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沭鸣平台登陆科学家首次将青蛙干细胞组装成“活机器”

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在塔夫茨大学(Tufts University)迈克尔•莱文(Michael Levin)的实验室里,细胞有望找到不同寻常的同伴。
 
在这里,青蛙皮肤的前体悄悄进入细胞,如果在另一个生命中,沐鸣登录这些细胞可能有助于两栖动物的心脏跳动。他们完全是陌生人:生物实体,在此之前,没有在一起的业务。然而,莱文和他的同事们发现,皮肤细胞和心脏细胞可以被诱导合并。将它们并排放置,它们会自组织成复杂的、三维的青蛙细胞马赛克,而这些细胞实际上并不是青蛙。
 
这些由电脑算法设计、人工手术成形的“皮肤-心脏”杂交体,每一个都有一粒沙子那么大,与自然界中发现的任何东西都不相似。但它们所完成的任务却出奇地相似:在没有任何外部输入的情况下,它们可以放大皮氏培养皿,来回推动微观物体,甚至在被切割后将它们重新缝合在一起。
 
莱文称这些细胞群为“新生命形式”——一种不完全是有机体也不完全是机器,但可能介于两者之间的东西。它们被命名为“xenobots”,以纪念非洲爪蟾(Xenopus laevis)。爪蟾的细胞就是从爪蟾身上提取的。
 
莱文和他的同事今天在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of National Academy of Sciences)杂志上撰文称,通过大量的额外修补,xenobot技术有朝一日也可以用于运送药物、收集环境污染物等。他们认为,与传统的机器人不同,未来能自我修复的外星机器人理论上可以在不污染地球的情况下完成这些壮举,而且还能自我修复。
 
犹他大学的生物医学工程师兼合成生物学家Tara Deans表示,随着塑料和其他难以降解的聚合物在环境中不断累积,xenobots所提供的“令人难以置信的创新方法可能对可持续发展非常重要”。
 
但异种机器人也引发了一系列伦理问题。如果事情出了差错,人类可能需要保护来抵御这些和其他形式的人工生命——或者,也许,反之亦然。“当你在创造生命的时候,你并不知道它将走向何方,”妮塔·法拉哈尼(Nita Farahany)说,她在杜克大学(Duke University)研究新技术的伦理后果,没有参与这项研究。“任何时候,我们试图驾驭生命……(我们应该)认识到它可能会变得非常糟糕。”
 
在过去的几十年里,人类在机器人技术上取得了惊人的进步。机器现在可以掌握困难的棋类游戏,并在艰难的地形中航行;他们可以像自动驾驶汽车一样驾驶自己,并在灾难发生后寻找幸存者。但是,生物完成的许多基本功能仍然是人工制造的。即使是在它们最具创造性的结构中,金属和塑料也无法活到细胞的水平。
 
“所有机器人都羡慕生物系统,”莱文说。“它们有很强的适应能力、灵活性和自我修复能力。我们没有机器人可以做到这一点。所以莱文和他的同事们决定尝试建立一个这样的系统。
 
与佛蒙特大学的机器人专家Sam Kriegman和Josh Bongard合作,Levin和Douglas black活塞也在塔夫茨大学,他们要求一个计算机算法来设计一系列的活机器,只使用几百或几千个青蛙皮肤或青蛙心脏细胞作为原料。该算法被要求针对不同的基本功能(如来回移动或操纵对象)对每个xenobot进行优化。
 
“这几乎是一种不干涉的方法,”邦加德说。“我们告诉算法我们想要xenobot做什么,沐鸣平台注册登录但我们没有告诉它xenobot应该怎么做。因此,该算法可以探索这个无限的形式和功能空间。”
 
经过多次配置后,该算法将生成它认为最适合当前任务的数字蓝图。然后,研究人员将试图在莱文的实验室里重现这些设计。
 
即使从青蛙胚胎中剥离出来,在充满液体的培养皿中摇碎,皮肤和心脏细胞仍会热切地聚集在一起,形成成千上万个单位厚的无定形块。莱文说:“这些细胞喜欢呆在一起。接下来,团队的常驻显微外科医生布莱基斯顿(black活塞)将把这些初生的机器人雕刻成电脑指定的形状。
 
所有的外星机器人的成分都是真正的青蛙。但它们最终的形态却与两栖动物毫无关系。一些被制作成两瓣的水滴状,而其他的则是空心的,棱柱状的结构。这些机器人没有四肢、骨骼和神经系统。但他们能很好地完成设计的任务。

为了最大限度地运动,一些像微型尺蠖一样在培养皿底部快速移动,完全由它们内部的心脏细胞的收缩提供动力。还有一些专门用来运送微粒物质的船只,像牧羊犬一样把货物聚集在一起,而更多的船只则把它们装在空袋子里,装在定制的身体上。在某些情况下,异种机器人甚至会相互作用,相互碰撞,绕着对方旋转,最后又分开。
 
迪安斯说,这个团队的方法依赖于计算技术和生物技术的结合,类似于其他重新组合了已知生命积木的技术。但是她说,该团队的技术并没有对已知的DNA模板进行调整,而是简单地将现有的细胞重新排列成新的结构,这让人感觉更有生命的感觉。“这个过程……非常尊重其中的生物学原理。”
 
异形机器人的直径只有一毫米左右,目前还没有多大的能力。它们没有嘴巴或消化系统,只靠胚胎时期的卵黄来补充能量,大约一周后,汁液就会干了,邦加德说。但他和他的同事们认为,这些机器人有朝一日可能被用于将药物输送到人体,或从动脉中刮出斑块。它们被释放到环境中,可以对毒素进行定量分析,或将微塑料从海洋中清除出去。
 
这个团队已经在用不同种类的细胞做实验,承担新的家务。莱文说,作为对它们的粒子聚集行为的一种令人难忘的回应,它们的异种机器人似乎也有能力制造出自己的新版本,将单个细胞聚集在一起,直到它们开始结合。它们也很有弹性:当被切开时,这些机器人只是修复它们的伤口,然后继续工作。
 
康涅狄格大学(University of Connecticut)的哲学家和机器伦理专家苏珊•安德森(Susan Anderson)说,虽然这项技术可能会带来很多好处,但考虑潜在的负面影响也很重要。安德森没有参与这项研究。在错误的人手中,异种机器人的力量很容易被利用成生物武器,把毒药而不是药物运送到人体内。还有一种文化认同需要考虑:仅仅是重组现有生命形式的想法就可能让一些人感到不安,让人想起弗兰肯斯坦(Frankenstein)笔下的怪物,或者H.G.威尔斯(H.G. Wells) 1896年的科幻小说《莫罗博士岛》(The Island of Doctor Moreau)中的实验活体解剖。
 
人类以前肯定也曾修改过生命的食谱。近年来,生物工程师们对细胞进行了重新编程,使其能够大量生产救命的药物,将基因组缩减到最微小的状态,并将来自一种动物的细胞拼凑在一起,形成与另一种动物类似的最终形态。但是,从零开始合成的定制形式的多细胞生命仍然很少,而且还很遥远——部分原因是生物学的大部分发展仍然是一个黑盒子:例如,研究人员仍然不确定组织、器官和附体是如何从单个细胞中显现出来的。
 
研究异种机器人肯定有助于破解这种发展密码。但为了达到这个目标,沭鸣平台登陆科学家们首先必须用他们不完全理解的技术和技术进行实验,从设计这些生命形式的机器学习算法到自发组成它们的细胞,安德森说。
 
Farahany说,到目前为止,这个团队所展示的是一个早期的进展,而且还不能保证研究结果。她补充道:“但对于这类工作来说,思考合适的道德框架和保障措施是不可或缺的。”“当你有活的东西的时候,你需要防故障措施,你需要知道你可以拔掉插头。”
 
邦加德和他的同事承认他们工作的重要性。“围绕这件事的伦理道德不是无关紧要的,”他说。尽管该团队还没有将生物伦理学家纳入他们的研究,“这是我们在讨论如何使用这项技术时需要做的事情,”他补充道。不过,首先,“我们只是想证明这是可能的。”