AI-designede ‘levende roboter’ gir et potensielt nytt grunnlag for regenerativ medisin

Hvis reproduksjon er kjennetegnet på liv, kan verdens første 'levende roboter' nettopp ha trådt ut av en petriskål i Burlington, Vermont. Riktignok kan 'trådt ut' være en overdrivelse, (de AI-designede 'xenobotene' rullet rundt uceremonielt i skålen i stedet) men de klarte å oppnå noe ganske bemerkelsesverdig i prosessen. De små Pac-Man-formede skapningene samlet opp froskestamceller fra løsningen de svømte i og bygde kopier av seg selv – og størrelsen av det kan ikke overdrives.

Teamet ansvarlig for utviklingen – fra University of Vermont, Tufts University og Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering ved Harvard University – bygde videre på forskning de avduket i fjor da de skapte de aller første robotene konstruert helt av levende celler (cellene som ble brukt ble tatt fra froskeembryoer). Selv om disse første robotene var rent organiske i strukturen, ble de ikke ansett som levende organismer da de ikke hadde evnen til å selvreplikere – en av de mest grunnleggende egenskapene til en levende skapning.

Alt dette endret seg i år.

Nye livsformer

I et forsøk på å gi liv til sine xenoboter, engasjerte Sam Kriegman, Ph.D., medleder av teamet, AI-en ved University of Vermont og ba den designe en xenobot-foreldrestruktur. 'AI-en kom opp med noen merkelige design etter måneder med arbeid,' sier Kriegman, 'inkludert et som lignet på Pac-Man. Det er veldig ikke-intuitivt. Det ser veldig enkelt ut, men det er ikke noe en menneskelig ingeniør ville ha kommet opp med. Hvorfor én liten munn? Hvorfor ikke fem?'

Til tross for spørsmål om AI-ens foreslåtte design, ble disse resultatene likevel brukt til å bygge en forelder-xenobot. Denne forelderen klarte å bygge barn og fortsatte med å bygge barnebarn. Skremmende saker – ikke bare at vi har skapt en selvreplikerende robot, men at en annen vi bygde (en AI) designet den for oss. 'Folk har tenkt i ganske lang tid at vi har funnet ut alle måtene livet kan reprodusere eller replikere på,' sier Douglas Blackiston, Ph.D., som satte sammen xenobot-foreldrene, 'men dette er noe som aldri har blitt observert før.'

Nå kan tanken på menneskeskapte, selvreplikerende skapninger få det til å gå kaldt nedover ryggen på noen, men vi trenger ikke å bekymre oss for Pac-Man-lignende inntrengere som tar kontroll over planeten riktig ennå. Selvreplikasjonssystemet brukt av xenobotene er ikke fullt utviklet, og prosessen dør ut etter noen få generasjoner. Likevel er implikasjonene av dette bioteknologiske fremskrittet enormt dyptgripende, spesielt når det gjelder medisin.

Xenoboter og regenerativ medisin 

Regenerativ medisin er et begrep som dekker behandlinger som retter seg mot skadede vev, med hovedfokus på selektiv celleutskifting og reparasjon. Med sitt hovedformål å være foryngelse, blir det ofte sett på som anti-aldringsmedisin. Imidlertid er det som holder oss tilbake fra å utvikle det effektivt, vår manglende evne til nøyaktig å fortelle cellene hva vi vil at de skal gjøre.

Arbeidet som gjøres ved University of Vermont har nettopp brakt oss mye nærmere.

De embryonale froskecellene som xenobotene samlet, ville normalt ha utviklet seg til froskehud, men i hendene på Vermont-teamet ble cellene omdisponert. «Vi setter dem inn i en ny kontekst,» sier Michael Levin, Ph.D., medleder av forskningen. «Vi gir dem en sjanse til å gjenoppfinne sin multikellularitet.»

Selv om cellene hadde genomet til en frosk, var de frigjort fra enhver forhåndsbestemt biologisk vei og kunne bruke sin kollektive genetiske intelligens til å oppnå noe helt annet. 'Vi jobber med å forstå denne egenskapen,' sier Bongard. 'Det er viktig, for samfunnet som helhet, at vi studerer og forstår hvordan dette fungerer.'

Ja, faktisk. Når vi kombinerer vår økende forståelse av cellestruktur med en AI sin evne til å skape biologiske verktøy på bestilling, kan vi snart ha langt mer kontroll over våre egne celler enn vi noen gang har hatt før – forskningen som gjøres av Vermont-teamet gir oss muligheten til å bekjempe de skadelige effektene av cellulær aldring og øke menneskelig levetid.

«Hvis vi visste hvordan vi skulle få samlinger av celler til å gjøre det vi ønsket at de skulle gjøre, er det i bunn og grunn regenerativ medisin,» sier Levin. «Det er løsningen på traumatiske skader, fødselsdefekter, kreft og aldring. Alle disse forskjellige problemene eksisterer fordi vi ikke vet hvordan vi skal forutsi og kontrollere hva grupper av celler kommer til å bygge. Xenoboter er en ny plattform for å lære oss dette.»

Gjøre anti-aldringsteknologi til virkelighet

På dette tidlige stadiet er det vanskelig å virkelig forstå de potensielle anvendelsene av xenoboter. 'Alt vi kan gjøre er å vurdere fordelene denne teknologien har over tradisjonelle roboter,' sier Bongard, 'som er at de er små, biologisk nedbrytbare, og trives i vann.' Selv om det kan gjøre dem gode for jordbruk, produksjon av kultivert kjøtt, eller lavkostnads avsalting av vann, er det liten tvil om at anti-aldringsteknologi vil være et av de viktigste forskningsområdene i fremtiden. Utsiktene til å forvise aldersrelaterte sykdommer til historiebøkene er sikkert fristende nok for ethvert forskningsteam før man i det hele tatt tenker på de økonomiske belønningene."

Regenerativ medisin er kanskje ikke rett rundt hjørnet ennå, men med fremveksten av selvreplikerende xenoboter har vi definitivt tatt et stort skritt mot det. Med muligheten for at våre egne celler kan omprogrammeres for å bekjempe aldringens kjennetegn, vil vi ikke bare leve lenger, men vi vil også kunne nyte det mer – du kan holde deg i form og frisk langt inn i trehundreårene. Så du bør kanskje ta Pac-Man litt mer seriøst neste gang du spiller det, fordi dens slektning, xenoboten, kan bringe livets eliksir til deg i en ikke altfor fjern fremtid.

Referanser:

1. R. D. Kamm et al., Perspektiv: Løftet om flercellede konstruerte levende systemer. APL Bioeng. 2, 040901 (2018).

2. D. Blackiston et al., En cellulær plattform for utvikling av syntetiske levende maskiner. Sci. Robot. 6, eabf1571 (2021).

3. J. Losner, K. Courtemanche, J. L. Whited, En tverrartsanalyse av systemiske mediatorer for reparasjon og kompleks vevsregenerering. NPJ Regen. Med. 6, 21 (2021).

4. S. Kriegman, D. Blackiston, M. Levin, J. Bongard, en skalerbar prosess for å designe rekonfigurerbare organismer. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 117, 1853–1859 (2020).

5. V. Zykov, E. Mytilinaios, B. Adams, H. Lipson, Robotics: Self-reproducing machines. Nature 435, 163–164 (2005).

6. Z. Qu et al., Mot høyytelses mikroskala batterier: Konfigurasjoner og optimalisering av elektrode materialer ved hjelp av in-situ analytiske plattformer. Energy Storage Mater. 29, 17–41 (2020).

7. Q. Wu et al., Organ-on-a-chip: Nylige gjennombrudd og fremtidige utsikter. 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 for regenerativ medisin. Cells 8, 886 (2019).

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

11. G. S. Hussey, J. L. Dziki, S. F. Badylak, Ekstracellulære matriksbaserte materialer for regenerativ medisin. Nat. Rev. Mater. 3, 159–173 (2018).