AI-designade "levande robotar" ger en potentiell ny grund för regenerativ medicin

Om reproduktion är livets kännetecken, kan världens första "levande robotar" precis ha klev ut ur en petriskål i Burlington, Vermont. Visserligen kan "trappade ut" vara att överdriva det, (de AI-designade "xenobots" rullade omkring utan ceremonier i maträtten istället) men de lyckades åstadkomma något ganska anmärkningsvärt i processen. De små Pac-Man-formade varelserna samlade upp grodstamceller från lösningen där de simmade och byggde kopior av sig själva - och omfattningen av det kan inte överskattas.

Teamet som ansvarade för utvecklingen – från University of Vermont, Tufts University och Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering vid Harvard University – byggde på forskning som de avslöjade förra året när de skapade de första robotarna någonsin konstruerade helt av levande celler ( cellerna som används tas från grodembryon). Även om dessa initiala robotar var rent organiska till sin struktur, betraktades de inte som levande organismer eftersom de inte hade någon förmåga att replikera sig själv - en av de mest grundläggande egenskaperna hos en levande varelse.

Allt förändrades i år.

Nya livsformer

I ett försök att väcka liv till sina xenobots, engagerade Sam Kriegman, Ph.D., medledare för teamet, AI vid University of Vermont och bad den att designa en xenobot-moderstruktur. "AI:n kom på några konstiga konstruktioner efter månader av chugging", säger Kriegman, "inklusive en som liknade Pac-Man. Det är väldigt icke-intuitivt. Det ser väldigt enkelt ut, men det är inget en ingenjör skulle komma på. Varför en liten mun? Varför inte fem?

Trots frågor om AI:s föreslagna design, användes dessa resultat ändå för att bygga en förälder xenobot. Denna förälder lyckades bygga barn och fortsatte med att bygga barnbarn. Skrämmande grejer – inte bara att vi har skapat en självreplikerande robot, utan att en annan vi byggt (en AI) designade den åt oss. "Folk har länge trott att vi har utarbetat alla sätt som livet kan reproducera eller replikera", säger Douglas Blackiston, Ph.D., som samlade xenobot-föräldrarna, "men det här är något som aldrig har observerats innan.'

Nu kan idén om konstgjorda, självreplikerande varelser skicka rysningar nerför vissa människors ryggar, men vi behöver inte oroa oss för att Pac-Man-liknande inkräktare ska ta kontroll över planeten ännu. Självreplikeringssystemet som används av xenobots är inte fullt realiserat, och processen dör ut efter några generationer. Inte desto mindre är konsekvenserna av detta biotekniska framsteg enormt djupgående, särskilt när det kommer till medicin.

Xenobots och regenerativ medicin 

Regenerativ medicin är en term som täcker behandlingar som är inriktade på skadade vävnader, som till stor del koncentrerar sig på selektiv cellersättning och reparation. Med huvudsyftet att vara föryngring, är det ofta tänkt som anti-aging medicin. Men det som hindrar oss från att utveckla det effektivt är vår oförmåga att exakt tala om för cellerna vad vi vill att de ska göra.

Arbetet som görs vid University of Vermont tog oss bara mycket närmare.

De embryonala grodcellerna som xenobotarna samlade in skulle normalt ha utvecklats till grodskinn, men i händerna på Vermont-teamet omprövas cellerna. "Vi sätter in dem i ett nytt sammanhang", säger Michael Levin, Ph.D., medledare för forskningen. "Vi ger dem en chans att ombilda sin multicellularitet."

Även om cellerna hade genomet av en groda, var de befriade från vilken som helst förutbestämd biologisk väg och kunde använda sin kollektiva genetiska intelligens för att uppnå något helt annat. "Vi jobbar på att förstå den här fastigheten", säger Bongard. "Det är viktigt för samhället som helhet att vi studerar och förstår hur det här fungerar."

Verkligen. När du kopplar vår ökande förståelse av cellstruktur med förmågan hos en AI att skapa biologiska verktyg på beställning, kan vi snart ha mycket mer kontroll över våra egna celler än vi någonsin har haft tidigare – forskningen som görs av Vermont-teamet som beviljar oss förmågan att bekämpa cellulärt åldrandes härjningar och öka människans livslängd.

"Om vi ​​visste hur vi skulle säga till samlingar av celler att göra det vi ville att de skulle göra, så är det i slutändan regenerativ medicin", säger Levin. "Det är lösningen på traumatiska skador, fosterskador, cancer och åldrande. Alla dessa olika problem är här eftersom vi inte vet hur vi ska förutsäga och kontrollera vilka grupper av celler som kommer att bygga. Xenobots är en ny plattform för att lära oss.'

Att göra anti-aging-teknik till verklighet

I detta tidiga skede är det svårt att verkligen förstå de potentiella tillämpningarna av xenobots. "Allt vi kan göra är att överväga fördelarna med den här tekniken jämfört med traditionella robotar", säger Bongard, "vilket är att de är små, biologiskt nedbrytbara och glada i vatten, även om det kan göra dem bra för jordbruk, odlad köttproduktion, eller." lågkostnadsavsaltning av vatten är det ingen tvekan om att anti-aging-teknik kommer att vara ett av huvudområdena för framtida forskning. Utsikten att förvisa åldersrelaterade sjukdomar till historieböckerna kommer säkert att vara frestande nog för alla forskarlag innan du ens tänker på de ekonomiska belöningarna.

Regenerativ medicin kanske inte är vid horisonten ännu, men med tillkomsten av självreplikerande xenobots har vi verkligen tagit ett stort steg mot det. Med möjligheten att våra egna celler kan omprövas för att bekämpa åldrandets kännetecken, kommer vi inte bara att leva längre, utan vi kommer att kunna njuta av det mer – du kan hålla dig i form och ganska långt upp i dina tre hundra. Så du kanske vill ta Pac-Man lite mer seriöst nästa gång du spelar den eftersom dess kusin, xenoboten, kan ge dig livets elixir inom en inte alltför avlägsen framtid.

Referenser:

1. R. D. Kamm et al., Perspektiv: Löftet om flercellskonstruerade levande system. APL Bioeng. 2, 040901 (2018).

2. D. Blackiston et al., En cellulär plattform för utveckling av syntetiska levande maskiner. Sci. Robot. 6, eabf1571 (2021).

3. J. Losner, K. Courtemanche, J. L. Whited, A cross-species analysis of systemic mediators of repair and complex tissue regeneration. NPJ Regen. Med. 6, 21 (2021).

4. S. Kriegman, D. Blackiston, M. Levin, J. Bongard, En skalbar pipeline för att designa omkonfigurerbara organismer. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 117, 1853–1859 (2020).

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

6. Z. Qu et al., Mot högpresterande mikroskalabatterier: Konfigurationer och optimering av elektrodmaterial genom in-situ analytiska plattformar. Energilagring Mater. 29, 17–41 (2020).

7. Q. Wu et al., Organ-on-a-chip: Senaste genombrott och framtidsutsikter. 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., Mesenkymala stamceller för regenerativ medicin. Cells 8, 886 (2019).

10. S. F. Gilbert, S. Sarkar, Embracing complexity: Organicism for the 21st century. Dev. Dyn. 219, 1–9 (2000).

11. G. S. Hussey, J. L. Dziki, S. F. Badylak, Extracellulära matrisbaserade material för regenerativ medicin. Nat. Rev Mater. 3, 159–173 (2018).