अब वैज्ञानिकों की एक टीम ने मेंढक भ्रूण से छीनी गई जीवित कोशिकाओं को फिर से तैयार किया है - और उन्हें पूरी तरह से नए जीवन-रूपों में इकट्ठा किया है। ये मिलीमीटर चौड़ा "xenobots" एक लक्ष्य की ओर बढ़ सकता है, शायद एक पेलोड (एक दवा की तरह जिसे रोगी के अंदर एक विशिष्ट स्थान पर ले जाने की आवश्यकता होती है) उठाएं - और काटे जाने के बाद खुद को ठीक करें।

वर्मोंट विश्वविद्यालय के कंप्यूटर वैज्ञानिक और रोबोटिक्स विशेषज्ञ जोशुआ बोंगार्ड कहते हैं, "ये उपन्यास जीवित मशीनें हैं।" "वे न तो एक पारंपरिक रोबोट हैं और न ही जानवरों की एक ज्ञात प्रजाति। यह कलाकृतियों का एक नया वर्ग है: एक जीवित, प्रोग्राम योग्य जीव। "

नए प्राणियों को UVM में एक सुपर कंप्यूटर पर डिज़ाइन किया गया था - और फिर टफ्ट्स विश्वविद्यालय में जीवविज्ञानियों द्वारा इकट्ठा और परीक्षण किया गया। "हम इन जीवित रोबोटों के कई उपयोगी अनुप्रयोगों की कल्पना कर सकते हैं जो अन्य मशीनें नहीं कर सकती हैं", सह-नेता माइकल लेविन कहते हैं, जो टफ्ट्स में पुनर्योजी और विकासात्मक जीवविज्ञान केंद्र का निर्देशन करते हैं, "जैसे कि सूक्ष्म यौगिकों या रेडियोधर्मी संदूषण की खोज, माइक्रोप्लास्टिक इकट्ठा करना महासागरों में, पट्टिका को खुरचने के लिए धमनियों में यात्रा करना। "

नए शोध के परिणाम 13 जनवरी को प्रकाशित हुए थे नेशनल एकेडमी ऑफ साइंसेज की कार्यवाही.

Bespoke लिविंग सिस्टम

लोग कम से कम कृषि के बाद से मानव लाभ के लिए जीवों के साथ छेड़छाड़ कर रहे हैं, आनुवंशिक संपादन व्यापक हो रहा है, और कुछ कृत्रिम जीवों को पिछले कुछ वर्षों में मैन्युअल रूप से इकट्ठा किया गया है - ज्ञात जानवरों के शरीर रूपों की नकल।

लेकिन यह शोध, पहली बार, "जमीन से पूरी तरह से जैविक मशीनों को डिजाइन करता है," टीम अपने नए अध्ययन में लिखती है।

UVM के वर्मोंट एडवांस्ड कंप्यूटिंग कोर में डीप ग्रीन सुपरकंप्यूटर क्लस्टर पर महीनों के प्रसंस्करण समय के साथ, टीम - जिसमें प्रमुख लेखक और डॉक्टरेट छात्र सैम क्रिगमैन शामिल हैं - ने नए जीवन-रूपों के लिए हजारों उम्मीदवार डिज़ाइन बनाने के लिए एक विकासवादी एल्गोरिथ्म का उपयोग किया। वैज्ञानिकों द्वारा सौंपे गए कार्य को प्राप्त करने का प्रयास - एक दिशा में हरकत की तरह - कंप्यूटर पर, कुछ सौ से अधिक सिम्युलेटेड कोशिकाओं को असंख्य रूपों और शरीर के आकृतियों में फिर से इकट्ठा किया जाएगा। जैसे-जैसे कार्यक्रम चला - मूल नियमों द्वारा संचालित किया गया कि सिंगल फ्रॉग त्वचा और कार्डियक कोशिकाएं क्या कर सकती हैं - बायोफिजिक्स के बारे में - अधिक सफल नकली जीवों को रखा गया और परिष्कृत किया गया, जबकि असफल डिजाइनों को बाहर फेंक दिया गया। एल्गोरिथ्म के सौ स्वतंत्र रन के बाद, परीक्षण के लिए सबसे आशाजनक डिजाइन चुने गए थे।

तब लेफ्टिनेंट की अगुवाई में और ट्यूरिस्ट की टीम ने माइक्रोसर्जन डगलस ब्लैकिस्टन द्वारा महत्वपूर्ण काम के साथ - सिलिको डिजाइनों को जीवन में स्थानांतरित किया। पहले उन्होंने स्टेम सेल इकट्ठा किया, अफ्रीकी मेंढकों के भ्रूण से काटा, प्रजातियां Xenopus laevis। (इसलिए "xenobots" नाम) ये एकल कोशिकाओं में अलग हो गए थे और इनक्यूबेट करने के लिए छोड़ दिए गए थे। फिर, छोटे संदंश और यहां तक ​​कि टिनियर इलेक्ट्रोड का उपयोग करते हुए, कोशिकाओं को काट दिया गया और माइक्रोस्कोप के तहत कंप्यूटर द्वारा निर्दिष्ट डिज़ाइनों के एक निकट सन्निकटन में शामिल हो गए।

प्रकृति में कभी नहीं देखे गए शरीर रूपों में इकट्ठे हुए, कोशिकाओं ने एक साथ काम करना शुरू कर दिया। त्वचा कोशिकाओं ने एक अधिक निष्क्रिय वास्तुकला का गठन किया, जबकि हृदय की मांसपेशियों की कोशिकाओं के एक बार-यादृच्छिक संकुचन को कंप्यूटर के डिजाइन द्वारा निर्देशित गति के रूप में आगे की गति बनाने के लिए काम करने के लिए रखा गया था, और सहज आत्म-व्यवस्थित पैटर्न द्वारा सहायता प्राप्त - रोबोट को उनके पास जाने की अनुमति देता है खुद।

इन पुन: प्राप्य जीवों को एक सुसंगत फैशन में सक्षम होने के लिए दिखाया गया था - और दिन या सप्ताह के लिए उनके पानी के वातावरण का पता लगाने के लिए, जो भ्रूण ऊर्जा भंडार द्वारा संचालित है। पलट गया, हालांकि, वे असफल रहे, जैसे कि भृंग उनकी पीठ पर फ़्लिप करते थे।

बाद के परीक्षणों से पता चला कि ज़ेनबॉट्स के समूह एक केंद्रीय स्थान में छर्रों को धकेलते हुए, हलकों में और सामूहिक रूप से चारों ओर घूमेंगे। दूसरों को खींचें को कम करने के लिए केंद्र के माध्यम से एक छेद के साथ बनाया गया था। इन के नकली संस्करणों में, वैज्ञानिक इस छेद को एक वस्तु को सफलतापूर्वक ले जाने के लिए एक थैली के रूप में पुन: पेश करने में सक्षम थे। यूवीएम के डिपार्टमेंट ऑफ कंप्यूटर साइंस एंड कॉम्प्लेक्स सिस्टम सेंटर के एक प्रोफेसर बोंगर्ड कहते हैं, "यह बुद्धिमान दवा वितरण के लिए कंप्यूटर-डिज़ाइन किए गए जीवों का उपयोग करने की दिशा में एक कदम है।"

लिविंग टेक्नोलॉजीज

कई प्रौद्योगिकियां स्टील, कंक्रीट या प्लास्टिक से बनी होती हैं। जो उन्हें मजबूत या लचीला बना सकता है। लेकिन वे पारिस्थितिक और मानव स्वास्थ्य समस्याएं भी पैदा कर सकते हैं, जैसे महासागरों में प्लास्टिक प्रदूषण के बढ़ते संकट और कई सिंथेटिक सामग्री और इलेक्ट्रॉनिक्स की विषाक्तता। बोंगार्ड कहते हैं, "जीवित ऊतक का नकारात्मक पक्ष यह है कि यह कमजोर है और यह नीचा दिखाता है।" “इसलिए हम स्टील का उपयोग करते हैं। लेकिन जीवों में खुद को पुनर्जीवित करने और दशकों तक चलने पर 4.5 बिलियन वर्षों का अभ्यास है। ” और जब वे काम करना बंद कर देते हैं - मृत्यु - वे आमतौर पर हानिरहित होते हैं। "ये ज़ेनबॉट्स पूरी तरह से बायोडिग्रेडेबल हैं," बोंगार्ड कहते हैं, "जब वे सात दिनों के बाद अपनी नौकरी से करते हैं, तो वे सिर्फ मृत त्वचा कोशिकाएं होती हैं।"

आपका लैपटॉप एक शक्तिशाली तकनीक है। लेकिन इसे आधे में काटने की कोशिश करें। इतनी अच्छी तरह से काम नहीं करता है। नए प्रयोगों में, वैज्ञानिकों ने एक्सनोबोट्स को काट दिया और देखा कि क्या हुआ। बोंगार्ड कहते हैं, "हमने रोबोट को लगभग आधे हिस्से में खिसकाया और यह खुद को वापस टाँके लगाता रहा और जाता रहा।" "और यह कुछ ऐसा है जो आप विशिष्ट मशीनों के साथ नहीं कर सकते हैं।"

कोड क्रैक करना

लेविन और बोंगार्ड दोनों कहते हैं कि वे इस बारे में सीख रहे हैं कि कोशिकाएं कैसे संवाद करती हैं और कनेक्ट करती हैं, दोनों कम्प्यूटेशनल विज्ञान और जीवन की हमारी समझ में गहराई तक फैली हुई हैं। "जीव विज्ञान में बड़ा सवाल यह है कि फॉर्म और फ़ंक्शन को निर्धारित करने वाले एल्गोरिदम को समझना है," लेविन कहते हैं। "जीनोम प्रोटीन को कूटबद्ध करता है, लेकिन परिवर्तनकारी अनुप्रयोग हमारी खोज की प्रतीक्षा करते हैं कि कैसे हार्डवेयर कोशिकाओं को विभिन्न स्थितियों में कार्यात्मक शरीर रचना बनाने में सहयोग करने में सक्षम बनाता है।"

एक जीव को विकसित करने और कार्य करने के लिए, सूचनाओं को साझा करने और सहयोग करने के लिए बहुत कुछ है - कार्बनिक संगणना - हर समय कोशिकाओं के बीच में और न केवल न्यूरॉन्स के भीतर चल रहा है। इन उद्भव और ज्यामितीय गुणों को बायोइलेक्ट्रिक, जैव रासायनिक और जैव-रासायनिक प्रक्रियाओं द्वारा आकार दिया जाता है, "जो डीएनए-निर्दिष्ट हार्डवेयर पर चलते हैं," लेविन कहते हैं, "और ये प्रक्रिया पुन: उपयोग करने योग्य हैं, जो उपन्यास के जीवित रूपों को सक्षम करती हैं।"

वैज्ञानिक अपने नए में प्रस्तुत कार्य को देखते हैं PNAS अध्ययन - "पुन: प्रयोज्य जीवों को डिजाइन करने के लिए एक स्केलेबल पाइपलाइन" - जीव विज्ञान और कंप्यूटर विज्ञान दोनों के लिए इस जैवविद्युत कोड के बारे में अंतर्दृष्टि लागू करने में एक कदम के रूप में। "वास्तव में यह निर्धारित करता है कि कोशिकाएँ किस अंग की ओर शरीर रचना करती हैं?" लेविन पूछता है। "आप उन कोशिकाओं को देखते हैं जिन्हें हम अपने एक्सनोबॉट्स के साथ बना रहे हैं, और, आनुवंशिक रूप से, वे मेंढक हैं। यह 100% मेंढक डीएनए है - लेकिन ये मेंढक नहीं हैं। फिर आप पूछते हैं, ठीक है, ये कोशिकाएं निर्माण के लिए और क्या सक्षम हैं? "

"जैसा कि हमने दिखाया है, इन मेंढक कोशिकाओं को दिलचस्प जीवित रूप बनाने के लिए सहवास किया जा सकता है जो कि उनके डिफ़ॉल्ट शरीर रचना विज्ञान से पूरी तरह से अलग हैं," लेविन कहते हैं। वह और UVM और टफ्ट्स टीम के अन्य वैज्ञानिक - DARPA के लाइफलॉन्ग लर्निंग मशीन्स प्रोग्राम और नेशनल साइंस फाउंडेशन के समर्थन के साथ - मानते हैं कि xenobots का निर्माण "मॉर्फोजेनिक कोड" कहे जाने वाले को क्रैक करने की दिशा में एक छोटा कदम है, जो एक गहन दृष्टिकोण प्रदान करता है। समग्र तरीके से जीवों का आयोजन किया जाता है - और वे अपने इतिहास और पर्यावरण के आधार पर जानकारी की गणना और भंडारण कैसे करते हैं।

भविष्य के झटके

बहुत से लोग तेजी से तकनीकी परिवर्तन और जटिल जैविक जोड़तोड़ के निहितार्थ के बारे में चिंता करते हैं। "यह डर अनुचित नहीं है," लेविन कहते हैं। "जब हम जटिल प्रणालियों के साथ गड़बड़ करना शुरू करते हैं जो हमें समझ में नहीं आते हैं, तो हम अनपेक्षित परिणाम प्राप्त करने जा रहे हैं।" चींटी कॉलोनी की तरह बहुत सारी जटिल प्रणालियां, एक साधारण इकाई से शुरू होती हैं - एक चींटी - जिससे उनकी कॉलोनी के आकार की भविष्यवाणी करना असंभव होगा या वे अपने अंतःस्थापित निकायों के साथ पानी पर पुल कैसे बना सकते हैं।

"अगर मानवता भविष्य में जीवित रहने वाली है, तो हमें बेहतर ढंग से समझने की जरूरत है कि किसी भी तरह से जटिल गुण, सरल नियमों से उभरते हैं," एल्विन कहते हैं। अधिकांश विज्ञान "निम्न-स्तरीय नियमों को नियंत्रित करने" पर केंद्रित है। हमें उच्च-स्तरीय नियमों को भी समझने की जरूरत है। “यदि आप एक के बजाय दो चिमनी के साथ एक एंथिल चाहते थे, तो आप चींटियों को कैसे संशोधित करते हैं? हमें कोई पता नहीं होगा। ”

"मुझे लगता है कि यह समाज के लिए एक परम आवश्यकता है जो आगे चलकर उन प्रणालियों पर बेहतर नियंत्रण प्राप्त करने के लिए है जहां परिणाम बहुत जटिल है," लेविन कहते हैं। "ऐसा करने की दिशा में एक पहला कदम यह है कि: जीवित प्रणालियाँ कैसे तय करती हैं कि एक समग्र व्यवहार क्या होना चाहिए और हम जो व्यवहार चाहते हैं उसे प्राप्त करने के लिए टुकड़ों को कैसे जोड़ते हैं?"

दूसरे शब्दों में, "यह अध्ययन उन लोगों से डरने के लिए एक प्रत्यक्ष योगदान है, जो लोगों से डरते हैं, जो कि अनपेक्षित परिणाम हैं," लेविन कहते हैं - क्या सेल्फ-ड्राइविंग कारों के तेजी से आगमन में, जीन ड्राइव को पूरी तरह से मिटा देने के लिए बदलना वायरस, या कई अन्य जटिल और स्वायत्त प्रणाली जो मानव अनुभव को तेजी से बढ़ाएंगे।

यूवीएम के जोश बोंगार्ड कहते हैं, "जीवन में इस जन्मजात रचनात्मकता के सभी है।" "हम इसे और अधिक गहराई से समझना चाहते हैं - और हम इसे नए रूपों की ओर कैसे निर्देशित और धक्का दे सकते हैं।"