Organizmy żywe jak Pac-Man. Ksenoboty mogą się same rozmnażać

Każdy organizm żywy musi się rozmnażać, by przetrwać. Nie ma innej możliwości przekazania swoich genów kolejnym pokoleniom. Naukowcy z University of Vermont, Tufts University i Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering z Harvard University odkryli zupełnie nową formę biologicznej reprodukcji i zastosowali ją do stworzenia pierwszych w historii samoreplikujących żywych robotów.

Ten sam zespół naukowców zbudował w 2020 r. pierwsze ksenoboty oparte na komórkach żab. Nowe badania wykazały, że te "organizmy" mogą wydostać się z naczynia hodowlanego, złączyć z innymi podobnymi komórkami i wytworzyć "organizm potomny", wyglądający i poruszający się tak samo jak one. Nowe ksenoboty mogą powtórzyć ten proces, co oznacza, że zyskały zdolność do spontanicznej samoreplikacji. Przełomowe wyniki badań opublikowano 29 listopada w "Proceedings of the National Academy of Sciences".

Komórki embrionalne będące podstawą ksenobotów u żab z gatunku Xenopus laevis rozwinęłyby się w komórki skóry. 

- Zorganizowałyby się na zewnątrz kijanki, chroniąc ją przed patogenami i rozprowadzając śluz. Ale my umieściliśmy je w nowym kontekście. Dajemy im szansę na nowo wyobrazić sobie wielokomórkowość - powiedział prof. Michael Levin, dyrektor Allen Discovery Center na Uniwersytecie Tufts oraz współautor nowych badań.

Nowe odkrycie jest zaskakujące, bo wydawało się, że udało się nam rozpracować wszystkie możliwe sposoby, na jakie życie może się powielać. Zjawisko obserwowane z udziałem ksenobotów jest czymś zupełnie nowym. 

- To naprawdę niezwykłe. Te komórki mają genom żaby, ale, uwolnione od konieczności stania się kijankami, używają swojej zbiorowej inteligencji, plastyczności, aby zrobić coś zdumiewającego - dodał prof. Levin.

Wcześniejsze badania wykazały, że ksenoboty można wykorzystać do prostych zadań. Nikt nie przypuszczał, że będą one w stanie samodzielnie się replikować. 

- To są żabie komórki replikujące się w sposób, który bardzo różni się od tego, jak robią to żaby. Żadne znane nauce zwierzę ani roślina nie replikuje się w ten sposób - wyjaśnił dr Sam Kriegman z Harvard University, główny autor nowego badania.

Pojedynczy ksenobot, złożony z ok. 3000 komórek, tworzy kulę. Mogą tworzyć organizmy potomne, ale zaraz potem umierają. Sztuczna inteligencja z klastra Deep Gren w Vermont Advanced Computing Core dokonała symulacji miliardów kształtów ciał - trójkątów, kwadratów, piramid i rozgwiazd - umożliwiających komórkom sukces replikacyjny oparty na ruchu kinematycznym.

- Poprosiliśmy superkomputer w UVM, by wymyślił, jak dostosować kształt początkowych rodziców, a AI po miesiącach pracy wymyśliła kilka dziwnych wzorów, w tym jeden przypominający Pac-Mana. To bardzo nieintuicyjne. Wygląda bardzo prosto, ale to nie jest coś, co wymyśliłby ludzki inżynier. Dlaczego jedna mała paszcza? Dlaczego nie pięć? Wysłaliśmy wyniki do innych naukowców, a oni zbudowali rodzica ksenobota w kształcie Pac-Mana. Następnie ci rodzice zbudowali dzieci, które zbudowały wnuki, które zbudowały prawnuki, które zbudowały praprawnuki. Innymi słowy, właściwy projekt znacznie rozszerzył liczbę pokoleń - dodał dr Kriegman.

Replikacja kinematyczna jest znana z poziomu cząsteczkowego, ale nigdy nie zaobserwowano jej w skali całych komórek czy organizmów. Nowe badania mogą otworzyć drzwi do kolejnych, bardziej zaawansowanych eksperymentów.

Naukowcy mają nadzieję, że nowe ksenoboty umożliwią postęp w medycynie, np. przy projektowaniu nowych szczepionek przeciwko SARS-CoV-2. Jest także duży potencjał w medycynie regeneracyjnej, choć na razie trzeba zachować powściągliwość.

- Gdybyśmy wiedzieli, jak powiedzieć zbiorom komórek, żeby robiły to, co chcemy, to w końcu byłaby to medycyna regeneracyjna - rozwiązanie problemu urazów, wad wrodzonych, raka i starzenia się. Wszystkie te problemy wynikają z tego, że nie wiemy, jak przewidzieć i kontrolować, jakie grupy komórek będą budować. Ksenoboty są nową platformą do nauki - podsumował prof. Levin.