科学者たちが自己複製できる「生きた」ロボットを創造
生存するためには、生命は継続し、繁殖しなければなりません。数十億年の間に、生物は芽を出す植物から有性生物、ウイルスに至るまで、多くの繁殖方法を発達させてきました。
今回、バーモント大学、タフツ大学、そしてハーバード大学ワイス生物工学研究所の科学者たちは、これまで知られていなかったまったく新しい生物学的繁殖の形を発見し、その発見を応用して、世界初の自己複製する生きたロボットを作り出しました。
最初の生きたロボット（カエルの細胞から作られ、2020年に明らかになった「ゼノボット」）を生み出したのと同じチームが、コンピュータで設計され手作業で組み立てられたこれらの生物が、小さな「皿」の中を泳ぎ、個々の細胞を見つけ、数百個を集めて、パックマンの形をした「口」の中で「小さな」ゼノボットを組み立てられることを発見しました。
数日後、それらは見た目や動きが「親」とまったく同じ新しいゼノボットになります。その後、これらの新しいゼノボットは細胞を探し、自分のコピーを作ることができます。何度も何度も。
バーモント大学でコンピュータサイエンティスト兼ロボティクスの専門家を務め、今回の研究の責任者の一人であるジョシュア・ボンガード博士は、「正しく設計されれば、それらは自発的に自己複製するでしょう」と述べました。
アフリカツメガエルでは、これらの胚細胞は皮膚へと発達します。「それらはオタマジャクシの外側に位置し、病原微生物の侵入を防ぎ、粘液を再配分するでしょう」と、タフツ大学アレン発見センターの所長で生物学教授であり、今回の研究の共同責任者でもあるマイケル・レヴィン博士は語りました。
「しかし、私たちはそれらを新しい文脈に置いています。多細胞性を再考する機会を与えているのです」と教授は述べました。「人々は長い間、生命を複製するすべての方法を開発したと考えてきました。しかし、これは以前には一度も観察されたことがありません」と語ったのは、ゼノボットの「親」を作り、今回の研究の生物学的部分を開発した、タフツ大学およびワイス研究所の上級研究員ダグラス・ブラックィストン博士です。
「これは深いことです。これらの細胞はカエルのゲノムを持っていますが、オタマジャクシにならず、集団的な知性と可塑性を使って驚くべきことを成し遂げています。カエルのゲノムは完全に変わらないままですが、それがこれらの細胞が分離した細胞を集め、その後圧縮して機能する自己コピーにするという新しい課題で協力できることを示唆するものではありません」
以前の実験では、科学者たちはゼノボットが単純な課題を解決するように設計できることに驚きました。今度は、これらの生物学的な物体、つまりコンピュータによって作られた細胞の集合体が自発的に複製することに唖然としています。
今回の研究の主執筆者であるサム・クリグマン博士は、「これはカエルの細胞であり、カエルが行う方法とは大きく異なる方法で複製しています。科学的に知られているどの動物や植物も、このような方法では繁殖しません」と述べました。
約3000個の細胞からなる親のゼノボット「henobot」は、それ自体で球体を形成します。クリグマン博士は、「そこから子が生まれることはありますが、その後システムは通常消滅します。実際、システムが複製を続けさせるのは非常に困難です」と説明しました。
しかし、バーモント州のUVM Advanced Computing Coreにあるスーパーコンピュータ「Deep Green」クラスター上で動作する人工知能プログラムにより、進化アルゴリズムはシミュレーションで数十億の体の形状を試すことができました。三角形、四角形、ピラミッド、ヒトデなどです。その中から、動きに基づく「運動学的」複製において細胞をより効率的にするものを見つけ出したのです。
「UVMのスーパーコンピュータに、元の親の形をどう調整するかを調べてもらいました。数か月の作業の後、AIはパックマンに似たものを含む、いくつかの奇妙な構造を考え出しました。非常にシンプルに見えますが、人間のエンジニアには思いつかないものです。なぜ小さな口は一つなのか？なぜ五つではないのか？結果をダグラスに送ると、彼はそのパックマン型の親ゼノボットを作りました。その後、これらの親は子を作り、子は孫を作り、孫はひ孫を作り、ひ孫はやしゃごを作りました」
運動学的複製は分子レベルではよく知られていますが、細胞や生物全体のスケールで観察されたことはこれまでありませんでした。ボンガード博士は、「生物や生命システムの内部に、これまで知られていなかった空間が存在し、それが非常に大きいことを発見しました。では、どうやってその空間を探索すればよいのでしょうか？歩くゼノボットを見つけました。泳ぐゼノボットも見つけました。そして今回の研究では、運動学的に複製するゼノボットを発見しました。他に何があるでしょうか？」と述べました。
「私たちはこの複製という特性を理解するために取り組んでいます。世界と技術は急速に変化しています。社会全体にとって、これがどのように機能するのかを学び、理解することが重要です。ミリメートルサイズのこれらの生きた機械は、完全に実験室内に置かれ、容易に停止でき、連邦、州、機関の倫理専門家によって検証されているため、私は夜よく眠れています。リスクをもたらすのは次のパンデミック、汚染による生態系被害の加速、気候変動に関連する脅威の増大です。これは自己複製システムを研究するための理想的なシステムです。私たちには、これを制御し、導き、抑制し、拡大できる条件を理解する道義的な責任があります」
研究者によれば、世界が直面する課題と同じ速さで成長する技術的解決策を創り出す必要があります。チームは、この研究に再生医療の分野での有望な進展を見いだしています。
「細胞の集合体に、私たちが望むことを実行するよう指示する方法がわかれば、最終的には再生医療が実現するでしょう。それは外傷、先天性欠損、がん、老化の問題の解決策となります。これらさまざまな問題が存在するのは、どの細胞群がどのように構築されるかを予測し制御する方法がわからないからです。ゼノボットは、新しい学習のためのプラットフォームです」
