CZY TO JUŻ ROZMNAŻANIE?
Naukowcy stworzyli pierwsze xenoboty w 2020 r. Tradycyjnie mają nadzieję, że uda się je zastosować m.in. w medycynie. Badanie współfinansuje DARPA, amerykańska agencja rozwijająca technologie wojskowe.
Xenoboty to biologiczne roboty stworzone przez naukowców z komórek macierzystych pozyskanych z embrionu afrykańskiej żaby szponiastej (Xenopus
laevis). To właśnie temu płazowi zawdzięczają swoją nazwę.
Pierwsza generacja xenobotów powstała w 2020 r., kiedy naukowcy sprowokowali żabie komórki macierzyste do przekształcenia się w komórki skóry oraz mięśnia sercowego. Te drugie były potrzebne, aby powstałe struktury mogły się poruszać. W eksperymentach pomagał superkomputer, który pozwolił opracować instrukcję uformowania syntetycznej formy życia.
Dzięki nagromadzonej w swoich strukturach energii xenoboty
1.0 mogły się poruszać przez blisko tydzień. Potrafiły też zasklepiać rany (te zadawane im przez ich stwórców), jednak nie miały zdolności do samopowielania.
W kwietniu ten sam zespół naukowców opublikował kolejną publikację dotyczącą xenobotów. Materiałem startowym znowu były komórki macierzyste zarodków żab szponiastych. Tym razem opracowano jednak warunki umożliwiające komórkom utworzenie niewielkich grudek.
Następnie powstałe struktury wytworzyły włosowate rzęski, które stały się ich aparatem ruchu. Tak narodziły się xenoboty 2.0.
Różnicowanie komórek w mięśniowe przestało być konieczne, a nowa procedura była szybsza i oferowała lepsze szanse na rozwój technologii.
XENOBOTY 3.0
Teraz ci sami specjaliści z Uniwersytetu Tufts, Harvardu oraz Uniwersytetu Vermontu dokonali kolejnego przełomu. W swojej najnowszej pracy opublikowanej w prestiżowym tygodniku „PNAS” wykazali, że xenoboty mają zdolność do powielania swojej struktury.
Xenoboty powstawały samoistnie z rozproszonych komórek macierzystych, gdy w tym samym środowisku znajdowały się biologiczne roboty opracowane przez naukowców. Komórki macierzyste nie potrzebowały do tego żadnych dodatkowych instrukcji. Po prostu powieliły obecną w środowisku (na szalce) formę.
Podobnie jak w poprzednich eksperymentach materiałem początkowym były embriony żaby szponiastej, z których pobrano fragmenty zawierające komórki macierzyste. Najpierw wyhodowano z nich wyposażone w rzęski xenoboty 2.0. Potem poprowadzono hodowlę kolejnych komórek macierzystych w innych warunkach, dzięki czemu otrzymano fragment tkanki zawierający dwa rodzaje komórek.
Za pomocą kleszczy chirurgicznych uczeni oddzielili zewnętrzną warstwę komórek od leżących pod nią komórek macierzystych.
Warstwę komórek macierzystych następnie mechanicznie rozdrobnili na rozproszoną mieszaninę zwierającą niepołączone komórki.
W kolejnym kroku naukowcy połączyli mieszaninę rozproszonych komórek z większymi grudkami posiadającymi aparat ruchu, czyli xenobotami 2.0.
Jak się okazało, ruch rzęsek powodował, że rozproszone komórki macierzyste zaczęły się gromadzić w coraz większe skupiska. Jeśli takie struktury przekroczyły 50 komórek, zaczynały samoistnie formować takie same xenoboty jak te wytworzone wcześniej przez naukowców.
Wtórne pokolenie takich grudek również mogło się poruszać. Jeśli do mieszaniny zawierającej kolejne pokolenie xenobotów ponownie dostarczono porcję rozproszonych komórek macierzystych, cały cykl się powtarzał. Powstawało więc kolejne pokolenie xenobotów.
Proces był możliwy tylko w jednoczesnej obecności zarówno xenobotów 2.0, jak i rozproszonych komórek macierzystych. Uczonym udało się uzyskać dwa pokolenia samoistnie wytworzonych xenobotów 3.0, które wyglądały i poruszały się jak te pierwotne, po czym proces się zatrzymał.
Z pomocą sztucznej inteligencji badacze przetestowali miliardy kształtów xenobotów, aby struktury były najbardziej efektywne w samopowielaniu. Superkomputer wymyślił kształt litery C, przypominający Pac-Mana, postać ze słynnej gry wideo z lat 80.
Autorzy publikacji podkreślają, że aby eksperyment mógł się powieść, ważny był każdy szczegół procedury laboratoryjnej. Istotna była odpowiednia temperatura, stężenie komórek, liczba dostarczonych do układu xenobotów, a nawet lepkość roztworu i kształt naczynia hodowlanego.
PO CO TO WSZYSTKO?
Życie wymaga równoczesnego posiadania wielu zdolności, dzięki którym organizmy mogą trwać i ewoluować. Jednym z nich jest zdolność do powielania się. Może to być pączkowanie, fragmentacja, tworzenie zarodników, rozmnażanie wegetatywne, płciowe czy partenogeneza. Będące na styku materii nieżywionej i ożywionej wirusy mogą się powielać tylko poprzez wykorzystanie innego organizmu.
Czy xenoboty 3.0 potrafią się rozmnażać? Nie.
Obserwacje naukowców nie potwierdzają, że syntetyczne roboty biologiczne mają tę umiejętność. Przedstawiona forma samopowielania nie polega przecież na wzroście organizmu, ale jedynie na przemianie osobnych komórek w bardziej zorganizowaną strukturę. Podobne procesy zachodzą na poziomie komórkowym podczas tworzenia się białek zbudowanych z mniejszych cegiełek, czyli aminokwasów.
Te odkrycia rzucają jednak nowe światło na procesy związane z samym powstaniem życia. Być może pomogą zrozumieć, w jaki sposób komórki współpracują w budowaniu złożonych organizmów podczas embriogenezy.
To jednak nie wszystko. Xenoboty składają się z żywych komórek, które po śmierci ulegną całkowitej biodegradacji – odwrotnie do dzisiejszej technosfery nie zanieczyszczą więc środowiska.
Xenoboty pomagają też gromadzić pojedyncze komórki w większe skupiska. Naukowcy rozważają, czy mogłyby podobnie wpływać na cząsteczki mikroplastiku. Większe odpady byłoby nam zdecydowanie łatwiej usunąć ze środowiska.
Można też sobie wyobrazić tworzenie biologicznych robotów z komórek indywidualnej osoby. Takie twory byłyby niewidoczne dla naszego układu immunologicznego. Moglibyśmy użyć ich do rozbijania blaszek miażdżycowych w tętnicach, dostarczania leków, lokalizowania nieprawidłowości w organizmie oraz w medycynie regeneracyjnej.
Można też sobie wyobrazić inne zastosowania xenobotów, bo badania nad nimi współfinansuje DARPA.
●
Z pomocą sztucznej inteligencji badacze przetestowali miliardy kształtów xenobotów, aby struktury były najbardziej efektywne w samopowielaniu