通过将活细胞从青蛙组装成完全新的生命形式来创造的第一个生活机器人

细胞被操纵和组装。

一本书是用木头制成的。但这不是一棵树。死细胞已被重新批准以服务于另一种需求。

现在，一支科学家团队已经重新灌注了从青蛙胚胎刮掉的生物细胞 - 并将它们组装成完全新的生命形式。这些毫米宽的“Xenobots”可以向目标移动，也许拿起有效载荷（如需要被带到患者内部的特定位置的药物） - 在被切割后愈合。

“这些是新颖的生活机器，”佛蒙特大学的计算机科学家和机器人专家Joshua Bongard说，他们共同领导了新的研究。“他们既不是传统的机器人，也不是已知的动物。这是一类新的神器：生活，可编程的生物。“

新的生物是在UVM的超级计算机上设计的，然后由塔夫茨大学的生物学家组装和测试。“我们可以想象许多这些生活机器人的许多有用的应用，即其他机器不能做到的，”联合领导者迈克尔·莱文（Cufts）指示了簇绒的再生和发育生物学中心，“众所周知的化合物或放射性污染，收集微塑料在海洋中，在动脉中旅行以刮掉牌匾。“

新研究的结果于2020年1月13日公布，在国家科学院的诉讼程序中。

佛蒙特大学的科学家团队和塔夫茨大学设计了UVM超级计算机上的生活机器人。然后，在塔夫茨，他们重新饰有活泼的青蛙细胞 - 并将它们组成完全新的生命形式。这些微小的“Xenobots”可以自己移动，圈出目标并在被切割后愈合。这些新颖的生活机器既不是传统机器人，也不是已知的动物。他们是一类新的神器：生活，可编程的生物。有一天，他们可以用于各种各样的任务，因为搜索放射性污染，在海洋中收集微塑料，或者在人类动脉中刮掉斑块。

定制生活系统

由于至少在农业的曙光，遗传编辑变得普及，人们一直在操纵人类利益的生物，并且在过去几年中手动组装了一些人造生物 - 复制了已知动物的身体形式。

但是这项研究是，首次“设计完全从地上设计的生物机，”团队在新的研究中写道。

在UVM佛蒙特州高级计算核心的深绿色超级计算机集群上有几个月的处理时间，团队 - 包括领先作者和博士生Sam Kriegman - 使用了一种进化算法来为新的生命形式创建数千名候选设计。试图在一个方向上实现由科学家般的机器人分配的任务 - 计算机将一遍又一遍地将几百个模拟细胞重新组装成无数的形式和身体形状。由于程序通过关于单嘴唇皮肤和心脏细胞的生物物理学的基本规则来驱动的是，越来越成功的模拟生物被保存并精制，而设计失败的设计被抛出。经过一百个独立运行算法，选择最有前途的设计进行测试。

然后在塔夫茨的团队，由Levin领导，并通过Microsurgeon Douglas Blickiston-Tenered The Silico设计的关键工作。首先，他们收集了干细胞，从非洲青蛙的胚胎收获，该物种Xenopus Laevis。（因此名称“Xenobots”。）将它们分成单细胞并留下孵育。然后，使用微小钳和甚至细胞电极，将细胞切割并在显微镜下连接到计算机指定的设计的近似近似。

在硅设计中使用硅设计进行操纵和组装细胞的延时记录，以创建叫做Xenobots的体内活力机器。这些新颖的生活机器人是由塔夫茨大学和佛蒙特大学的团队创造的。

组装成身体形式从未见过本质上，细胞开始一起工作。皮肤细胞形成了更加无源的架构，而心肌细胞的一次随机收缩被投入工作创建有序的前进运动，以通过计算机的设计引导，并通过自发的自组织模式进行帮助，允许机器人在其上移动自己的。

这些可重构的生物被证明能够以相干的方式移动 - 并探索其胚胎能量储存的天或周的水汪汪的环境。然而，他们失败了，就像甲虫翻转在背上一样。

后来的测试表明，Xenobots组将在圆圈中移动，将颗粒推入中央位置 - 自发地和集体。其他人是通过中心的洞构建，以减少阻力。在这些模拟版本中，科学家们能够将这个洞作为袋子重新阻塞，以成功地携带物体。“迈向智能药物交付使用计算机设计的有机体是一步的措施，”UVM计算机科学与复杂系统中心部教授Bongard说。

生活技术

许多技术由钢，混凝土或塑料制成。这可以使它们强壮或灵活。但他们还可以创造生态和人类健康问题，如海洋中塑料污染的营养污染，以及许多合成材料和电子的毒性。“生活组织的缺点是它弱，而且降解了，”布隆德说。“这就是我们使用钢铁的原因。但有机体在再生自己并在几十年来上进行了45亿多年的做法。“当他们停止工作死亡时 - 他们通常会瓦解崩溃。“这些Xenobots是完全生物降解的，”Bongard说，“当他们在七天后完成工作时，他们只是死了皮肤细胞。”

Robotics专家Joshua Bongard，佛蒙特大学计算机科学家，联合主导的新研究导致了一类新的神器：一个名为Xenobot的生活，可编程的生物体。

您的笔记本电脑是一种强大的技术。但请尝试将其切成两半。不好工作。在新的实验中，科学家们削减了Xenobots并观看了发生的事情。“我们几乎将机器人切成一半，它缝合自身抬起并继续前进，”邦德说。“这是你不能用典型机器做的事情。”

破解代码

莱文和邦德都说过他们一直在学习细胞沟通和连接如何深入计算科学以及我们对生活的理解。“生物学中的大问题是了解确定形式和功能的算法，”莱文说。“基因组编码蛋白质，但转型性应用等待我们发现硬件如何使细胞能够在非常不同的条件下进行功能解剖。”

为了使有机体发展和功能，一直存在很多信息共享和合作 - 有机计算 - 所有时间，而不仅仅是神经元。这些紧急和几何特性由生物电，生物化学和生物力学过程形状，“在DNA指定的硬件上运行，”莱文说，“这些过程是可重新配置的，实现新的生活形式。”

科学家们认为，在新的PNAS研究中提出的工作 - “用于设计可重新配置生物的可扩展管道” - 作为对生物学和计算机科学的对该生物电码的见解的一步。“实际上决定了细胞配合的解剖学？”莱文询问。“你看看我们一直在建造我们的Xenobots的细胞，并统一地，他们是青蛙。它是100％青蛙DNA - 但这些不是青蛙。然后你问，嗯，这些细胞还有什么能够建设？“

“正如我们所展示的那样，这些青蛙细胞可以哄骗制作有趣的生活形式，与他们的违约解剖学是完全不同的，”莱文说。他和其他科学家们在uvm和塔夫茨团队中的终身学习机组和国家科学基金会的支持 - 相信建立Xenobots是一个小步朝着他所谓的“形态发生代码”来解决方面的一步在整体方式组织 - 组织 - 以及它们如何根据其历史和环境计算和存储信息。

未来的冲击

许多人担心快速技术变革和复杂的生物操纵的影响。“那恐惧并不是不合理的，”莱文说。“当我们开始与我们不明白的复杂系统乱画时，我们将会产生意外后果。”很多复杂的系统，就像蚁群一样，从一个简单的单位开始 - 一个蚂蚁 - 无法预测他们的殖民地的形状，或者它们如何用它们的相互连接的身体在水中构建桥梁。

“如果人类将进入未来，我们需要更好地了解复杂的属性，不知何故，从简单的规则中出现，”莱文说。大部分科学专注于“控制低级规则”。我们还需要了解高级规则，“他说。“如果你想要一个带有两个烟囱而不是一个蚁丘，你如何修改蚂蚁？我们不知道。“

“我认为这对社会的绝对必要性是在莱文说的那些对结果非常复杂的系统上进行更好的处理。”“做这件事的第一步是探索：生活系统如何决定整体行为应该是什么以及我们如何操纵碎片以获得我们想要的行为？”

换句话说，“这项研究是对人们害怕的事情的直接贡献，这是意外的后果，”无论是在自动驾驶汽车的快速到来，改变基因驱动器擦掉整个谱系病毒，或者许多其他复杂和自主系统，越来越塑造人类体验。

“生活中的所有天生的创造力，”UVM的Josh Bongard说。“我们希望更深刻地了解，我们如何指导和推动它的新形式。”

参考：Sam Kriegman，Douglas Blackiston，Michael Levin和Josh Bongard，13月2020年1月13日，192020年1月13日，国家科学院的诉讼程序。
10.1073 / pnas.1910837117