Als voortplanting het kenmerk van het leven is, dan zijn de eerste ‘levende robots’ ter wereld misschien net uit een petrischaaltje gestapt in Burlington, Vermont. Toegegeven, ‘eruit gestapt’ is misschien wat overdreven (de door AI ontworpen ‘xenobots’ rolden in plaats daarvan zonder pardon rond in de schotel), maar ze slaagden er wel in iets heel opmerkelijks te bereiken in het proces. De kleine Pac-Man-vormige wezens verzamelden kikkerstamcellen uit de oplossing waarin ze zwommen en bouwden kopieën van zichzelf – en de omvang daarvan kan niet genoeg worden benadrukt.

Het team dat verantwoordelijk is voor de ontwikkeling – van de Universiteit van Vermont, Tufts University en het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering aan de Harvard University – bouwde voort op onderzoek dat ze vorig jaar onthulden toen ze de allereerste robots creëerden die volledig uit levende cellen waren opgebouwd ( de gebruikte cellen zijn afkomstig van kikkerembryo's). Hoewel deze oorspronkelijke robots puur organisch van structuur waren, werden ze niet als levende organismen beschouwd, omdat ze niet in staat waren zichzelf te vermenigvuldigen – een van de meest fundamentele kenmerken van een levend wezen.

Dat veranderde allemaal dit jaar.

Nieuwe levensvormen

In een poging om hun xenobots tot leven te brengen, schakelde Sam Kriegman, Ph.D., medeleider van het team, de AI van de Universiteit van Vermont in en vroeg deze om een ​​xenobot-ouderstructuur te ontwerpen. ‘De AI kwam na maandenlang sjouwen met een aantal vreemde ontwerpen op de proppen,’ zegt Kriegman, ‘waaronder eentje die op Pac-Man leek. Het is erg niet-intuïtief. Het ziet er heel eenvoudig uit, maar het is niet iets dat een menselijke ingenieur zou bedenken. Waarom één klein mondje? Waarom niet vijf?’

Ondanks vragen over het voorgestelde ontwerp van de AI, werden deze resultaten toch gebruikt om een ​​ouder-xenobot te bouwen. Deze ouder slaagde erin kinderen te krijgen en kreeg vervolgens kleinkinderen. Enge dingen – niet alleen dat we een zichzelf replicerende robot hebben gemaakt, maar dat een andere robot die we hebben gebouwd (een AI) deze voor ons heeft ontworpen. ‘Mensen hebben heel lang gedacht dat we alle manieren hebben uitgewerkt waarop het leven zich kan voortplanten’, zegt Douglas Blackiston, Ph.D., die de xenobot-ouders bijeenbracht, ‘maar dit is iets dat nog nooit is waargenomen. voor.'

Nu kan het idee van door de mens gemaakte, zichzelf replicerende wezens bij sommige mensen de rillingen over de rug doen lopen, maar we hoeven ons nog geen zorgen te maken over indringers in Pac-Man-stijl die de controle over de planeet overnemen. Het zelfreplicatiesysteem dat door de xenobots wordt gebruikt, is nog niet volledig gerealiseerd en het proces sterft na een paar generaties uit. Niettemin zijn de implicaties van deze biotechnologische vooruitgang enorm diepgaand, vooral als het om de geneeskunde gaat.

Xenobots en regeneratieve geneeskunde 

Regeneratieve geneeskunde is een term die behandelingen omvat die zich richten op beschadigde weefsels, waarbij de nadruk grotendeels ligt op selectieve celvervanging en -reparatie. Omdat het hoofddoel verjonging is, wordt het vaak gezien als een medicijn tegen veroudering. Wat ons er echter van weerhoudt om het effectief te ontwikkelen, is ons onvermogen om cellen nauwkeurig te vertellen wat we willen dat ze doen.

Het werk dat aan de Universiteit van Vermont wordt gedaan, heeft ons een stuk dichterbij gebracht.

De embryonale kikkercellen die de xenobots verzamelden, zouden zich normaal gesproken hebben ontwikkeld tot kikkerhuid, maar in de handen van het team uit Vermont kregen de cellen een nieuwe taak. ‘We plaatsen ze in een nieuwe context’, zegt Michael Levin, Ph.D., medeleider van het onderzoek. ‘We geven ze een kans om hun meercelligheid opnieuw te bedenken.’

Hoewel de cellen het genoom van een kikker hadden, waren ze bevrijd van elk vooraf bepaald biologisch pad en konden ze hun collectieve genetische intelligentie gebruiken om iets heel anders te bereiken. ‘We werken eraan om deze eigenschap te begrijpen’, zegt Bongard. ‘Het is belangrijk, voor de samenleving als geheel, dat we bestuderen en begrijpen hoe dit werkt.’

Inderdaad. Wanneer je ons toenemende inzicht in de celstructuur koppelt aan het vermogen van een AI om op bestelling biologische hulpmiddelen te creëren, kunnen we binnenkort veel meer controle over onze eigen cellen hebben dan ooit tevoren – het onderzoek dat door het team uit Vermont wordt gedaan, verleent ons het vermogen om de verwoestingen van cellulaire veroudering te bestrijden en de menselijke levensduur te verlengen.

‘Als we wisten hoe we verzamelingen cellen moesten vertellen wat we wilden dat ze deden, dan zou dat uiteindelijk regeneratieve geneeskunde zijn’, zegt Levin. ‘Dat is de oplossing voor traumatisch letsel, geboorteafwijkingen, kanker en veroudering. Al deze verschillende problemen doen zich voor omdat we niet weten hoe we moeten voorspellen en controleren welke groepen cellen zich gaan vormen. Xenobots zijn een nieuw platform om ons les te geven.’

Antiverouderingstechnologie werkelijkheid maken

In dit vroege stadium is het moeilijk om de potentiële toepassingen van xenobots echt te begrijpen. 'Het enige wat we kunnen doen is nadenken over de voordelen die deze technologie heeft ten opzichte van traditionele robots', zegt Bongard, 'namelijk dat ze klein, biologisch afbreekbaar en gelukkig in water zijn.' goedkope waterontzilting, er bestaat weinig twijfel over dat antiverouderingstechnologie een van de belangrijkste gebieden van toekomstig onderzoek zal zijn. Het vooruitzicht om ouderdomsziekten uit te bannen naar de geschiedenisboeken is voor elk onderzoeksteam zeker verleidelijk genoeg, nog afgezien van de financiële beloningen.

Regeneratieve geneeskunde is misschien nog niet helemaal in zicht, maar met de komst van zelfreplicerende xenobots hebben we zeker een grote stap in de richting daarvan gezet. Met de mogelijkheid dat onze eigen cellen een nieuwe taak kunnen krijgen om de kenmerken van veroudering tegen te gaan, zullen we niet alleen langer leven, maar zullen we er ook meer van kunnen genieten – je zou fit kunnen blijven en behoorlijk ver in je driehonderd. Dus misschien wil je Pac-Man de volgende keer dat je het speelt wat serieuzer nemen, omdat zijn neef, de xenobot, je in de niet al te verre toekomst het levenselixer zou kunnen brengen.

Referenties:

1. RD Kamm et al., Perspectief: de belofte van meercellige, ontworpen levende systemen. APL Bioeng. 2, 040901 (2018).

2. D. Blackiston et al., Een cellulair platform voor de ontwikkeling van synthetische levende machines. Wetenschap Robot. 6, eabf1571 (2021).

3. J. Losner, K. Courtemanche, JL Whited, Een soortoverschrijdende analyse van systemische mediatoren van herstel en complexe weefselregeneratie. NPJ regen. Med. 6, 21 (2021).

4. S. Kriegman, D. Blackiston, M. Levin, J. Bongard, een schaalbare pijplijn voor het ontwerpen van herconfigureerbare organismen. Proc. Nat. Acad. Wetenschap VS 117, 1853-1859 (2020).

5. V. Zykov, E. Mytilinaios, B. Adams, H. Lipson, Robotica: zelfreproducerende machines. Natuur 435, 163–164 (2005).

6. Z. Qu et al., Op weg naar hoogwaardige microschaalbatterijen: configuraties en optimalisatie van elektrodematerialen door in-situ analytische platforms. Energieopslag Mater. 29, 17–41 (2020).

7. Q. Wu et al., Organ-on-a-chip: recente doorbraken en toekomstperspectieven. Biomedisch. Eng. Online 19, 9 (2020).

8. E. Garreta et al., Heroverweging van organoïdetechnologie door middel van bio-engineering. Nat. Mater. 20, 145–155 (2021).

9. Y. Han et al., Mesenchymale stamcellen voor regeneratieve geneeskunde. Cellen 8, 886 (2019).

10. SF Gilbert, S. Sarkar, Complexiteit omarmen: organischisme voor de 21e eeuw. Ontwikkelaar Dyn. 219, 1–9 (2000).

11. G. S. Hussey, J. L. Dziki, S. F. Badylak, Extracellulaire matrixgebaseerde materialen voor regeneratieve geneeskunde. Nat. Ds. Mater. 3, 159–173 (2018).