Разработка живых существ долгое время казалась фантастикой, но теперь это реальность — компьютерные инженеры из Университета Вермонта и биофизики из Университета Тафтса создали биороботов. В статье, опубликованной в PNAS, они описывают использование ИИ для создания совершенно нового организма из стволовых клеток лягушки — фактически, они создали крошечного живого робота. Их основная цель состоит в том, чтобы использовать этих «ксеноботов» для лучшего понимания того, как клетки всех видов общаются друг с другом.
Для достижения этой цели команда из Вермонтского университета разработала искусственный интеллект, способный выполнять десятки тысяч симуляций того, как будут вести себя различные комбинации клеток кожи и сердца, если они будут построены в реальном мире. Команда из Университета Тафтса использовала некоторые из этих предсказаний, чтобы построить функциональный организм из стволовых клеток, взятых из эмбрионов лягушек.
Команда собирает эти клетки, обрезая периферическую область эмбриона, которая обычно развивается в кожу или сердечную мышцу позже в процессе роста. Они вручную разделяют ткань на отдельные клетки и помещают их в специальные формы.
Различные дизайны ксеноботов.
Это похоже на создание мармелада: все перемешано, и вы не ожидаете того, что эти отдельные клетки смогут координировать свои действия. Другими словами, расплавленный мармелад сам по себе никогда не превратится в жевательного мишку. Но «то, что они строят — это не просто беспорядок», — говорит биофизик из Университета Тафтса Майкл Левин. «Это функциональный, целостный организм».
Этот организм движется, используя клетки сердечной мышцы, которые предназначены для сокращений (так бьется ваше сердце). Клетки кожи помогают удерживать все вместе, точно так же, как они это делают в настоящих организмах, говорит микробиолог Мичиганского университета Кристофер Адами, который не участвовал в исследовании.
После того, как исследователи вытаскивают ксенобота из формы, команда вручную обрезает его до вида, предсказанного искусственным интеллектом. По словам Левина, они придумали «рецепт», с помощью которого можно создавать относительно небольшое количество ксеноботов, способных передвигаться и выполнять одни и те же функции. Такие существа могут в конечном итоге найти практическое применение вне лаборатории, например, для улучшения доставки лекарств внутри организма.
И это только первый шаг. «Перевод сгенерированного компьютером существа в биологический организм — это нечто новое», — говорит Адами. Но не ясно, сколько времени понадобится этому методу, чтобы стать новой медицинской технологией или даже изменить понимание того, как работают клетки.
Тем не менее, это выглядит многообещающе. «Перенос поведения робота из симуляции в реальность чрезвычайно сложен, и эта новая статья показывает впечатляющие результаты», — сказала инженер робототехники Йельского университета Ребекка Крамер-Боттильо. «Использование командой живых клеток для получения моделируемых конструкций и моделей поведения является особенно многообещающим показателем нашей будущей способности создавать биосовместимых роботов, которые будут использовать упругость и интеллект живых тканей».
Процесс создания ксеноботов.
На данный момент команда сосредоточена на фундаментальной науке, а не на научно-фантастических медицинских возможностях. Они работают над проектированием новых дизайнов ксеноботов, которые будут более четко демонстрировать, как клетки взаимодействуют друг с другом. Мы знаем, что они используют такие методы, как электричество и химические сигналы для координации, но в настоящее время мы понятия не имеем, как клетки общаются между собой, или как они решают, какие формы строить.
Существует несколько способов создать «живого робота», и эти ксеноботы не первые. Другие команды используют генную инженерию и различные виды производства тканей для создания клеток, которые могут выполнять функции, отличные от тех, для которых они предназначены. Настоящий прогресс в новой работе заключается в использовании ИИ для разработки ксеноботов, говорит компьютерный инженер из Университета Вермонта Джош Бонгард.
По его словам, компьютер «в основном работает методом проб и ошибок над миллиардами и миллиардами конструкций ксеноботов». И новое исследование показывает, насколько это эффективно для создания дизайна, который работает в реальном мире.
Хотя это может звучать как что-то из научной фантастики, люди постоянно меняют организмы и делают это на протяжении тысячелетий. Но этот процесс обычно занимает десятилетия или даже столетия — подумайте об одомашненных культурах, таких как кукуруза, которая не очень-то похожа на своих диких предков — точный конечный результат практически невозможно контролировать.
Бонгард признает, что создание совершенно новых организмов поднимает много этических вопросов, даже если эти организмы не способны думать или чувствовать в нашем понимании этого. По мере развития технологий, говорит он, в конечном итоге нам, возможно, потребуется выработать правила этического отношения к ксеноботам.
Однако, «они не живы в том смысле, в котором вы обычно думаете об этом», — отмечает Адами. «По сути это ткани, которые реагируют на стимуляции».
Еще неизвестно, что будет дальше с ксеноботами, и что они могут рассказать нам о том, как работают клетки. Больше всего Левина интересует, как клетки общаются между собой. «Общая задача здесь со стороны биологии — понять, как взаимодействуют отдельные клетки и как они решают, какие тела строить», — говорит Левин. «Это действительно песочница».
По его словам, понимание того, как клетки обмениваются информацией, будет иметь важное значение для будущего биологических наук. «Мы сейчас на той же стадии развития, на которой была информатика в 40-х годах, когда для того, чтобы что-то перепрограммировать, нужно было перетыкать провода и работать с физическими переключателями», — говорит он про генную инженерию. «Мы должны двигаться вперед, совершив переход от «железа» к «программам».
Однако для этого, по словам Адами, может потребоваться развитие более тонкого физического контроля над клетками. На данном этапе команда должна физически строить ксеноботов, и хотя они надеются в конечном итоге автоматизировать процесс, Адами говорит, что до технологий простой 3D-печати таких организмов еще очень далеко.
«Эти существа — по сути эмбрионы. Они маленькие. И у нас нет механизма, который позволит автоматизировать их производство», — говорит Адами. Однако даже в не очень больших количествах эти крошечные существа могут дать важную информацию о том, как отдельные клетки формируют целый организм.
