Среди наиболее удивительных вещей, о которых я узнал за пять лет работы в редакции «Хабра» — игра «Жизнь» Джона Конвея, представляющая собой эталонный клеточный автомат. В моём втором блоге @Sivchenko_translate где собраны технические переводы, я опубликовал в январе 2023 года статью «Игра «Жизнь» — как собрать произвольный шаблон всего из 15 глайдеров», в комментариях к которой среди прочих отметился и уважаемый Павел Гранковский @Pavgran впоследствии вышедший со мной на связь и посоветовавший почитать замечательную бесплатную книгу «Conway's Game of Life Mathematics and Construction».

В меру моего понимания этого клеточного автомата, такую систему вполне можно было бы воспроизвести in vivo при помощи генетических алгоритмов. Сегодня я хочу рассказать вам о разработке, которая очень приблизилась к этому идеалу – так называемых «ксеноботах». Это самовоспроизводящиеся многоклеточные биороботы, созданные в 2021 году на основе стволовых клеток лягушки. С ксеноботами связывают заманчивые перспективы развития наномедицины, а также существенные риски, которые могут возникнуть при неконтролируемой репликации таких единиц. Ранее ксеноботы упоминались на Хабре как в новостях, так и в лонгридах, например, в статье уважаемого @Dmytro_Kikot «Ксеноботы: живые нанороботы из клеток лягушки», вышедшей в корпоративном блоге «ua-hosting.company». А теперь пойдёмте под кат.

Как были изобретены ксеноботы

Ксеноботы — это интересное изобретение на стыке биотехнологии, нанотехнологий и робототехники, состоявшееся при подспорье искусственного интеллекта. Эта история началась в 2020 году, когда группа учёных из Университета штата Вермонт (во главе с Джошуа Бонгардом) и Университета Тафтса, штат Массачусетс (под руководством Майкла Левина) вырастила лабораторную культуру на основе клеток гладкой шпорцевой лягушки.

Шпорцевая лягушка — известное и хорошо изученное лабораторное животное. По-латыни эта амфибия называется Xenopus laevis, поэтому название необычной культуры совсем не кликбейтное, хотя и удачно намекает на кажущуюся чужеродность и крайнюю необычность получившихся клеток.

Бонгард специализируется на информатике, а Левин — на биологии развития. Поэтому исследование сразу задумывалось как междисциплинарное и в хорошем смысле конвеевское. Статья под названием «A cellular platform for the development of synthetic living machines» была опубликована в начале 2021 года. Но полученный результат поначалу удивил и озадачил даже самих авторов исследования.     

Они охарактеризовали «ксеноботов» как «программируемые живые сущности» (programmable living things). Ксенобот состоит из нескольких тысяч недифференцированных стволовых клеток шпорцевой лягушки, поэтому не может считаться зародышем лягушки. Однако эти единицы подчиняются законам эволюции и реагируют на стимулы окружающей среды — то есть, крайне похожи по свойствам на клеточный автомат. Стимулируя ксеноботы, можно заставить их проявлять коллективное поведение и собираться в такие конфигурации, которые они никогда не принимают, будучи в организме лягушки.

Стволовые клетки, которые пошли на сборку ксеноботов, у эмбриона лягушки являются предшественниками клеток кожи и сердечной мышцы. Оформившиеся ксеноботы этой «первой версии» могут собираться в группы, самостоятельно двигаться, подталкивать микрочастицы. Вот как они выглядят в чашке Петри. На следующей иллюстрации «сердечные» клетки обозначены розовым цветом, а «кожные» голубым.

Далее рассмотрим, как эти биороботы были выведены из стволовых клеток

Получение ксеноботов и их биомеханика

Как я упоминал выше, ксеноботов первого поколения вывели из стволовых клеток, которые у лягушачьего эмбриона дают начало клеткам кожи и сердечной мышцы. Клетки кожи быстро делятся, а клетки сердечной мышцы (как и у человека) автономно сокращаются, благодаря чему позволяют ксеноботу двигаться. Команда из Вермонта сначала несколько месяцев разрабатывала для этого проекта эволюционный алгоритм и тестировала его на университетском вычислительном кластере, проектируя различные формы, которые могли бы принимать ксеноботы, а также проверяя, какими функциями мог бы обладать такой «организм» сразу, а какие мог бы развить. Сборка ксенобота происходит при помощи миниатюрных щипцов и электродов, управляемых искусственным интеллектом, в который заложен этот алгоритм. Кинематика, механика и реконфигурация этих единиц описана в статье вермонтской группы; также ксеноботам посвящён свой сайт, содержащий ответы на часто задаваемые вопросы. Вот как ксеноботы движутся под микроскопом:

Ксеноботы различимы невооружённым глазом:

Такой ксенобот состоит примерно из 3000 клеток. Он живёт около десяти дней, питаясь запасами «желтка», которые содержатся в эмбриональных клетках. Локомоция (плавание) обеспечивается за счёт сокращения клеток сердечной мышцы и выглядит, например, так:

Также на поверхности ксеноботов можно вырастить жгутики, образующиеся из кожных клеток. Они придают организмам дополнительную мобильность; по принципу эволюционного алгоритма ксеноботы осваивают именно тот тип движения, который наиболее распространён в микромире.

Дуглас Блэкистон, участник вермонтской команды, указывает, что ксеноботы собираются в более крупные комочки просто по принципу «выступ-просвет», примерно, как кубики «Лего».

Поскольку ксеноботы легко движутся в жидкости, предполагалось, что их можно использовать в качестве биодатчиков для отслеживания радиоактивного и химического загрязнения. Однако самое интересное началось в 2021 году, когда появилось второе поколение ксеноботов. Эти единицы научились размножаться. При этом на сайте «computer-designed organisms», посвящённом первому поколению ксеноботов, в разделе «FAQ» есть такое разъяснение:

Могут ли эти организмы начать неконтролируемо эволюционировать? 

Здесь не идёт речь об эволюции. У CDO нет репродуктивных органов. Примерно через семь дней организм перестаёт функционировать и разлагается.

Ксеноботы 2.0 (версия 2021 года)

В начале 2021 года была получена вторая версия ксеноботов, и эти организмы значительно отличались от первого поколения. Они жили примерно вдвое дольше (до двух недель), самозалечивались и не просто слипались в колонии, а проявляли роевое поведение, напоминающее мурмурацию. Также ксеноботы сбивались в группы.

Это поколение ксеноботов также целиком искусственное, выведено при помощи эволюционных алгоритмов при сочетании методов биотехнологии и робототехники. То есть, у этого поколения также были прототипы, у которых описанные свойства были разработаны методом проб и ошибок. Но ксеноботы второго поколения оказались способны самостоятельно размножаться.

Как упоминалось выше, ксеноботы не имеют репродуктивных органов, поэтому их размножение не было ни половым, ни вегетативным (почкованием). Они стали охватывать мелкие частицы, проверять, совпадают ли они по составу с ксеноботами, и если так — собирать из них новых ксеноботов. Учёные обнаружили, что этот процесс можно активизировать, если надрезать ксеноботов так, чтобы они были похожи на «пакмана», а в раствор набросать готовых стволовых клеток. В таком случае ксеноботы собирали клетки, но не встраивали их в себя, а собирали «личинки» новых ксеноботов (такие единицы превращались в полноценных ксеноботов после краткого инкубационного периода).

Насколько нам известно, ни один организм на Земле не освоил такой способ размножения. Ксенобот берёт для сборки новых ксеноботов именно зародышевые лягушачьи клетки, причём, относящиеся к нужным видам ткани — сердечной и кожной. Таким же образом ксеноботы нового поколения могут не только делать новых ксеноботов, но и самозалечиваться.

Очевидно, что при сохранении благоприятных условий и достаточном количестве биоматериала этот процесс может продолжаться неограниченно долго. Тем самым американские учёные впервые создали полноценный «самовоспроизводящийся автомат», о котором великий информатик Джон фон Нейман написал ещё в 1966 году.

Известна и значительно более грозная трактовка таких самовоспроизводящихся единиц, которую дал Эрик Дрекслер (род. 1955), один из основателей и идеолог нанотехнологии. В 1986 году вышла его книга «Машины создания», в которой он предложил понятие «серая слизь» (gray goo) — неконтролируемо нарастающий рой, перерабатывающий в свои единицы любую окружающую материю. Я разбирал на Хабре проблему серой слизи в статье «Вы, конечно, шутите, мистер Нейман! Страшная сказка о серой слизи». Дрекслер писал именно о роботах, то есть, о достаточно интеллектуальных микромашинах, безжизненных «репликаторах».

Впоследствии Дрекслер раскаивался как в предложенном термине, так и в самой (апокалиптической) модели, но, как видим, потенциал нанотехнологии вообще оказался переоценён по сравнению с биотехнологиями. Наносборка молекул металла в полезные механизмы пока недостижима как из-за сложности роевых алгоритмов, так и из-за дефицита самого металла. Как рою наноботов пополнить себя в лесу или в пустыне? Как собрать не только металлический нанокаркас, но и электронику, которая бы подключалась к рою моментально, без настройки?

Оказалось, что на биоматериале такой рой нанобиороботов не только проще вообразить, но и возможно создать. Вслед за Дрекслером другие авторы предупреждали о рисках, связанных с разработкой подобного роя.

Не хотим быть лягушкой

С точки зрения Майкла Левина, наиболее поразительный аспект этого процесса заключается в спонтанности и эмерджентности. Лягушачьи эмбриональные клетки проявляют такое поведение, когда они «избавлены от необходимости» превращаться в головастика (то есть, предоставлены сами себе in vitro, а не in vivo), а также могут «развиваться» без вмешательства лаборанта. У этих клеточных сгустков — полный и неотредактированный геном шпорцевой лягушки, но они проявляют роевое поведение и при этом обходятся без размножения. Они не передают генов потомкам, хотя сами работают в соответствии с генетическими алгоритмами, запрограммированными человеком. Наконец, отметим, что ксеноботы — многоклеточные организмы, но они не распухают до максимального размера, который может уместиться в данной чашке Петри, а сохраняют размер около 3000 клеток, и именно до такого размера достраивают своих «потомков». Почему в данном случае «потомки» похожи на «предков», хотя дарвиновский отбор на них не действует?  

Лягушачьи клетки выходят на свободу

На первый взгляд ксеноботы ничем не отличаются от других пресноводных простейших, скажем, амёб или вольвокса. Они плавают в блюдце и как будто роятся. Без микробиологического анализа ничто не выдаёт, что они на 100% состоят из клеток, которые могли стать головастиком. Тем не менее, ксеноботы опровергают некоторые, казалось бы, неоспоримые истины биологии развития. Оказывается, в геноме лягушки не заложено инструкций о том, каким именно образом зародышевые клетки должны пролиферировать, дифференцироваться и «складываться» в тельце головастика. Головастик из них получается лишь при развитии внутри лягушачьей икринки, по-видимому, при наличии некоторого необходимого множества таких клеток, замкнутых в небольшом объёме. Ксенобот развивается, реагируя на условия окружающей среды, как будто его клетки «делают то, что могут», а не «то, что должны». Непонятно, существовали ли когда-либо такие сгустки естественного происхождения, либо столь странное поведение свойственно лишь эукариотическим стволовым клеткам, которые искусственно выдернуты из эмбриогенеза. Может быть и так, что опыт с ксеноботами приоткрывает перед нами один из первых этапов развития многоклеточной жизни или некую «альтернативную многоклеточность».

Левин считает, что такие «клеточные боты» приоткрывают суть биологии развития, а также устройства животной клетки. Возможно, это первый опыт в пользу ныне маргинальной теории негенетического наследования. В клетках присутствует некий потенциал принятия решений, где геном ограничивает поле этих решений, но не является их движущим фактором. Здесь вернёмся к тому, почему ксеноботы предпочитают форму «похожую на пакман».

Достигнув размера около 3000 клеток, ксенобот сворачивается в шарик. Это чисто физическое явление, возникающее, например, с маслянистыми каплями. Но именно колония сферических ксеноботов вымирает быстрее всего, практически, как первое поколение — потому что им нечем работать. Сэм Кригман, соавтор статьи «Kinematic self-replication in reconfigurable organisms» указывает, что, вооружившись суперкомпьютером Advanced Computing Core из Вермонтского университета, ему с коллегами удалось протестировать в виде симуляции миллиарды конфигураций для ксенобота, который мог бы размножаться. Спустя несколько месяцев, машина предложила пакман-подобную форму (с одним разрезом), так как она позволяет захватывать мелкие частицы для сборки потомства, но при этом почти не нарушает устойчивость самого ксенобота при движении и не даёт ему развалиться.

Другой важный фактор — размер. Оказывается, ксенобот может достичь диаметра лишь около 1 мм. Если он становится крупнее, то, во-первых, энергии жгутиков не хватает, чтобы приводить его в движение, во-вторых, в центральной части ксенобота начинается кислородное голодание. Вероятно, этот предел можно было бы увеличить, если выполнить поверхность ксенобота узором в виде треугольника Серпинского, покрыв его дыхательными устьицами:

Здесь добавлю ссылку на статью уважаемого Ильи Плешкова @MrPIS в которой приведён код для программирования подобных фракталов. Особенно мне понравилась следующая иллюстрация  из его статьи:

напоминающая результат работы эволюционного алгоритма по проектированию ксеноботов (рис. 3H из этого источника)

Антроботы

Описанные исследования были продолжены в университете Тафтса под руководством Майкла Левина при активном участии его аспирантки Гизем Гумуская. В 2023 году они подготовили статью «Motile Living Biobots Self-Construct from Adult HumanSomatic Progenitor Seed Cells», опубликованную в журнале «Advanced Science». Клеточные культуры, напоминающие ксеноботов, удалось вырастить in vitro из различных человеческих тканей, в частности, нейронов.  Антробот ведёт себя как и ксенобот, но в данном случае собирает себя из того же материала, из которого состоят нервные клетки, то есть, стимулирует рост нейронов. Из нервной ткани удалось собрать целые кластеры антроботов, условно именуемые «супербот»; в них не возникает кислородного голодания, поскольку такой конгломерат очень тонкий.

Аналогичная культура была получена из клеток слизистой человеческой трахеи. Подобно ксеноботам, антроботы также живут от нескольких часов до пары дней, но не отторгаются организмом и могут временно функционировать вместо полноценных соматических клеток.

Одно из перспективных направлений развития антроботов связано с подавлением аутоиммунных реакций с постепенной заменой источника воспаления на «исправные» клетки, выращенные из здоровой клеточной культуры пациента. Также рои антроботов могли бы облегчать приживление новой ткани при пересадке органа или трансплантации кожи. Вероятно, одним из важнейших условий «переоборудования» клеток в антроботы является возможность отращивать жгутики, которая возникает у клеток спонтанно, если в составе животной ткани у них есть выросты, напоминающие реснички. Именно таковы клетки, выстилающие внутреннюю поверхность трахеи.

С точки зрения Гумуская, которая считается автором продвинутых антроботов, наиболее перспективны исследования в области антроботов-нейронов. Нейронные антроботы легко образуют связи друг с другом, строят новых антроботов в том числе из взрослых нейронов, взятых у человека. При этом сами они не размножаются, а работают только с имеющимся клеточным материалом, механически собирая «заплатки» и «мостики» в повреждённой ткани. Учитывая, что нейроны не делятся, этот механизм кажется жизнеспособным средством против нейродегенеративных заболеваний; при этом он практически исключает мутации и злокачественные новообразования (по крайней мере, в лабораторных условиях они не наблюдаются).    

Заключение

Потенциал описанных здесь находок кажется труднопрогнозируемым и очень широким. Такие абстрактные вещи как «клеточный автомат» и «серая слизь» всего за пару лет превратились в реальность, но не в нанотехнологии, а в биотехнологии (или на их стыке)? Возможно, мы действительно открыли такой вариант многоклеточности, который мог бы привести к возникновению жизни без участия ДНК и без какой-либо наследственности. Пока ксеноботы живут недолго и остаются просто строительным биоматериалом, они не эволюционируют и могут считаться безопасными. Могут ли они при этом считаться неживыми? Надеюсь увидеть ваше мнение в комментариях — кстати, дискуссия на эту тему нашлась на Reddit.