表現出不同的行為。

在一項實驗中,Xenobots 2.0 可以成群結隊地工作,在掃過一個培養皿時可以收集相比 Xenobots 更多的氧化鐵微粒。此外 Xenobots 2.0 也可以覆蓋更大的表面,或在狹窄的毛細血管中移動。

研究表明,Xenobots 2.0 在諸如垃圾收集等任務上比 Xenobots 要快得多,也做得更好。

塔夫茨大學科學家 Doug Blackiston 表示:

從生物學的角度來看,這一研究幫助我們理解細胞在發育過程中相互作用時是如何「溝通」的,以及我們如何能更好地控制這些相互作用。

其實,科學家們的最終目標不僅在於探索生物機器,也在於了解基因組的「硬件」與細胞通信的「軟件」之間的關係,釐清這些關係,未來人類就能更好地控制再生醫學的發展,乃至癌症等疾病的治療。

引用來源:

https://www.uvm.edu/uvmnews/news/scientists-create-next-generation-living-robots

https://www.pnas.org/content/117/4/1853

https://robotics.sciencemag.org/content/6/52/eabf1571

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