Биороботы из стволовых клеток лягушки могут воспроизводить сами себя

В прошлом году команда американских исследователей опубликовала результаты работы по созданию роботов из живых клеток. Точнее, ксеноботов: авторы использовали для их создания плюрипотентные стволовые клетки эмбрионов лягушек Xenopus laevis — отсюда и название.

Ученые перемещали клетки-предшественники эпидермиса из естественной эмбриональной среды в физиологический раствор по отдельности или вместе с участком вокруг области полюса зародыша. Отдельные клетки заставляли контактировать. Через пять дней стволовые клетки образовывали сфероид из эпидермиса, покрытого реснитчатым эпителием. Благодаря ресничкам сфероид мог перемещаться. Такие живые трехмерные конструкции могли даже находить заданную цель и демонстрировали коллективное поведение. А если отделить от такого ксенобота часть, он очень быстро восстанавливет форму — регенерирует.

Ксеноботам можно было придать и другую форму — куба, пирамиды и пр. Это исследователи проделывали вручную, с помощью микрохирургического пинцета и электрода.

В новой работе ученые показали, что ксеноботы могут воспроизводить сами себя. Оказалось, что если поместить несколько ксеноботов в раствор вместе со свободными стволовыми клетками, своими движениями они начнут собирать одиночные клетки вместе. И эти клетки в итоге сформируют такой же организм, способный расти, передвигаться, регенерировать и воспроизводить себя по тому же принципу. Даже если перенести второе поколение сфероидов в отдельную чашку Петри, они сохранят форму и функции. Такой способ размножения, не встречающийся в природе, авторы назвали «кинематической саморепликацией».

Ученые отмечают, что это именно самовоспроизведение: оно возникает спонтанно, не нужно совершать никаких генетических манипуляций с клетками или как-то инициировать процесс. И все же одни только стволовые клетки, находящиеся в растворе без ксеноботов, не способны самостоятельно сформировать живой робот.

Изначально авторы экспериментировали со сферическими ксеноботами. Но еще в прошлом году они выяснили, что форма биороботов влияет на их поведение. Здесь же ученые хотели понять, какая форма будет обеспечивать наиболее эффективную кинематическую саморепликацию. Для этого с помощью эволюционного алгоритма и машинной симуляции ученые проанализировали множество форм ксеноботов.

Подбор выглядел так: сначала случайным образом генерировались 16 форм-предшественников. Эти биороботы — по девять штук каждой формы — помещали в смоделированные чашки Петри. Если виртуальные ксеноботы создавали новые агрегаты, то потомство переносили в другую чашку, процесс продолжался. Когда самовоспроизведение останавливалось, фигуре присваивали оценку производительности по числу дочерних поколений. Наиболее эффективные формы копировали, мутировали и заменяли ими менее производительные формы в других популяциях. И так продолжалось какое-то время, затем идентифицировали форму, которая произвела наибольшее количество поколений. В конце получили 49 высокоэффективных форм. Оптимальной оказалась форма полутороида, проще говоря — буквы С, как у Пакмана из одноименной видеоигры. И действительно, собранные по такой схеме ксеноботы успешно воспроизводили себя максимальное количество раз.

Авторы надеются, что таких (или подобных) роботов в будущем можно будет использовать для решения задач регенеративной медицины, разработки лекарств и т.д.

«Теоретически, ничего не мешает нам создавать их [биороботов] из человеческих клеток, — сказал Сэм Кригман, научный сотрудник Гарвардского университета и Университета Тафтса, один из авторов исследования. — Они могли бы выполнять полезную работу внутри человеческих тел — там, куда обычные роботы не могут попасть, потому что наши тела ненавидят даже небольшое количество металла».