一本書(shū)是用木頭做的。但這不是一棵樹(shù)。死細(xì)胞已重新用于其他需求。

現(xiàn)在，一組科學(xué)家重新利用了從青蛙胚胎中提取的活細(xì)胞，并將它們組裝成全新的生命形式。這些毫米級(jí)的“異種機(jī)器人”可以朝目標(biāo)移動(dòng)，也許會(huì)撿起有效載荷(例如需要運(yùn)送到患者體內(nèi)特定位置的藥物)，并在切割后自行治愈。

佛蒙特大學(xué)的計(jì)算機(jī)科學(xué)家和機(jī)器人專(zhuān)家Joshua Bongard說(shuō)：“這些都是新穎的生活機(jī)器。”“它們既不是傳統(tǒng)的機(jī)器人，也不是已知的動(dòng)物物種。它是一類(lèi)新的人工制品：一種活的可編程生物。”

這些新生物是在UVM的超級(jí)計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)的，然后由塔夫茨大學(xué)的生物學(xué)家組裝和測(cè)試。塔夫茨大學(xué)再生與發(fā)育生物學(xué)中心的負(fù)責(zé)人邁克爾·萊文說(shuō)：“我們可以想象這些活人機(jī)器人在許多有用的應(yīng)用中是其他機(jī)器無(wú)法做到的，就像尋找令人討厭的化合物或放射性污染，收集微塑料一樣。”在海洋中，在動(dòng)脈中刮擦斑塊。”

這項(xiàng)新研究的結(jié)果于1月13日在美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊上發(fā)表。

定制生活系統(tǒng)

至少?gòu)霓r(nóng)業(yè)的曙光開(kāi)始，人們就一直在為人類(lèi)的利益而操縱生物，遺傳編輯正變得越來(lái)越普遍，并且在過(guò)去的幾年中已經(jīng)人工組裝了一些人造生物-復(fù)制已知?jiǎng)游锏捏w型。

但是，該研究小組首次在研究中寫(xiě)道：“這項(xiàng)研究是“從頭開(kāi)始完全設(shè)計(jì)生物機(jī)器的”。

在UVM的佛蒙特州高級(jí)計(jì)算核心的Deep Green超級(jí)計(jì)算機(jī)集群上進(jìn)行了數(shù)月的處理后，該團(tuán)隊(duì)-包括主要作者和博士生Sam Kriegman-使用了一種進(jìn)化算法為新的生命形式創(chuàng)建了數(shù)千個(gè)候選設(shè)計(jì)。嘗試完成科學(xué)家分配的任務(wù)(例如在一個(gè)方向上移動(dòng))，計(jì)算機(jī)將一遍又一遍地將幾百個(gè)模擬細(xì)胞重新組裝成多種形式和身體形狀。隨著程序的運(yùn)行-受有關(guān)青蛙蛙皮膚和心臟細(xì)胞可以做什么的生物物理學(xué)基本規(guī)則的推動(dòng)-保留并改進(jìn)了更成功的模擬生物，同時(shí)拋棄了失敗的設(shè)計(jì)。在算法獨(dú)立運(yùn)行一百次之后，選擇了最有前途的設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)試。

然后，在萊文(Levin)的帶領(lǐng)下，在塔夫茨(Tufts)的團(tuán)隊(duì)以及顯微外科醫(yī)生道格拉斯·布萊克斯頓(Douglas Blackiston)的關(guān)鍵工作下，計(jì)算機(jī)技術(shù)的設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)。首先，他們收集了從非洲蛙(非洲爪蟾)的胚胎中收獲的干細(xì)胞。(因此名稱為“ xenobots”。)將它們分成單個(gè)細(xì)胞，然后進(jìn)行孵育。然后，使用微小的鑷子和均勻的電極，將細(xì)胞切割并在顯微鏡下連接成計(jì)算機(jī)指定設(shè)計(jì)的近似值。

這些細(xì)胞組裝成自然界中從未見(jiàn)過(guò)的身體形態(tài)，開(kāi)始協(xié)同工作。皮膚細(xì)胞形成了更加被動(dòng)的架構(gòu)，而曾經(jīng)隨機(jī)收縮的心肌細(xì)胞開(kāi)始工作，在計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)下，并在自發(fā)的自組織模式的幫助下，創(chuàng)造了有序的向前運(yùn)動(dòng)-允許機(jī)器人繼續(xù)前進(jìn)他們自己的。

這些可重構(gòu)生物被證明能夠以連貫的方式移動(dòng)-在胚胎儲(chǔ)能的支持下，探索其水環(huán)境數(shù)天或數(shù)周。翻開(kāi)，但是，他們失敗了，就像甲蟲(chóng)倒在他們的背上。

后來(lái)的測(cè)試表明，異種機(jī)器人會(huì)繞圈運(yùn)動(dòng)，將顆粒自發(fā)地和集體地推到中心位置。其他的則建有一個(gè)穿過(guò)中心的孔，以減少阻力。在這些的模擬版本中，科學(xué)家們能夠?qū)⑦@個(gè)孔重新定位為可成功攜帶物體的小袋。UVM的計(jì)算機(jī)科學(xué)與復(fù)雜系統(tǒng)中心系教授Bongard說(shuō)：“這是朝著使用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的生物體進(jìn)行智能藥物輸送邁出的一步。”

生活技術(shù)

許多技術(shù)是由鋼，混凝土或塑料制成的。這可以使它們強(qiáng)大或靈活。但是它們也會(huì)造成生態(tài)和人類(lèi)健康問(wèn)題，例如海洋中日益嚴(yán)重的塑料污染禍害以及許多合成材料和電子產(chǎn)品的毒性。邦加德說(shuō)：“活組織的缺點(diǎn)是它薄弱并且會(huì)降解。”“這就是我們使用鋼鐵的原因。但是，有機(jī)體具有45億年的再生自身實(shí)踐并持續(xù)數(shù)十年的實(shí)踐。”當(dāng)他們停止工作時(shí)-死亡-他們通常會(huì)無(wú)害地分崩離析。邦加德說(shuō)：“這些異種機(jī)器人是完全可生物降解的，當(dāng)他們?cè)诠ぷ髌咛旌笸瓿晒ぷ鲿r(shí)，它們只是死了的皮膚細(xì)胞。”

您的筆記本電腦是一項(xiàng)強(qiáng)大的技術(shù)。但是嘗試將其切成兩半。效果不是很好。在新的實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家切割了異種機(jī)器人并觀察了發(fā)生的情況。邦加德說(shuō)：“我們將機(jī)器人切成兩半，然后將自己縫合起來(lái)，然后繼續(xù)前進(jìn)。”“這是典型機(jī)器無(wú)法做到的。”

破解密碼

Levin和Bongard都表示，他們已經(jīng)學(xué)到的有關(guān)細(xì)胞如何進(jìn)行通訊和連接的潛能已深入到計(jì)算科學(xué)和我們對(duì)生命的理解中。萊文說(shuō)：“生物學(xué)的最大問(wèn)題是了解決定形式和功能的算法。”“基因組編碼蛋白質(zhì)，但是轉(zhuǎn)化性的應(yīng)用正在等待我們發(fā)現(xiàn)這種硬件如何使細(xì)胞能夠在非常不同的條件下協(xié)作進(jìn)行功能解剖的發(fā)現(xiàn)。”

為了使有機(jī)體得以發(fā)展和發(fā)揮功能，許多信息共享與合作(有機(jī)計(jì)算)一直在細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞間進(jìn)行，而不僅限于神經(jīng)元內(nèi)。這些新興的幾何特性是由生物電，生物化學(xué)和生物機(jī)械過(guò)程所塑造的，“這些過(guò)程在DNA特定的硬件上運(yùn)行，”萊文說(shuō)，“這些過(guò)程是可重新配置的，從而可以創(chuàng)造出新穎的生命形式。”

科學(xué)家們看到了他們最新的PNAS研究中提出的工作-“用于設(shè)計(jì)可重構(gòu)生物的可擴(kuò)展管道”，這是將對(duì)這種生物電代碼的見(jiàn)解應(yīng)用于生物學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的第一步。“究竟是什么決定了細(xì)胞協(xié)同作用的解剖結(jié)構(gòu)?”萊文問(wèn)。“您看一下我們一直在用異種機(jī)器人構(gòu)建的細(xì)胞，并且從基因上講，它們是青蛙。這是100%的青蛙DNA，但這些不是青蛙。然后，您問(wèn)，那么，這些細(xì)胞還能做什么?建造?”

萊文說(shuō)：“正如我們所展示的，這些青蛙細(xì)胞可以被誘使成有趣的生物形式，這與它們的默認(rèn)解剖結(jié)構(gòu)完全不同。”他和UVM和Tufts小組的其他科學(xué)家在DARPA的“終身學(xué)習(xí)機(jī)器”計(jì)劃和國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的支持下，相信制造異種機(jī)器人是邁向破解他所謂的“形態(tài)發(fā)生學(xué)代碼”的一小步，更深入地了解生物的整體組織方式-以及它們?nèi)绾胃鶕?jù)其歷史和環(huán)境來(lái)計(jì)算和存儲(chǔ)信息。

未來(lái)的沖擊

許多人擔(dān)心迅速的技術(shù)變革和復(fù)雜的生物操縱的影響。萊文說(shuō)：“這種恐懼并非沒(méi)有道理。”“當(dāng)我們開(kāi)始搞一些我們不了解的復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)，我們將得到意想不到的后果。”許多復(fù)雜的系統(tǒng)(例如蟻群)都以一個(gè)簡(jiǎn)單的單位-螞蟻開(kāi)始-從中無(wú)法預(yù)測(cè)其菌落的形狀或如何通過(guò)相互連接的物體在水上架起橋梁。

萊文說(shuō)：“如果人類(lèi)要生存到未來(lái)，我們就需要更好地了解簡(jiǎn)單規(guī)則如何以某種方式出現(xiàn)復(fù)雜的特性。”他說(shuō)，許多科學(xué)都集中在“控制底層規(guī)則。我們還需要了解高層規(guī)則”。“如果您想要一個(gè)有兩個(gè)而不是一個(gè)的煙囪的蟻丘，您將如何修改這些蟻?我們不知道。”

萊文說(shuō)：“我認(rèn)為社會(huì)絕對(duì)有必要對(duì)結(jié)果非常復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行更好的處理。”“要做到這一點(diǎn)的第一步是探索：生命系統(tǒng)如何決定整體行為應(yīng)該是什么，以及我們?nèi)绾尾倏v碎片來(lái)獲得我們想要的行為?”

換句話說(shuō)，“這項(xiàng)研究是對(duì)人們所擔(dān)心的事情的處理的直接貢獻(xiàn)，這是意想不到的后果，”萊文說(shuō)-無(wú)論是在自動(dòng)駕駛汽車(chē)的迅速普及中，還是通過(guò)改變基因驅(qū)動(dòng)力來(lái)消滅整個(gè)人病毒譜系，或?qū)⒃絹?lái)越多地影響人類(lèi)體驗(yàn)的許多其他復(fù)雜的自治系統(tǒng)。

UVM的喬什·邦加德(Josh Bongard)說(shuō)：“生活中蘊(yùn)含著所有與生俱來(lái)的創(chuàng)造力。”“我們想更深入地了解這一點(diǎn)-以及我們?nèi)绾沃笇?dǎo)和推動(dòng)它發(fā)展新形式。”