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 桔梗的夏天 发表于: 2021-7-9 17:42:01|显示全部楼层|阅读模式

[2021年] 生物机器人,不只是机器人那么简单

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源自:新浪科技综合
源自:十点科学

  生物机器人,不仅可以给癌细胞送药,还能清除海洋微塑料,更可能为多细胞生物起源提供启示。
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活细胞机器人。|
源自:Douglas Blackiston

  作者|汤波分子生物学博士
  编辑|陈天真
  说到机器人,你想到的大概是有着金属身体,由计算机程序给出指令、自动执行任务的智能机器。不过,科学家正在利用DNA、细胞创造出一些“生物机器人”,它们可以在生物体中自动执行一些特殊任务,比如给癌细胞送药、清除体内微塑料等。
  例如,用青蛙细胞创造出的一种名为“xenobots”
  的生物机器人,乍一看像是变形虫之类微小的水生生物,一会儿绕着什么东西转圈,一会儿来回巡逻,放佛在寻找什么。
  与金属和塑料机器人不同,它们不仅可以进行新陈代谢,受到损坏后能自我修复,还会响应彼此的存在,表现出群体行为,甚至可能为多细胞生命的起源提供新视角。
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活细胞机器人xenobots。|
源自:Douglas Blackiston,Quanta Magazine


“带货”DNA纳米机器人
  我们研究机器人,最主要目的是让它们自动完成一些任务。对于生物机器人而言,最主要的一个用途就是“带货”,比如给癌细胞带点药,让它们稀里糊涂被毒死。
  可是要怎么制造生物机器人呢?科学家首先瞄上了DNA。
  DNA具有自我折叠的特性,可以像玩折纸游戏一样,自行折叠和组装成形状各异的二维图案或三维空间结构,如五角星、笑脸、美洲地图以及立方体等,被认为是理想的带药载体。
  2012年,哈佛医学院的遗传学家乔治·丘奇(George Church)教授带领两位博士,首次完成DNA给药机器人的概念设计。他们经过精确模拟计算,将一段7300多个碱基对的长单链DNA和近200个碱基对的短单链DNA组装成一个六边形的DNA纳米管,管腔内可以搭载一些蛋白和其他药物分子。
  DNA纳米管可以识别特定的细胞表面抗原,从而准确找到并结合到癌细胞上,然后自动开启表面的分子开关,将封闭的纳米管打开,释放出搭载的药物分子,直接杀死癌细胞,甚至让癌细胞自杀
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六边形DNA纳米管。|
源自:Science

  2018年,DNA纳米机器人的实际抗癌效果在动物体内实验中得到验证。在《自然生物技术》杂志发表的一项研究中,DNA纳米机器人携带着凝血酶(血液中重要的凝血因子,可形成血栓)进入小鼠的肿瘤组织,结果在肿瘤组织内形成血栓,导致肿瘤细胞无法得到足够的养分而生长停滞,甚至被活活饿死。
  之后,研究人员在巴马小香猪体内观察到类似情况,证明DNA纳米机器人有望成为癌症治疗的新武器。

活细胞机器人也能带货?
  之所以选择DNA机器人带药,主要是因为DNA具有生物相容性且容易降解,也就是说DNA机器人既能精准“带药”,又不会给身体惹麻烦。
  既然DNA可以,活的细胞是不是也可以呢?生物学家又想到让细胞组团来带货。
  2020年初,计算机科学家约书亚·邦加德(Josh Bongard)与生物学家迈克尔·莱文(Michael Levin)合作,利用100%的非洲爪蟾细胞,创造出一种可编程、可自主移动、可降解的活细胞机器人,将其命名为xenobots(爪蟾拉丁名“Xenopus laevis”和机器人“robots”两个词的结合),研究成果发表在《美国科学院院报》上。
  首先,计算机专家借助超级计算机开发出一种复杂的进化算法,来设计机器人模型。他们模拟出非洲爪蟾的皮肤和心肌细胞的最佳组装方案,希望这些细胞能自主移动,甚至自动修复。接下来,生物学家从非洲爪蟾胚胎中分离出干细胞,让干细胞进一步分化成皮肤细胞和心肌细胞。
  根据超级计算机设计的机器人模型,研究人员将皮肤细胞放在上层,将有运动能力的心肌细胞放在下层,中间则可设计成“口袋”,以便于携带药物。
  根据不同设计,这种活细胞机器人不仅能直线运动,还会绕圈运动,也可负重前行,具备递送药物或其他医用材料的潜力。
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利用非洲爪蟾的皮肤和心肌细胞组装而成的活细胞机器人xenobots。|
源自:Douglas Blackiston and Sam Kriegman

  一年之后,研究人员再次改进这种活细胞机器人,推出了xenobots 2.0。相关成果发表在2021年3月21日的《科学-机器人》杂志上。相比xenobots 1.0,xenobots 2.0主要具备六个新特点:
  一是只需一种细胞。新的设计只用到一种细胞,即非洲爪蟾的皮肤细胞,抛弃了原来充当动力的心肌细胞。因为细胞种类更少,引发机体免疫排斥反应也会越小。
  二是可自动组装。由于单个细胞具有喜欢“抱团”的特点,可以实现单细胞自动组装,不再需要进行人工组装。
  三是运动速度更快。既然没有心肌细胞,那么细胞团的动力来自哪里呢?原来非洲爪蟾皮肤上皮细胞表面能长出纤毛,可以以特定方式来回移动或旋转,为细胞机器人提供动力,速度甚至超过原来的心肌细胞。
  四是存活时间更长。第一版细胞机器人大约只能存活1周左右,但是给这些细胞添加特殊的营养素后,可以存活超过90天。
  五是具有自动修复能力。新的细胞机器人即使被剪成两半也能重新“抱团”,大概在5分钟内即可恢复原有形状并继续工作,这点可能是金属机器人、塑料机器人甚至是DNA机器人都无法比拟的。
  六是具有记忆能力。研究人员通过荧光蛋白来检测细胞机器人是否具有记忆力,荧光蛋白大多数时候是发绿光,只有在波长390纳米的蓝光照射下,荧光蛋白会发红色荧光。当研究人员让10个细胞机器人在390纳米蓝光照射点附近活动,结果有3个细胞机器人发出红光,而其他机器人则仍然保留绿色,表明这3个细胞机器人曾经游进过蓝光区域。
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细胞机器人即使被剪成两半,也能迅速自我修复。|
源自:Douglas Blackiston and Sam Kriegman


不止于机器人
  之所以将这些微小的细胞团称为机器人,是因为它们能根据提前设定的程序,以固定的形状、固定的运动方式,去完成特定的任务,如同常见的金属机器人那样。
  在小范围的模拟实验中,研究人员发现,新版细胞机器人比旧版细胞机器人能更快更好地完成碎片收集任务,覆盖更大的面积,还能穿过狭窄的毛细血管。所以除了带药,研究人员还想让这种细胞机器人充当清洁工。例如,可以通过编程将细胞机器人释放到海洋中,吸附微塑料颗粒,为清除海洋中的塑料污染提供一种更简便的方法。
  虽然活细胞机器人有这么多实际用途,但关于活细胞机器人本身,仍有很多问题有待解答。例如,单个细胞为什么喜欢聚集成团?细胞如何知道要组装成多大规模然后停止?细胞机器人中成百上千个细胞如何协同一致工作?细胞机器人被切割后可自我修复,之后会不会自我繁殖,甚至进化成有机体?
  这些问题的解答,将为我们理解一些生物如何进行自我修复提供启发,更可能为研究多细胞生物的起源和演化提供新视角。通过创造活细胞机器人来反思生命本身的奥秘,或许才是活细胞机器人带给我们更大的惊喜。
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