'Živé roboty' navržené umělou inteligencí poskytují potenciální nový základ pro regenerativní medicínu

Pokud je reprodukce znakem života, pak první 'živí roboti' na světě možná právě vystoupili z Petriho misky v Burlingtonu ve Vermontu. Přiznávám, že 'vystoupili' může být přehnané tvrzení (AI navržení 'xenoboti' se místo toho neceremoniálně kutáleli po misce), nicméně se jim podařilo dosáhnout něčeho velmi pozoruhodného v tomto procesu. Malé tvory ve tvaru Pac-Mana shromáždily kmenové buňky žab ze roztoku, ve kterém plavaly, a vytvořily kopie sebe samých – a velikost tohoto úspěchu nelze přecenit.

Tým odpovědný za vývoj – z University of Vermont, Tufts University a Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering na Harvard University – navázal na výzkum, který odhalili minulý rok, kdy vytvořili vůbec první roboty postavené výhradně z živých buněk (buňky byly odebrány z embryí žab). Ačkoli tito počáteční roboti byli čistě organické struktury, nebyli považováni za živé organismy, protože neměli schopnost sebereplikace – jednu z nejzákladnějších charakteristik živého tvora.

To se všechno změnilo letos.

Nové formy života

Ve snaze oživit své xenoboty zapojil Sam Kriegman, Ph.D., spoluvůdce týmu, umělou inteligenci na University of Vermont a požádal ji, aby navrhla strukturu rodiče xenobota. 'Umělá inteligence přišla po měsících práce s několika podivnými návrhy,' říká Kriegman, 'včetně jednoho, který připomínal Pac-Mana. Je to velmi neintuitivní. Vypadá to velmi jednoduše, ale není to něco, co by vymyslel lidský inženýr. Proč jedna malá ústa? Proč ne pět?'

Navzdory otázkám ohledně navrhovaného designu AI byly tyto výsledky přesto použity k vytvoření rodičovského xenobota. Tento rodič dokázal vytvořit děti a pokračoval ve vytváření vnoučat. Děsivé věci – nejen že jsme vytvořili samoreplikující se robot, ale také že další, kterého jsme postavili (AI), ho pro nás navrhl. 'Lidé si už dlouho mysleli, že jsme objevili všechny způsoby, jak se život může reprodukovat nebo replikovat,' říká Douglas Blackiston, Ph.D., který sestavil rodičovské xenoboty, 'ale toto je něco, co ještě nikdy nebylo pozorováno.'

Myšlenka člověkem vytvořených, samoreplikujících se tvorů může některým lidem nahánět hrůzu, avšak zatím se nemusíme obávat invazí ve stylu Pac-Mana, které by ovládly planetu. Systém samoreplikace používaný xenoboty není plně realizován a proces po několika generacích zaniká. Přesto jsou důsledky tohoto biotechnologického pokroku nesmírně významné, zejména pokud jde o medicínu.

Xenoboti a regenerativní medicína 

Regenerativní medicína je termín, který zahrnuje léčby zaměřené na poškozené tkáně, přičemž se soustředí převážně na selektivní náhradu a opravu buněk. Jejím hlavním účelem je omlazení, a proto je často považována za anti-aging medicínu. Co nás však brzdí v jejím efektivním rozvoji, je naše neschopnost přesně říci buňkám, co od nich chceme.

Práce prováděná na University of Vermont nás právě přiblížila mnohem blíže.

Embryonální buňky žab, které xenoboti shromáždili, by se normálně vyvinuly v žabí kůži, avšak v rukou týmu z Vermontu byly buňky přesměrovány. 'Dáváme je do nového kontextu,' říká Michael Levin, Ph.D., spoluvedoucí výzkumu. 'Dáváme jim šanci znovu si představit jejich mnohobuněčnost.'

Ačkoli buňky měly genom žáby, byly osvobozeny od jakékoli předem určené biologické cesty a mohly využít svou kolektivní genetickou inteligenci k dosažení něčeho zcela jiného. 'Pracujeme na pochopení této vlastnosti,' říká Bongard. 'Je důležité, pro společnost jako celek, abychom studovali a pochopili, jak to funguje.'

Opravdu. Když spojíte naše rostoucí porozumění struktuře buněk se schopností umělé inteligence vytvářet biologické nástroje na objednávku, můžeme brzy mít mnohem větší kontrolu nad našimi vlastními buňkami, než jsme kdy měli – výzkum prováděný týmem z Vermontu nám poskytuje schopnost bojovat proti ničivým účinkům stárnutí buněk a prodloužit lidskou dlouhověkost.

„Pokud bychom věděli, jak říct sbírkám buněk, aby dělaly to, co chceme, aby dělaly, nakonec by to byla regenerativní medicína,“ říká Levin. „To je řešení traumatických zranění, vrozených vad, rakoviny a stárnutí. Všechny tyto různé problémy existují, protože nevíme, jak předpovědět a kontrolovat, co skupiny buněk postaví. Xenoboti jsou novou platformou, která nás to učí.“

Uvedení technologie proti stárnutí do reality

V této rané fázi je těžké skutečně pochopit potenciální aplikace xenobotů. 'Vše, co můžeme udělat, je zvážit výhody této technologie oproti tradičním robotům,' říká Bongard, 'což je to, že jsou malé, biologicky rozložitelné a spokojené ve vodě.' I když by to mohlo být dobré pro zemědělství, produkci kultivovaného masa nebo nízkonákladové odsolování vody, není pochyb o tom, že technologie proti stárnutí bude jednou z hlavních oblastí budoucího výzkumu. Vyhlídka na vymazání nemocí souvisejících s věkem do dějin je jistě dostatečně lákavá pro jakýkoli výzkumný tým, než vůbec začnete přemýšlet o finančních odměnách.

Regenerativní medicína možná ještě není na obzoru, ale s příchodem samoreplikujících se xenobotů jsme určitě udělali obrovský krok směrem k ní. S možností, že naše vlastní buňky mohou být přeprogramovány k boji proti příznakům stárnutí, nejenže budeme žít déle, ale budeme si to moci více užívat – můžete zůstat fit a krásní až do svých tří set let. Takže byste možná měli brát Pac-Mana trochu vážněji, až ho příště budete hrát, protože jeho bratranec, xenobot, by vám mohl v nedaleké budoucnosti přinést elixír života.

Reference:

1. R. D. Kamm et al., Perspektiva: Příslib vícebuněčných inženýrských živých systémů. APL Bioeng. 2, 040901 (2018).

2. D. Blackiston et al., Buněčná platforma pro vývoj syntetických živých strojů. Sci. Robot. 6, eabf1571 (2021).

3. J. Losner, K. Courtemanche, J. L. Whited, Analýza systémových mediátorů opravy a regenerace složitých tkání napříč druhy. NPJ Regen. Med. 6, 21 (2021).

4. S. Kriegman, D. Blackiston, M. Levin, J. Bongard, škálovatelný proces pro navrhování rekonfigurovatelných organismů. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 117, 1853–1859 (2020).

5. V. Zykov, E. Mytilinaios, B. Adams, H. Lipson, Robotika: Samoreprodukující se stroje. Nature 435, 163–164 (2005).

6. Z. Qu et al., Směrem k vysoce výkonným mikroskopickým bateriím: Konfigurace a optimalizace elektrodových materiálů pomocí in-situ analytických platforem. Energy Storage Mater. 29, 17–41 (2020).

7. Q. Wu et al., Organ-on-a-chip: Nedávné průlomy a budoucí vyhlídky. Biomed. Eng. Online 19, 9 (2020).

8. E. Garreta et al., Přehodnocení technologie organoidů prostřednictvím bioinženýrství. Nat. Mater. 20, 145–155 (2021).

9. Y. Han et al., Mezenchymální kmenové buňky pro regenerativní medicínu. Buňky 8, 886 (2019).

10. S. F. Gilbert, S. Sarkar, Přijetí složitosti: Organismus pro 21. století. Dev. Dyn. 219, 1–9 (2000).

11. G. S. Hussey, J. L. Dziki, S. F. Badylak, Materiály na bázi extracelulární matrix pro regenerativní medicínu. Nat. Rev. Mater. 3, 159–173 (2018).