作者：王聰
編輯 | 王多余
排版 | 水文
生命要延續(xù)，就必須繁衍。數(shù)十億年來，生物進(jìn)化出了各種各樣的復(fù)制和繁衍方式，從病毒自我復(fù)制，到植物發(fā)芽，再到動(dòng)物有性繁殖。
2020年，HBO推出了一部名為《異形》的電視劇，劇中一個(gè)機(jī)器人懷孕并生下孩子，讓觀眾震驚不已。
如今，一項(xiàng)新研究表明，“機(jī)器人生孩子”并非天方夜譚，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種新的生物生殖方式，創(chuàng)造出了能自我復(fù)制的活體機(jī)器人。
2021年3月31日，塔夫茨大學(xué)艾倫發(fā)現(xiàn)中心主任萊文教授及其團(tuán)隊(duì)在子期刊上發(fā)表了題為《A for the of》的研究論文。
在這項(xiàng)研究中，研究小組利用非洲爪蛙（ ）的細(xì)胞，制造出了一種小型合成生命機(jī)器（ ），并將其命名為 。
它們可以由單個(gè)細(xì)胞自我組裝，無需肌肉細(xì)胞就能在不同的環(huán)境中快速移動(dòng)、推動(dòng)有效載荷、記住自己的經(jīng)歷、在受損時(shí)自我修復(fù)并表現(xiàn)出群體行為。
2021年11月29日，研究團(tuán)隊(duì)在《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上發(fā)表了題為“self-in”的研究論文。
該研究團(tuán)隊(duì)在先前創(chuàng)造小型合成生命機(jī)器的研究基礎(chǔ)上，創(chuàng)造了有史以來第一個(gè)能夠自我復(fù)制的活體機(jī)器人。
誕生
研究團(tuán)隊(duì)從非洲爪蛙胚胎中提取干細(xì)胞，讓其自我組裝并長成球體。幾天后，部分細(xì)胞分化并長出纖毛，纖毛充當(dāng)腿部，幫助球體快速移動(dòng)。
該研究的通訊作者、塔夫茨大學(xué)艾倫發(fā)現(xiàn)中心主任萊文教授表示，這項(xiàng)研究讓我們見證了細(xì)胞簇非凡的可塑性，它們盡管擁有完全正常的基因組，卻可以形成幾乎全新的“細(xì)胞群”，與它們最初的來源——非洲爪蟾有著很大的不同。
這些細(xì)胞可以改變其遺傳編碼的纖毛的用途，使其具有新的功能——運(yùn)動(dòng)——而且令人驚奇的是，它們可以自發(fā)地承擔(dān)新的角色，創(chuàng)造新的身體結(jié)構(gòu)和行為，而無需經(jīng)過長期的訓(xùn)練才能獲得這些特征。時(shí)間的進(jìn)化選擇。
當(dāng)非洲爪蟾細(xì)胞自行組裝成細(xì)胞時(shí)，它們可以在其表面的纖毛的幫助下以協(xié)調(diào)的方式移動(dòng)。它們還可以通過手術(shù)、遺傳、化學(xué)和光學(xué)刺激。它們可以在水中操縱，受傷后可以自我再生、愈合并表現(xiàn)出可預(yù)測的集體行為。
該研究的第一作者王博士表示，從某種程度上來說，這種機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)機(jī)器人相似，只是它利用細(xì)胞和組織來構(gòu)建和創(chuàng)造可預(yù)測的行為。了解細(xì)胞在發(fā)育過程中如何相互作用，以及如何更好地控制這些相互作用。
該研究的共同第一作者，（左），Emma（右）
接下來，研究小組用計(jì)算機(jī)模擬動(dòng)物的個(gè)體和集體行為，這些模擬發(fā)現(xiàn)它們擅長群體工作。
用于清理垃圾
研究小組將培養(yǎng)的細(xì)菌菌落放在均勻覆蓋氧化鐵顆粒的培養(yǎng)皿中，它們能夠一起掃過培養(yǎng)皿表面并迅速收集大量氧化鐵顆粒，這表明可以利用群體行為來清理垃圾。
研究團(tuán)隊(duì)表示，雖然目前它們只能完成一些簡單的任務(wù)，但最終目標(biāo)是開發(fā)出一種可用于生命的新型機(jī)器，比如用于清理海洋中的微塑料或土壤中的污染物。
可以記錄信息
創(chuàng)作前，研究團(tuán)隊(duì)將編碼EosFP蛋白的mRNA注入非洲爪蛙胚胎細(xì)胞中。該蛋白質(zhì)發(fā)出綠色熒光，但當(dāng)暴露于波長為390nm的藍(lán)光時(shí)，蛋白質(zhì)會(huì)發(fā)出紅光。內(nèi)置熒光開關(guān)可記錄藍(lán)光照射情況。
為了驗(yàn)證這一功能，研究團(tuán)隊(duì)將其中10個(gè)放置在直徑5厘米的培養(yǎng)皿表面，皿內(nèi)有一個(gè)直徑7毫米的區(qū)域直接暴露在藍(lán)光下，經(jīng)過2小時(shí)后，其中3個(gè)發(fā)出紅光，其余則保持原有的綠色，表明這3個(gè)機(jī)器人在藍(lán)光下發(fā)生了運(yùn)動(dòng)，有效記錄了它們的“出行經(jīng)歷”。
研究小組表示，這種分子記憶可以用來檢測放射性污染物、化學(xué)污染物或藥物的存在、疾病狀況等。
生物機(jī)器人的優(yōu)勢
研究團(tuán)隊(duì)表示，此類機(jī)器人相比金屬和塑料機(jī)器人有很多優(yōu)勢，比如，它們可以隨著細(xì)胞的生長成熟構(gòu)建自己的身體計(jì)劃，受損時(shí)可以自我修復(fù)。自我修復(fù)是生物體的自然特性，并保留在體內(nèi)。
這些生物機(jī)器人中的細(xì)胞還能吸收和分解化學(xué)物質(zhì)，像微型工廠一樣工作，合成和排泄化學(xué)物質(zhì)和蛋白質(zhì)。此外，它們還可以通過計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)出更復(fù)雜的行為，以執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù)。
實(shí)現(xiàn)自我復(fù)制
上述機(jī)器人的一個(gè)缺點(diǎn)是它們無法自我復(fù)制，因此研究團(tuán)隊(duì)繼續(xù)研究，希望能夠克服這個(gè)問題。
研究團(tuán)隊(duì)利用佛蒙特大學(xué)超級計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的 AI 程序，對數(shù)十億生物進(jìn)行模擬，并測試一種進(jìn)化算法，以找出哪些細(xì)胞配置能夠自我復(fù)制。最終，AI 找到了一個(gè)成功的設(shè)計(jì)：一組形狀類似于 1980 年代街機(jī)游戲吃豆人的細(xì)胞。
研究團(tuán)隊(duì)利用人工智能的設(shè)計(jì)，用微型烙鐵和手術(shù)鉗手工雕刻出由 3000 個(gè)青蛙細(xì)胞組成、可以在培養(yǎng)皿中游動(dòng)的母體。放入培養(yǎng)皿中的青蛙細(xì)胞為母體提供了原材料，他們用這些原材料制作出吃豆人形狀的“嘴巴”。
幾天后，新細(xì)胞長出來，其外觀和行為與母細(xì)胞一模一樣。這些新細(xì)胞繼續(xù)外出尋找細(xì)胞，復(fù)制自身，然后重復(fù)這一循環(huán)。
這項(xiàng)研究表明，如果將這樣的細(xì)胞簇從正在發(fā)育的生物體中釋放出來，它們可以找到松散的細(xì)胞，并將它們組合成外觀和行為相同的新簇，而且這種能力不必經(jīng)過專門進(jìn)化或基因改造。它還表明，人工智能可以設(shè)計(jì)出復(fù)制能力更強(qiáng)、能完成有用工作的菌落。它還表明，生命有著隱藏在表面之下的驚人行為，等待人類去發(fā)現(xiàn)。
研究團(tuán)隊(duì)表示，這項(xiàng)研究為再生醫(yī)學(xué)的進(jìn)步看到了希望，如果我們知道如何告訴細(xì)胞集合做我們想讓它們做的事情，這將成為創(chuàng)傷、先天缺陷、癌癥和衰老等再生醫(yī)學(xué)的解決方案。
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