الآن قام فريق من العلماء بإعادة استخدام الخلايا الحية - التي تم كشطها من أجنة الضفدع - وجمعها في أشكال حياة جديدة تمامًا. يمكن لهذه "xenobots" بعرض المليمترات أن تتحرك نحو الهدف ، وربما تلتقط حمولة (مثل دواء يحتاج إلى حمله إلى مكان معين داخل المريض) - وتشفى نفسها بعد قطعها.

يقول جوشوا بونجارد ، عالم الكمبيوتر وخبير الروبوتات في جامعة فيرمونت ، والذي شارك في قيادة البحث الجديد: "هذه آلات حية جديدة". "إنهم ليسوا روبوتًا تقليديًا ولا أنواعًا معروفة من الحيوانات. إنها فئة جديدة من القطع الأثرية: كائن حي قابل للبرمجة ".

تم تصميم المخلوقات الجديدة على جهاز كمبيوتر فائق في UVM - ثم تم تجميعها واختبارها من قبل علماء الأحياء في جامعة تافتس. "يمكننا أن نتخيل العديد من التطبيقات المفيدة لهذه الروبوتات الحية التي لا يمكن للآلات الأخرى القيام بها" ، يقول القائد المشارك مايكل ليفين الذي يدير مركز علم الأحياء التجديدي والتنموي في Tufts ، "مثل البحث عن المركبات السيئة أو التلوث الإشعاعي ، وجمع المواد البلاستيكية الدقيقة في المحيطات ، والسفر في الشرايين لكشط اللويحة ".

تم نشر نتائج البحث الجديد في 13 يناير في وقائع الاكاديمية الوطنية للعلوم.

مفصل أنظمة المعيشة

كان الناس يتلاعبون بالكائنات من أجل المنفعة البشرية منذ فجر الزراعة على الأقل ، وانتشر التحرير الجيني على نطاق واسع ، وتم تجميع عدد قليل من الكائنات الاصطناعية يدويًا في السنوات القليلة الماضية - نسخ أشكال أجسام الحيوانات المعروفة.

لكن هذا البحث ، لأول مرة على الإطلاق ، "يصمم الآلات البيولوجية بالكامل من الألف إلى الياء" ، يكتب الفريق في دراستهم الجديدة.

مع أشهر من الوقت في المعالجة على مجموعة الحواسيب العملاقة Deep Green في مركز الحوسبة المتقدمة Vermont Advanced Computing UVM ، استخدم الفريق - بما في ذلك المؤلف الرئيسي وطالب الدكتوراه Sam Kriegman - خوارزمية تطورية لإنشاء آلاف التصميمات المرشحة لأشكال الحياة الجديدة. في محاولة لتحقيق مهمة قام بها العلماء - مثل الحركة في اتجاه واحد - سيعيد الكمبيوتر ، مرارًا وتكرارًا ، تجميع بضع مئات من الخلايا المحاكاة في أشكال لا تعد ولا تحصى وأشكال الجسم. مع تشغيل البرامج - مدفوعة بالقواعد الأساسية حول الفيزياء الحيوية لما يمكن أن يفعله جلد الضفدع الفردي والخلايا القلبية - تم الاحتفاظ بالكائنات الحية الأكثر نجاحًا وصقلها ، بينما تم التخلص من التصميمات الفاشلة. بعد مائة تشغيل مستقل للخوارزمية ، تم اختيار أكثر التصاميم الواعدة للاختبار.

ثم قام الفريق في تافتس ، بقيادة ليفين ومع عمل رئيسي من قبل الجراح الصغير دوغلاس بلاكستون - بتحويل تصاميم السيليكون إلى الحياة. قاموا أولاً بجمع الخلايا الجذعية ، التي تم حصادها من أجنة الضفادع الأفريقية ، الأنواع Xenopus laevis. (ومن هنا جاء اسم "xenobots"). وقد تم فصلها إلى خلايا مفردة وتركت للاحتضان. ثم ، باستخدام ملقط صغير وقطب كهربائي أصغر ، تم قطع الخلايا وربطها تحت المجهر في تقريب قريب من التصميمات التي حددها الكمبيوتر.

بدأت الخلايا في تجميعها في أشكال الجسم التي لم يسبق رؤيتها في الطبيعة ، وبدأت في العمل معًا. شكلت خلايا الجلد بنية أكثر سلبية ، في حين تم تشغيل تقلصات خلايا عضلة القلب التي كانت عشوائية في السابق مما أدى إلى إنشاء حركة أمامية مرتبة حسب توجيهات تصميم الكمبيوتر ، وبمساعدة أنماط التنظيم الذاتي العفوية - مما يسمح للروبوتات بالتحرك خاصة.

ثبت أن هذه الكائنات القابلة لإعادة التشكيل قادرة على التحرك بطريقة متماسكة - واستكشاف بيئتها المائية لأيام أو أسابيع ، مدعومة بمخازن الطاقة الجنينية. ومع ذلك ، فشلوا ، مثل الخنافس التي انقلبت على ظهورهم.

أظهرت الاختبارات اللاحقة أن مجموعات من روبوتات xenobots ستتحرك في دوائر ، وتدفع الكريات إلى موقع مركزي - بشكل تلقائي وجماعي. تم بناء البعض الآخر بفتحة عبر المركز لتقليل السحب. في النسخ المحاكاة لهذه ، تمكن العلماء من إعادة استخدام هذه الحفرة كحقيبة لحمل جسم بنجاح. يقول بونجارد ، الأستاذ في قسم علوم الكمبيوتر ومركز الأنظمة المعقدة في UVM: "إنها خطوة نحو استخدام الكائنات الحية المصممة بالكمبيوتر لتقديم الأدوية بذكاء".

تقنيات المعيشة

العديد من التقنيات مصنوعة من الفولاذ أو الخرسانة أو البلاستيك. يمكن أن يجعلها قوية أو مرنة. لكنها يمكن أن تخلق أيضًا مشاكل بيئية وصحية للإنسان ، مثل آفة التلوث البلاستيكي المتزايدة في المحيطات وسمية العديد من المواد الاصطناعية والإلكترونيات. يقول بونجارد: "الجانب السلبي للأنسجة الحية هو أنها ضعيفة وتتدهور". لهذا السبب نستخدم الفولاذ. لكن الكائنات الحية لديها 4.5 مليار سنة من الممارسة في تجديد نفسها والاستمرار لعقود. " وعندما يتوقفون عن العمل - الموت - عادة ما ينهارون بشكل غير ضار. يقول بونجارد: "إن هذه الخلايا الغريبة من النباتات قابلة للتحلل تمامًا ، عندما تنتهي من عملها بعد سبعة أيام ، فهي مجرد خلايا ميتة".

الكمبيوتر المحمول الخاص بك هو تقنية قوية. لكن حاول قطعها إلى النصف. لا يعمل بشكل جيد. في التجارب الجديدة ، قطع العلماء أجهزة xenobots وشاهدوا ما حدث. يقول بونجارد: "قمنا بتقطيع الروبوت إلى نصفين تقريبًا وخيط نفسه للخلف واستمر في العمل". "وهذا شيء لا يمكنك فعله بالآلات النموذجية."

تكسير الكود

يقول كل من ليفين وبونجارد أن إمكانات ما تعلموه حول كيفية تواصل الخلايا وتواصلها تمتد عميقًا في كل من العلوم الحسابية وفهمنا للحياة. يقول ليفين: "إن السؤال الكبير في علم الأحياء هو فهم الخوارزميات التي تحدد الشكل والوظيفة". "يشفر الجينوم البروتينات ، لكن التطبيقات التحويلية تنتظر اكتشافنا لكيفية تمكين هذا الجهاز للخلايا من التعاون من أجل صنع تشريح وظيفي في ظروف مختلفة تمامًا."

لجعل الكائن الحي يتطور ويعمل ، هناك الكثير من مشاركة المعلومات والتعاون - الحساب العضوي - يحدث داخل الخلايا وبينها طوال الوقت ، وليس فقط داخل الخلايا العصبية. يقول ليفين ، إن هذه الخصائص الناشئة والهندسية تتشكل من خلال العمليات الكهربائية الحيوية والكيميائية الحيوية والميكانيكية الحيوية "التي تعمل على أجهزة محددة من الحمض النووي ، وهذه العمليات قابلة لإعادة التشكيل ، مما يتيح أشكالًا حية جديدة".

يرى العلماء العمل المقدم في الجديد PNAS دراسة - "خط أنابيب قابل للتطوير لتصميم كائنات قابلة لإعادة التشكيل ،" - كخطوة واحدة في تطبيق رؤى حول هذا الرمز الكهربائي الحيوي لكل من علم الأحياء وعلوم الكمبيوتر. "ما الذي يحدد بالفعل التشريح الذي تتعاون الخلايا من أجله؟" يسأل ليفين. "إنك تنظر إلى الخلايا التي كنا نبني عليها روبوتات xenobots ، وهي جينياً ضفادع. إنه 100٪ ضفدع DNA - لكن هذه ليست ضفادع. ثم تسأل ، حسناً ، ما هي هذه الخلايا الأخرى القادرة على البناء؟ "

يقول ليفين: "كما أوضحنا ، فإن خلايا الضفدع هذه يمكن أن يتم إقناعها بعمل أشكال حية مثيرة للاهتمام مختلفة تمامًا عما سيكون عليه تشريحها الافتراضي". يعتقد هو والعلماء الآخرون في فريق UVM و Tufts - بدعم من برنامج آلات التعلم مدى الحياة التابع لـ DARPA ومؤسسة العلوم الوطنية - أن بناء أجهزة xenobots هو خطوة صغيرة نحو كسر ما يسميه "الشفرة المورفولوجية" ، مما يوفر رؤية أعمق من الطريقة الإجمالية لتنظيم الكائنات الحية - وكيف تحسب وتخزن المعلومات بناءً على تاريخها وبيئتها.

صدمات المستقبل

يقلق الكثير من الناس حول آثار التغير التكنولوجي السريع والمعالجة البيولوجية المعقدة. يقول ليفين: "هذا الخوف ليس غير معقول". "عندما نبدأ في العبث بأنظمة معقدة لا نفهمها ، سنحصل على عواقب غير مقصودة". تبدأ الكثير من الأنظمة المعقدة ، مثل مستعمرة النمل ، بوحدة بسيطة - نملة - يكون من المستحيل التنبؤ بها شكل مستعمرتها أو كيفية بناء الجسور فوق الماء بأجسامها المترابطة.

يقول ليفين: "إذا كانت البشرية ستستمر في المستقبل ، فنحن بحاجة إلى فهم أفضل لكيفية ظهور الخصائص المعقدة ، بطريقة أو بأخرى ، من القواعد البسيطة". يركز الكثير من العلوم على "التحكم في القواعد ذات المستوى المنخفض. نحن بحاجة أيضًا إلى فهم القواعد عالية المستوى. "إذا كنت تريد نملًا مع اثنين من المداخن بدلاً من واحدة ، فكيف يمكنك تعديل النمل؟ ليس لدينا فكرة. "

يقول ليفين: "أعتقد أنه من الضرورة القصوى أن يمضي المجتمع قدما نحو التعامل بشكل أفضل مع الأنظمة حيث تكون النتيجة معقدة للغاية". "إن الخطوة الأولى نحو القيام بذلك هي الاستكشاف: كيف تقرر الأنظمة الحية ما يجب أن يكون عليه السلوك العام وكيف نتلاعب بالقطع للحصول على السلوكيات التي نريدها؟"

بعبارة أخرى ، "هذه الدراسة هي مساهمة مباشرة في التعامل مع ما يخشاه الناس ، وهو عواقب غير مقصودة" ، يقول ليفين - سواء في الوصول السريع للسيارات ذاتية القيادة ، تغيير محركات الجينات للقضاء على الأنساب الكاملة من الفيروسات ، أو العديد من الأنظمة المعقدة والمستقلة الأخرى التي ستشكل التجربة البشرية بشكل متزايد.

يقول جوش بونغارد من UVM: "هناك كل هذا الإبداع الفطري في الحياة". "نريد أن نفهم ذلك بعمق أكبر - وكيف يمكننا توجيهه ودفعه نحو أشكال جديدة."