AI-designede 'levende robotter' giver et potentielt nyt fundament for regenerativ medicin

Hvis reproduktion er kendetegnet for liv, så kan verdens første 'levende robotter' netop være trådt ud af en petriskål i Burlington, Vermont. Det skal indrømmes, at 'trådt ud' måske er en overdrivelse, (de AI-designede 'xenobots' rullede i stedet rundt uceremonielt i skålen), men de formåede dog at opnå noget ganske bemærkelsesværdigt i processen. De små Pac-Man-formede skabninger samlede frø-stamceller op fra opløsningen, de svømmede i, og byggede kopier af sig selv – og størrelsen af det kan ikke overvurderes.

Holdet ansvarligt for udviklingen – fra University of Vermont, Tufts University og Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering ved Harvard University – byggede videre på forskning, de afslørede sidste år, da de skabte de første robotter nogensinde, der udelukkende var konstrueret af levende celler (cellerne blev taget fra frøembryoner). Selvom disse første robotter var rent organiske i deres struktur, blev de ikke betragtet som levende organismer, da de ikke havde evnen til at selvreplikere – en af de mest fundamentale egenskaber ved en levende skabning.

Det hele ændrede sig i år.

Nye livsformer

I et forsøg på at give liv til deres xenobots engagerede Sam Kriegman, Ph.D., medleder af holdet, AI'en ved University of Vermont og bad den om at designe en xenobot-forældrestruktur. 'AI'en kom op med nogle mærkelige designs efter måneders arbejde,' siger Kriegman, 'inklusive et, der lignede Pac-Man. Det er meget ikke-intuitivt. Det ser meget simpelt ud, men det er ikke noget, en menneskelig ingeniør ville komme på. Hvorfor én lille mund? Hvorfor ikke fem?'

På trods af spørgsmål vedrørende AI'ens foreslåede design blev disse resultater ikke desto mindre brugt til at bygge en forælder-xenobot. Denne forælder formåede at bygge børn og gik videre til at bygge børnebørn. Skræmmende ting – ikke kun at vi har skabt en selvreplikerende robot, men at en anden, vi byggede (en AI), designede den for os. 'Folk har i lang tid troet, at vi har fundet ud af alle måder, hvorpå liv kan reproducere eller replikere,' siger Douglas Blackiston, Ph.D., som samlede xenobot-forældrene, 'men dette er noget, der aldrig er blevet observeret før.'

Nu kan tanken om menneskeskabte, selvreplikerende væsener få det til at løbe koldt ned ad ryggen på nogle mennesker, men vi behøver ikke bekymre os om Pac-Man-lignende angribere, der overtager planeten lige foreløbig. Selv-replikationssystemet, der bruges af xenobots, er ikke fuldt udviklet, da processen dør ud efter et par generationer. Ikke desto mindre er implikationerne af dette bioteknologiske fremskridt enormt dybtgående, især når det kommer til medicin.

Xenobots og regenerativ medicin 

Regenerativ medicin er et begreb, der dækker behandlinger, der retter sig mod beskadiget væv, med hovedfokus på selektiv celleudskiftning og -reparation. Med det primære formål at forynge, betragtes det ofte som anti-aging medicin. Dog er det, der holder os tilbage fra at udvikle det effektivt, vores manglende evne til præcist at fortælle cellerne, hvad vi ønsker, de skal gøre.

Arbejdet, der udføres på University of Vermont, har netop bragt os meget tættere på.

De embryonale frøceller, som xenobotterne samlede, ville normalt have udviklet sig til frøhud, men i hænderne på Vermont-teamet blev cellerne omdirigeret. 'Vi sætter dem i en ny kontekst,' siger Michael Levin, Ph.D., medleder af forskningen. 'Vi giver dem en chance for at genopfinde deres multicellularitet.'

Selvom cellerne havde en frøgenom, var de frigjort fra enhver forudbestemt biologisk vej og kunne bruge deres kollektive genetiske intelligens til at opnå noget helt andet. 'Vi arbejder på at forstå denne egenskab,' siger Bongard. 'Det er vigtigt, for samfundet som helhed, at vi studerer og forstår, hvordan dette fungerer.'

Ja, faktisk. Når vi kombinerer vores stigende forståelse af cellestruktur med en AI's evne til at skabe biologiske værktøjer efter behov, kan vi snart få langt mere kontrol over vores egne celler, end vi nogensinde har haft før – forskningen udført af Vermont-teamet giver os mulighed for at bekæmpe de skader, der forårsages af cellulær aldring, og øge menneskelig levetid.

‘Hvis vi vidste, hvordan vi kunne få samlinger af celler til at gøre, hvad vi ønskede, at de skulle gøre, så er det i sidste ende regenerativ medicin,’ siger Levin. ‘Det er løsningen på traumatiske skader, fødselsdefekter, kræft og aldring. Alle disse forskellige problemer eksisterer, fordi vi ikke ved, hvordan vi skal forudsige og kontrollere, hvad grupper af celler vil bygge. Xenobots er en ny platform, der kan lære os det.’

At gøre anti-aging teknologi til virkelighed

På dette tidlige stadie er det svært virkelig at forstå de potentielle anvendelser af xenobots. 'Alt, hvad vi kan gøre, er at overveje de fordele, denne teknologi har over traditionelle robotter,' siger Bongard, 'hvilket er, at de er små, bionedbrydelige og trives i vand.' Mens det måske gør dem velegnede til landbrug, produktion af kultiveret kød eller billig vandafsaltning, er der ingen tvivl om, at anti-aging teknologi vil være et af de vigtigste områder for fremtidig forskning. Udsigten til at forvise aldersrelaterede sygdomme til historiebøgerne vil helt sikkert være fristende nok for ethvert forskerteam, før man overhovedet tænker på de økonomiske belønninger."

Regenerativ medicin er måske ikke lige om hjørnet endnu, men med fremkomsten af selvreplikerende xenobots har vi bestemt taget et stort skridt i den retning. Med muligheden for, at vores egne celler kan omprogrammeres til at bekæmpe aldringens kendetegn, vil vi ikke kun leve længere, men vi vil også kunne nyde det mere – du kunne forblive fit og sund langt ind i dine trehundrede år. Så du bør måske tage Pac-Man lidt mere seriøst næste gang du spiller det, for dets fætter, xenoboten, kunne bringe livets eliksir til dig i den ikke alt for fjerne fremtid.

Referencer:

1. R. D. Kamm et al., Perspektiv: Løftet om multi-cellulære konstruerede levende systemer. APL Bioeng. 2, 040901 (2018).

2. D. Blackiston et al., En cellulær platform til udvikling af syntetiske levende maskiner. Sci. Robot. 6, eabf1571 (2021).

3. J. Losner, K. Courtemanche, J. L. Whited, En tværartsanalyse af systemiske mediatorer for reparation og kompleks vævsregenerering. NPJ Regen. Med. 6, 21 (2021).

4. S. Kriegman, D. Blackiston, M. Levin, J. Bongard, en skalerbar pipeline til design af rekonfigurerbare organismer. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 117, 1853–1859 (2020).

5. V. Zykov, E. Mytilinaios, B. Adams, H. Lipson, Robotics: Selv-reproducerende maskiner. Nature 435, 163–164 (2005).

6. Z. Qu et al., Mod højtydende mikroskala-batterier: Konfigurationer og optimering af elektrodematerialer ved hjælp af in-situ analytiske platforme. Energy Storage Mater. 29, 17–41 (2020).

7. Q. Wu et al., Organ-on-a-chip: Nylige gennembrud og fremtidige udsigter. Biomed. Eng. Online 19, 9 (2020).

8. E. Garreta et al., Rethinking organoid technology through bioengineering. Nat. Mater. 20, 145–155 (2021).

9. Y. Han et al., Mesenchymale stamceller til regenerativ medicin. Cells 8, 886 (2019).

10. S. F. Gilbert, S. Sarkar, Omfavne kompleksitet: Organisme for det 21. århundrede. Dev. Dyn. 219, 1–9 (2000).

11. G. S. Hussey, J. L. Dziki, S. F. Badylak, Ekstracellulære matrix-baserede materialer til regenerativ medicin. Nat. Rev. Mater. 3, 159–173 (2018).