全球首个可编辑的基因活体机器人诞生！或将改变人类生命科学

互推小编 2023-12-06

人类对于制造新的生物机器人一直情有独钟，因为这或许将解决细胞衰老、肢体重生的问题或者是制造新生命。

早在18世纪，科学家就意识到向死去的动物施加电流可能会使它们的肌肉抽搐，这像是新生的一种方式，随后这种想法就迅速流行了起来，电也被字面上写成“生命之火花”，这种理论如此让人兴奋，以至于后续还进入了文学和艺术领域，例如玛丽·雪莱（Mary Shelley）1818年的小说《科学怪人》（Frankenstein）就是一个例子，雷电风暴激发了年轻的科学怪人弗兰肯斯坦博士将死者复活。但是事实证明，对生物电信号的实际科学研究极具挑战性，人类一直以来都还不具备新生的条件，直到最近这个“ xenobots”生物机器人的出现。这是一种全新的人造生命。

左侧是在UVM超级计算机上发现的计算机设计生物的解剖蓝图。在右侧，完全由青蛙皮肤（绿色）和心肌（红色）细胞构建的生物体。当这些新自然生物在颗粒物领域中移动时，其背景显示了由这些新自然生物群雕刻的痕迹。（提供者：Sam Kriegman，UVM）

xenobots机器人是什么？

xenobots”生物机器人是什么？如果回到物体的本质，这个问题就很好回答，可以用一个简单的例子说明，一本书，我们通常就可以想到，一本书是用木头做的，但我们所看到的它在物理形体上不是一棵树，因为在生物学基准上，原本在树木上死掉的细胞，被人类重新利用以满足另一个制作书的需要，于是有了我们能看到的书。

基于相同原理，佛蒙特大学和塔夫茨大学的科学家在UVM超级计算机上设计了活体机器人。

佛蒙特大学的计算机科学家和机器人专家，也是这项新研究的负责人Joshua Bongard说：“这些都是新颖的活体机器人。” “它们既不是传统的机器人，也不是已知的动物物种，它是一类新的人工制品：一种活的可编程生物！”

一种人造的四足动物，直径为650-750微米，比针头小一点。（图片来源：Douglas Blackiston, Tufts Universit

早先在塔夫茨大学，他们利用了从青蛙胚胎中提取的活细胞，并将它们组装成全新的生命形式，这些毫米级的“ xenobots”可以朝目标自行移动，环绕目标并在被切割后自行愈合。这些新颖的生活机器既不是传统的机器人，也不是已知的动物物种。它们是一类新的人工制品：一种活的可编程生物。

科学家设想，有一天，它们可以用于各种任务，例如寻找放射性污染，在海洋中收集微塑料或在人的动脉中刮擦斑块。塔夫茨再生与发育生物学中心的负责人迈克尔·莱文说：“我们可以想象，这些活体机器人在许多有用的应用场景中都具有独特性，其功能是其他机器无法做到的。”

xenobots机器人的诞生

xenobots生物机器人的出现或许也是人类发展的必然方向，因为从18世纪以来，人类制品大多数技术由钢，混凝土，化学药品和塑料制成，虽然它们会随着时间的流逝而降解，但更多是会产生有害的生态和健康副作用。因此，使用能自我讲解和生物相容性材料构建技术必然是人类的大方向，其中最理想的候选者是生命系统本身。

生命系统比目前任何技术都更加完善化，多样化，他们是人类生活的基本，但是，我们创造新生命形式的能力目前仅限于在体外改变现有的生物或生物工程类器官。于是美国的科学家大胆提出了这种用于创建功能新颖的生命形式的可扩展方式：用AI自动在计算机中设计各种候选生命形式以执行某些所需功能，然后使用基于单元的构造工具包创建可移植设计，以实现具有预期行为的生活系统。

基于此，佛蒙特大学和塔夫茨大学的科学家提出这种从头开始完全设计生物机器的方法：计算机在模拟仿真中自动设计新机器人组织架构，然后通过生物实验，将不同的生物组织组合在一起来构建理论中的最佳设计。这表明其他人可能会使用这种方法来设计各种生物机器，以安全地将药物输送到人体内，帮助进行环境修复，或者进一步扩大我们对生命可能采用的多种形式和功能的理解。

尽管此流程中的某些步骤仍需要人工干预，但将来完全自动化后，必然将为设计和部署用于各种功能的个性化定制生活系统铺平道路。目前的xenobots生物机器人就是在美国UVM的超级计算机上设计的，然后由塔夫茨大学的生物学家组装和测试，实现了一个新生命的诞生。

佛蒙特大学教授乔什·邦加德（Josh Bongard）图源: Joshua Brown

这项新研究的结果于1月13日发表在《美国国家科学院院刊》上。

新生命是多学科进步后的必然

新生物机器人的出现不是巧合，而是长期积累后的产物。至少从农业出现之初，人们就一直在为人类的利益而不断尝试操纵和改造生物，例如对于狼到狗的改造，对于野猫到家猫的改造，遗传基因编辑正变得越来越普遍。

并且生物技术的不断发展也为此提供了更多的可能性。众所周知的是，在过去的几年中，已经有实验室人工开始尝试制造了一些人造生物，并复制了已知动物的身体形态（例如前段时间就有人复制已故的宠物猫）。

但这次研究成果与以往的成绩有所不同，研究小组在已发表的最新研究中写道，这是人类有史以来第一次“完全无参照从零开始设计具备完全生物体体征的机器人”。这是一个在生物学上的更进一步。

超级计算机和AI也为诞生提供了必要条件。科学团队在UVM公司的Vermont Advanced Computing Core（美国佛蒙特州高级计算核心）的Deep Green超级计算机集群上为此进行了数月的处理之后，才开发并使用了一种进化算法，并由AI为新的生命形式创建了数千个候选设计，之后生物学家才尝试完成科学家分配的任务（例如在一个方向上做不规则移动），计算机一遍又一遍地将数百个模拟细胞重新组装成无数种形式和体形，才有了最终的可能。

随着计算机程序运行，生物编辑基本规则的不断完善，科学团队受“有关青蛙蛙皮肤和心脏细胞可以做什么的生物物理基本规则”的驱动，实验室通过不断模拟生物，筛选保留和改良有可能的进化体，抛弃失败的设计，在算法独立运行一百次之后，他们成功选择出了最有前途的设计体进行测试，并获得了成功。

随后，在莱文（Levin）的带领下，在塔夫茨（Tufts）团队以及显微外科医师道格拉斯·布莱克斯顿（Douglas Blackiston）的关键工作下，研究人员将计算机设计变为现实。首先，他们收集了从非洲蛙（非洲爪蟾）的胚胎中提取的干细胞。（因此，机器人名称为“ xenobots”。）将它们分成单个细胞进行孵育，随后他们使用微型镊子和一个更小的电极，将细胞切割并在显微镜下连接到计算机所指定的设计中。

生活技术应用

这些细胞组构成自然界中从未见过的身体形态，并且开始协同工作。皮肤细胞形成了更为被动的结构，而曾经随机收缩的心肌细胞开始起作用，在微型计算机的设计指导帮助下，并在生物物体自发形成的自组织模式下，使生命体有序的向前运动成为可能，从而使机器人拥有得以前进的能力，这些可重构的有机体被证明能够以连贯的方式移动，并能依靠胚胎储能在数天或数周的时间内生存，并探索它们周围的水环境。具有可控生命体体征和运动能力代表着xenobots能被称为一个生命体。

科学团队表示，后来的实验测试表明，成群的xenobots会做环状运动，这使得它们能将颗粒自发地和集体地推到中央位置，同时也可以在机器人身上设计一个减少阻力的小口，在这些的模拟版本中，科学家们能够将这个孔重新定位为可成功携带物体的小口袋。UVM的计算机科学和复杂系统中心系教授Bongard说：“这是计算机设计的生物体能进行智能药物输送迈出的关键一步。”

目前许多医疗机器人和生物技术是由钢或塑料制成的，这些元素可以使它们非常稳固，但是废弃后的它们也会造成生态问题和人类健康问题，例如海洋中日益严重的塑料污染以及许多合成材料和电子产品的毒性。科学团队称，这也是他们不使用钢铁作为主要生产原料的原因，活组织的优点和缺点都是它结构薄弱并且会降解，因为生物在再生和自身持续数十年的发展中，已经拥有45亿年的实践经验，当生物停止工作时（死亡），它们通常会无害地分崩离析。UVM的Bongard教授说：“我们这些xenobots是完全可生物降解的，当它们在工作七天后完成工作时，它们就只是死了的皮肤细胞，这比目前的排出式微型机器人更先进。”

在医疗模拟下，xenobots的另一特性更让人震惊，物理的特质来说，细胞分解后很难重新聚集，但在新的实验中，科学家切割了xenobots并观察了发生的情况。Bongard举例说明道：“我们的笔记本电脑是一项强大的技术，但是尝试将其切成两半，它就不太好用。我们将机器人切成两半，但是随后它就将自己缝合起来，然后继续前进，这是典型机器无法做到的。”这或许也为新的生物机器人具有的独特特性提供了依据，想象一下分离的肢体断裂后直接能够接起来的画面，我们会想到很多电影的场景。

破解形态学代码

Levin和Bongard都表示，目前人类所了解的细胞如何沟通和连接的潜力，其实已经深入到计算科学和我们对生命的理解中，在这个成品中就得到了较好表现。Levin认为目前生物学的最大问题是了解生物体态生物上的决定形式和将其变成具体功能的算法。例如基因组编码蛋白质，人类在硬件如何模仿并使细胞能在多种不同的条件下合作，从而进行功能解构，就是最难的挑战。

为了克服这一挑战，使有机体得以发展和发挥功能，他们想到让许多信息共享与合作单元（有机计算）一直在细胞内和细胞间进行，而不仅限于神经元内。莱文说：“这些新兴的几何特性是由生物电，生物化学和生物力学过程所形成的，这些过程在DNA特定的硬件上运行，这些过程是可重构的，从而使新的生命形式成为可能。”

使用计算机模拟设计来创建xenobots的体内活体延时记录，并通过计算机操作和组装细胞的过程。图片来源：塔夫茨大学道格拉斯·布莱克斯顿

科学家们认为，他们在新的PNAS研究中提出的工作- “用于设计可重构生物的可扩展管道”，是将有关此生物电代码的见解，应用于生物学和计算机科学的第一步。“究竟是什么决定了细胞协同作用的解剖结构？” 莱文提出。“外界了解我们一直在用xenobots构建的细胞，并且从基因上讲，它们就是青蛙，它是100％的青蛙DNA，但在基因学上也可以不是青蛙，那么人们会去思考，这些细胞还能构建什么？”

莱文说：“正如我们所展示的，这些青蛙细胞可以被编写成有趣的生物形式，这与它们的默认解剖结构完全不同。” 他和Tufts小组的其他科学家在DARPA和UVM的“终身学习机器人”计划以及美国国家科学基金会的支持下，仍在不断进行研究，他认为构建xenobots只是迈向破解他所谓的“形态学代码”的一小步，下一步是了解更深入的了解生物的整体组织方式，以及思考它们该如何根据其历史和环境来计算和存储信息。

未来的冲击

许多人担心快速的技术变革和复杂的生物操作的影响。莱文说：“这种恐惧并非没有道理，因为当我们开始处理我们不了解的复杂系统时，我们或许将得到意想不到的后果。但这个过程是不可避免的，因为许多复杂的系统（例如蚁群）其实都以一个简单的单元（即蚂蚁）开始，因此如果无法预测它们的形态学形状，也也无从知道他们如何利用相互连接的身体在水上架起桥梁。”莱文认为如果人类要生存到未来，就需要更好地理解复杂的属性是如何从简单的规则中产生的。他说，目前人类的许多科学都集中在“控制底层规则，但我们人类还需要了解高层规则，从而进行顶层设计。

莱文认为社会绝对有必要对结果非常复杂的系统进行更好的处理，而不是因为恐惧其后果而规避，但要做到这一点的第一步是探索：例如生命系统如何决定整体行为？其完整体应该是什么，以及我们如何操纵碎片来获得我们想要的行为？

莱文说：“换句话说，这项研究是对解决人们所担心的事情的直接贡献，这是意想不到的后果。但无论是自动驾驶汽车的迅速到来，还是改变基因驱动以消灭整个病毒谱系，或许多其他复杂的自治系统，必然都将逐渐改变人类的生活体验，这是人类向前迈步的根源。

UVM的Bongard总结说：“生活中蕴含着生物所有与生俱来的创造力，我们人类只是也只需要想更深入地了解这一点，指导和推动它走向新形式，这或许就够了。”

归属权：United States National Academy of Sciences（美国国家科学院）

来源期刊：Proceedings of the National Academy of Sciences（美国国家科学院院刊）

PNAS于2020年1月13日首次发布

采编来源：University of Vermont

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