Учені створили «живих» роботів, здатних відтворювати собі подібних
Щоб існувати, життя має продовжуватися і відтворюватися. Упродовж мільярдів років організми розвинули безліч способів розмноження — від брунькування рослин до статевого розмноження тварин і вірусів.
Тепер учені з Університету Вермонта, Університету Тафтса та Інституту біологічної інженерії Вісса при Гарвардському університеті відкрили зовсім нову форму біологічного відтворення і застосували своє відкриття для створення перших у світі живих роботів, що самовідтворюються.
Та сама команда, яка створила перших живих роботів («ксеноботів», створених із клітин жаби, про які стало відомо в 2020 році), виявила, що ці спроєктовані комп'ютером і зібрані вручну організми можуть плавати у своїй крихітній «тарілці», знаходити окремі клітини, збирати сотні їх разом і складати «маленьких» ксеноботів усередині свого «рота» у формі Пакмана.
За кілька днів вони стають новими ксеноботами, які виглядають і рухаються точно так само, як їхні «батьки». Потім ці нові ксеноботи зможуть шукати клітини і створювати свої копії. Знову і знову.
Доктор філософії, комп'ютерний учений і експерт з робототехніки з Університету Вермонта, який був одним із керівників нового дослідження, Джошуа Бонгард заявив: «За правильного дизайну вони будуть спонтанно самовідтворюватися».
У жаби Xenopus laevis ці ембріональні клітини розвиваються в шкіру. «Вони сиділи б зовні головастика, не даючи проникнути патогенним мікроорганізмам і перерозподіляючи слиз», — розповів Майкл Левін, доктор філософії, професор біології, директор Центру відкриттів Аллена в Університеті Тафтса і співкерівник нового дослідження.
«Але ми поміщаємо їх в новий контекст. Ми даємо їм можливість переосмислити свою багатоклітинність», — зазначив професор. «Люди досить довго думали, що розробили всі способи, якими можна відтворювати життя. Але це те, що раніше ніколи не спостерігалося», — заявив Дуглас Блекістон, доктор філософії, старший науковий співробітник Університету Тафтса й Інституту Вісса, який створив «батьків» ксеноботів і розробив біологічну частину нового дослідження.
«Це глибоко. Ці клітини мають геном жаби, але, не перетворюючись на головастиків, вони використовують свій колективний розум і пластичність, щоб зробити щось вражаюче. У нас є повний незмінний геном жаби, але це не натякає на те, що ці клітини можуть працювати разом над цим новим завданням зі збирання і подальшого стиснення розрізнених клітин у робочі самокопії»
У попередніх експериментах учені були вражені тим, що ксеноботів можна створити для вирішення простих завдань. Тепер вони спантеличені тим, що ці біологічні об'єкти — створена комп'ютером колекція клітин — будуть спонтанно відтворюватися.
Доктор філософії і провідний автор нового дослідження Сем Крігман заявив: «Це клітини жаби, які реплікуються способом, що дуже відрізняється від того, як це роблять жаби. Жодна тварина чи рослина, відома науці, не відтворюється таким чином».
Сам по собі батьківський об'єкт «ксенобот», що складається приблизно з 3000 клітин, утворює сферу. Крігман розповів: «З них можуть народжуватися діти, але після цього система зазвичай вимирає. Насправді дуже складно змусити систему продовжувати відтворюватися».
Але за допомогою програми штучного інтелекту, що працює на кластері суперкомп'ютерів Deep Green в Advanced Computing Core UVM у Вермонті, еволюційний алгоритм зміг протестувати мільярди форм тіл у моделюванні — трикутники, квадрати, піраміди, морські зірки — щоб знайти ті, які дозволили клітинам бути ефективнішими при «кінематичній» реплікації на основі руху.
«Ми попросили суперкомп'ютер в UVM з'ясувати, як відрегулювати форму первинних батьків, і після кількох місяців роботи ШІ придумав деякі дивні конструкції, зокрема ту, що нагадувала Pac-Man. Це виглядає дуже просто, але інженеру-людині таке не вигадати. Чому один крихітний рот? Чому не п'ять? Ми відправили результати Дугласу, і він створив цих батьківських ксеноботів у формі Пакмана. Потім ці батьки створили дітей, які створили онуків, які створили правнуків, які створили праправнуків»
Кінематична реплікація добре відома на рівні молекул, але ніколи раніше не спостерігалася в масштабі цілих клітин або організмів. Бонгард розповів: «Ми виявили, що існує цей раніше невідомий простір всередині організмів або живих систем, і це величезний простір. Як же нам тоді дослідити цей простір? Ми знайшли ксеноботів, які ходять. Ми знайшли плаваючих ксеноботів. А тепер у цьому дослідженні ми виявили ксеноботів, які кінематично відтворюються. Що ще є?».
«Ми працюємо, щоб зрозуміти цю властивість — реплікацію. Світ і технології стрімко змінюються. Для суспільства в цілому важливо, щоб ми вивчали і розуміли, як це працює. Ці живі машини міліметрового розміру, повністю поміщені в лабораторію, легко зупинювані й перевірені федеральними, державними та інституційними експертами з етики, не заважають мені спати вночі. Ризик становить наступна пандемія, прискорення шкоди екосистемі від забруднення, посилення загроз, пов'язаних зі зміною клімату. Це ідеальна система для вивчення самовідтворюваних систем. У нас є моральний обов'язок розуміти умови, за яких ми можемо контролювати це, спрямовувати, придушувати, перебільшувати»
За словами дослідників, необхідно створювати технологічні рішення, які будуть рости з тією ж швидкістю, що й проблеми, з якими стикається світ. Команда бачить у дослідженнях перспективні досягнення в галузі регенеративної медицини.
«Якби ми знали, як сказати колекціям клітин робити те, що ми від них хочемо, врешті-решт була б регенеративна медицина — це рішення проблеми травматичних пошкоджень, вроджених дефектів, раку і старіння. Всі ці різні проблеми існують, тому що ми не знаємо, як передбачити і контролювати, які групи клітин будуватимуться. Ксеноботи — це нова платформа для навчання»
