В 2020 году американские биологи из Вермонтского, Тафтского и Гарвардского университетов создали ксеноботов — «живых роботов». Для этого они взяли плюрипотентные стволовые клетки из кожи эмбрионов африканской когтистой лягушки (Xenopus laevis) и выращивали их в солевом растворе. Клетки сливались в сфероидный организм, отращивая на внешнем слое реснички, которые помогали ему передвигаться.
«Большинство людей думают о роботах как о созданиях из металлов и керамики, но дело не столько в том, из чего сделан робот, сколько в том, что он делает — действует самостоятельно на пользу человеку, — говорит профессор информатики и эксперт по робототехнике Джош Бонгард, ведущий автор исследования. — В этом смысле это робот, но это также и организм, созданный из генетически немодифицированной клетки лягушки».
Теперь эта же группа исследователей выяснила, что их творение способно размножаться.
Этот процесс ученые описали в статье в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
У ксеноботов нет ни нейронов, ни репродуктивной, пищеварительной и прочих систем, они естественным образом распадаются через две недели.
«Они точно не вырастают в лягушек, они фактически сохраняют ту форму, в которой мы хотим их оставить, — рассказывает Бонгард. — И они выглядят и ведут себя совсем не так, как обычная лягушка».
Размножаются ксеноботы тоже не так, как лягушки. Животные и растения могут размножаться половым (как с помощью оплодотворения, так и однополым способом) и бесполым путем, ксеноботы же прибегают к кинематической саморепликации, которая ранее не наблюдалась у организмов — лишь у молекул.
При саморепликации ксеноботы используют вещества, находящиеся в окружающей среде, чтобы создавать свои копии.
Концепция самореплицирующихся машин была предложена еще в XIX веке, но развитие получила лишь во второй половине XX века. В XXI веке стартовали проекты, посвященные созданию самовоспроизводящихся клеточных автоматов, роботов и даже фабрик, которые позволят колонизировать Луну и Марс.
«Кинематическая саморепликация в молекулах определенно была важна в начале жизни на Земле. Но мы не знаем, играла ли эта форма репликации, которую мы сейчас наблюдаем в группах клеток, какую-то роль в зарождении жизни», — отмечает Бонгард.
Это свойство ксеноботов ученые открыли, наблюдая за их поведением в чашке Петри, где содержалась вода из пруда и клетки эмбрионов лягушки. Ксеноботы перемещались в чашке, сталкиваясь с другими клетками и собирая их в кучи. Если куча оказывалась достаточно велика — около 50 клеток, — она образовывала нового ксенобота. «Потомство» повторяло поведение «предков», но вот «внуки» уже оказывались слишком слабы и неспособны воспроизводиться.
«Мы обнаружили, что синтетические многоклеточные агрегаты также могут воспроизводиться кинематически, перемещая и сжимая диссоциированные клетки в окружающей среде в функциональные самокопии, — пишут авторы работы. — Эта форма сохранения вида, ранее не наблюдаемая ни у одного организма, возникает спонтанно в течение нескольких дней, а не развивается тысячелетиями».
«Меня это поразило, — признается профессор биологии Майкл Левин, соавтор исследования. — У лягушек есть способ размножения, который они обычно используют, но если освободить определенные клетки от остальной части эмбриона и дать им понять, как оказаться в новой среде, они не только находят новый способ передвижения, но и, очевидно, новый способ размножения».
То, что кинематическая саморепликация, ранее не наблюдаемая ни у растений, ни у животных, могла возникнуть без генетической модификации, демонстрирует, насколько радикально и быстро биологические существа могут адаптироваться и изменяться в ответ на окружающую среду, объясняют исследователи.
Моделирование с помощью искусственного интеллекта показало, что, если придать ксеноботам определенную форму, например, персонажа игры Pac-Man, они будут воспроизводить ее при репликации. Кроме того, эта форма оказалась наиболее удачной для дальнейшей саморепликации — «рот» помогал более эффективно собирать в кучу эмбриональные клетки. Также удалось выяснить, что ксеноботы способны, например, чинить электрические цепи — но пока этот результат получен тоже на основе моделирования, а не реального эксперимента.
Исследователи рассчитывают, что ксеноботов получится использовать для различных задач, от сбора микропластика в водоемах до медицинских вмешательств — например, в случае, когда необходимо ускорить регенерацию клеток.