Познакомьтесь с ксеноботом: ученые создали жутковатый программируемый организм из живых клеток

Под микроскопом видно, как в жидкой среде чашки Петри беспорядочно двигаются маленькие сгустки. Они способны перемещаться, самоорганизовываться и транспортировать грузы — но если сгусток перевернуть, он так и останется лежать, как опрокинутая на спину черепаха. Они напоминают своим поведением микроскопических плоских червей или даже крошечных тихоходок, отличающихся сложным строением тела, несмотря на свой маленький размер. Но сходство в поведении обманчиво, ведь сгустки состоят из элементов всего двух видов: клеток кожи и клеток сердца лягушек.

В журнале Proceedings of the National Academy of Sciences исследователи рассказывают, как им удалось при помощи эволюционных алгоритмов спроектировать ксеноботов (название произошло от Xenopus laevis, африканской водной лягушки семейства шпорцевых, из клеток которой собраны новые биороботы).

Ученые надеются, что этот новый организм с пугающе «продвинутым» поведением поможет больше узнать о межклеточной коммуникации.

Механизмы взаимодействия клеток по-прежнему остаются большой загадкой для ученых. «Наша задача — выяснить, как клетки объединяются для создания определенных функциональных структур», — объясняет эволюционный биолог из Университета Тафтса Майкл Левин, один из авторов эксперимента.

Левин и его коллеги создали ксеноботов с помощью живых клеток и сложных алгоритмов.

Сначала они изъяли стволовые клетки эмбрионов лягушек и дифференцировали их в клетки сердца (которые имеют свойство сокращаться) и клетки кожи (которые этим свойством не обладают). Затем соединили эти активные и пассивные компоненты, используя естественную склонность клеток прилипать друг к другу.

Одни финальные конструкции имели клиновидную форму, другие — дугообразную. На изображении ксенобота выше бирюзовым цветом отмечены пассивные клетки, а красным и зеленым — активные.

Наблюдая за передвижениями ксеноботов, ученые обратили внимание на то, что строение и форма биороботов обуславливают их поведение. Они отправили полученные данные программистам, которые сконструировали симуляцию среды для цифровых версий ксеноботов.

Программисты запустили эволюционные алгоритмы, чтобы проверить, насколько та или иная структура ксенобота повышает его шансы пройти естественный отбор.

Конструкции, которые успешно справляются с определенным заданием в симуляции, скрещиваются с другими жизнеспособными вариантами, чтобы создать новое поколение более развитых ксеноботов.

Лучшие конструкции Левин и его коллеги затем пытаются воссоздать в лаборатории.

Поведение, которое демонстрируют не обладающие мозгом сгустки, выглядит жутковато. «Время от времени они меняют направление своего движения, а иногда разворачиваются и начинают двигаться обратно», — рассказывает Левин.

Встречая на своем пути отдельные клетки, сгустки собирают их в небольшие кучки. А если разрезать ксенобота пополам, он снова соединится, прямо как Т-1000 из фильма «Терминатор 2».

Ксеноботы также могут объединяться и передвигаться вместе, а ксенобот с отверстием посередине способен переносить грузы с места на место.

Межклеточная коммуникация, обуславливающая такие сложных паттерны поведения, — предмет исследования Левина и его коллег. «Наша главная цель — научиться контролировать этот процесс», — говорит Левин.

Ксенобот — уникальный организм: это одновременно живое существо, состоящее из клеток, и робот, которого можно запрограммировать на определенное поведение. В самих клетках лягушек нет ничего особенного; но необычно то, как они начинают себя вести, когда собираются вместе.

Открытия Левина и его коллег могут положить начало совершенно новому подходу к робототехнике.

Сегодня стандартный человекоподобный робот — это набор механических деталей, которые вместе образуют (в идеале) разумное целое, способное двигаться и взаимодействовать с предметами. Тело человека же полностью состоит из разумных единиц: клетки совместно образуют ткани, которые затем образуют органы, которые, в свою очередь, создают (в идеале) разумное целое.

Однако процесс обещает быть трудным. «Создание роботов из живых тканей сопряжено с теми же сложностями, с которыми сталкиваются ученые, работающие в области мягкой робототехники. Только здесь они возведены в энную степень», — говорит Тоннес Найгард, занимающийся эволюционной робототехникой в Университете Осло.

Любому роботу трудно будет адаптироваться к реальному миру, и уж тем более роботу, состоящему из живых клеток. Преимущество использования эволюционных методов как раз в том, что они позволяют научить роботов приспосабливаться к окружающей среде так же, как это делают живые существа, — пусть и под руководством людей.

Так что добро пожаловать в наш мир, уникальные гибридные робосущества!