Биологи создали микророботов из клеток лягушек. Ксеноботы научились передвигаться по площадке, поворачивать в лабиринтах, запоминать опыт встречи с синим светом и расчищать площадку от мусора, сгребая его в кучи, а также успешно восстановились от травм. Работа опубликована в Science Robotics.
Создание маленьких роботов, которые могли бы двигаться согласованно роем, остается сложной задачей для конструкторов: трудно создать и заложить в очень маленькие устройства комплексные программы для управления подобным поведением. Альтернативное решение проблемы предлагает синтетическая биология. Маленькие живые машины могут унаследовать некоторые свойства своих природных предшественников: живые клетки сами по себе обладают большим количеством сенсоров и сигнальных путей. В клетках уже существуют биохимические, биомеханические и биоэлектрические способы коммуникации и управления, и теоретически, при разработке роботов можно использовать их, а не изобретать новые.
Создание альтернативных биологических систем – одна из целей биоробототехники. В основном силы инженеров направлены на проектирование биогибридов из синтетических каркасов и живых клеток или тканей. В таких системах команды исполняют мышцы, например, как в случае ската-киборга из мышиных кардиомиоцитов, движением которого можно управлять при помощи света. Подобная система обладает всеми преимуществами робота – синтетические компоненты можно легко моделировать и создавать с высокой точностью. Однако синтетические компоненты наследуют и традиционные недостатки, например – неспособность к регенерации. Создание полностью биологической машины позволило бы роботам, например, путешествовать в водной среде, собирать мусор, быстро излечиваться от механических повреждений и реагировать на изменения окружающей среды. Полностью биоразлагаемые роботы могли бы взять на себя задачи в медицине и экологии.
Инженеры из Университета Тафтса под руководством Майкла Левина (Michael Levin) предположили, что клетки, «освобожденные» от остального организма, будут вести себя не так, как в них заложено генетической программой по умолчанию, а демонстрировать какие-либо новые свойства. Авторы работы решили создать ксеноботов из таких клеток.
В начале исследования ученые получили стволовые клетки эмбриона лягушки Xenopus laevis. В искусственной среде клетки собрались в небольшие сферы по 3026 ± 180 штук. За четыре дня клетки в сферах дифференцировались и превратились в клетки мерцательного эпителия. Размер полностью сформировавшихся сфер составил в среднем от 487 ± 39 (у маленьких) и до 602 ± 30 (у крупных сфер) микрометров. Срок жизни сфер составил около 9-10 дней, при этом им не нужны были источники пищи: желточные пластинки, которые свойственны клеткам тканей эмбрионов лягушек, обеспечили их необходимыми ресурсами. Выращивание же сфер в питательной среде повысило продолжительность их жизни до 90 дней.
За время дифференциации клетки приобрели способность двигаться в водном растворе со скоростью более 100 микрометров в секунду. Движение стало возможным благодаря природным ресничкам клеток, которые обычно отводят различные объекты от поверхности кожи лягушек. Реснички на поверхности сфер создавали поток, который и приводил в движение всю конструкцию. При этом живые машины двигались по-разному: какие-то передвигались по прямой, какие-то на месте по кругу, некоторые двигались вперед, вращаясь. Ученые выяснили, что характер движения зависит от того, как выстроятся реснички на поверхности сфер на раннем этапе развития. Возможно, в будущем можно будет использовать этот факт и управлять поведением роботов.
Направление потоков жидкости вокруг ксенобота, визуализированное при помощи красителя кармина.
Douglas Blackiston et al. / Science Robotics, 2021
На пятый день эксперимента исследователи нанесли некоторым пятидневным ксеноботам хирургическими щипцами рваные раны шириной примерно в половину диаметра сферы. Машины сумели закрыть раны уже через пять минут и затем восстановить свою сферическую форму. На выживаемость ксеноботов это не повлияло: все успешно дошли до конца эксперимента.
Микрофотографии ксенобота до травмы, в момент получения повреждения, а также спустя 5, 10, 15 минут и 48 часов после полученной травмы.
Еще одно важное свойство, которым разработчики надеются наделить ксеноботов, – способность хранить информацию о том, что происходило с машинами в течение их жизни. В этой работе ученые внесли в клетки эмбрионов на ранней стадии развития матричную РНК, кодирующую флуоресцентный репортерный белок. Этот белок сам по себе обладает зеленой флуоресценцией. Под воздействием синего света, флуорофор белка претерпевает изменение, и цвет флуоресценции меняется на красный. Такой переключатель может случить для записи опыта ксенобота, а считывать информацию можно с помощью флуоресцентной микроскопии. Систему проверили на 10 ксеноботах, которых выпустили на площадку диаметром пять сантиметров. На одной стороне арены, в 20 миллиметрах от места высадки машин, синим светом подсветили пятно в семь миллиметров в диаметре. Ксеноботам дали два часа на исследование предоставленного им пространства, после чего источник света убрали, и площадку с ксеноботами поместили в темноту. Спустя два дня из десяти ксеноботов три продемонстрировали сильное излучение в красном спектре, а значит, они побывали в районе пятна синего света.
Также ученые проверили способность роботов перемещаться в ограниченных пространствах. Для этого исследователи сконструировали различные арены: от полностью открытых до капилляров с внутренним диаметром в 580 нанометров. Во всех случаях, ксеноботы оказались способны передвигаться в пространстве, огибать повороты и «проходить» всю длину капилляров, хотя отдельные из них и испытали некоторые сложности.
(С): в узких проходах ксеноботы двигались, придерживаясь края одного края тоннеля. (D): ксеноботы смогли пройти всю длину узкого капилляра.
(А): движение ксенобота в неограниченном пространстве (раствор окрашен кармином). (В): в широких тоннелях ксеноботы держались середины.
Douglas Blackiston et al. / Science Robotics, 2021
Напоследок, авторы проверили, смогут ли роботы двигаться согласованно. На площадки, подготовленные для ксеноботов, ученые выложили покрытые силиконом частицы оксида железа размером 5 микрометров. На протяжении 12 часов ксеноботы очищали арену от мусора, сдвигая его в кучи. При помощи компьютерного алгоритма авторы показали, что как именно группа таких машин будет передвигаться, расчищая площадку, во многом зависит от формы ксеноботов. Хирургически придавая им различные формы ксеноботам, можно будет управлять процессом. В будущем авторы работы надеются научиться управлять роем таких роботов.
