【前沿】細(xì)胞“長成”碳基機(jī)器人靠的竟是一種生命本能

《科學(xué)·機(jī)器人》日前發(fā)布的論文中介紹了一種別致的機(jī)器人：從胚胎干細(xì)胞中培養(yǎng)出來的Xenobot。在人類的控制下，它能夠游動、清掃垃圾、報告路線、穿越空間……

科幻大片《變形金剛》固化了人們對于機(jī)器人的印象，似乎只有“大家伙”“鋼鐵之軀”才能稱得上機(jī)器人。Xenobot卻完全不同，軟軟的生命體小球，同樣可以跑得很快，在人類發(fā)出指令后，自主完成指定任務(wù)。確切地說，Xenobot不是單個小球，而是由無數(shù)個小機(jī)器人組成的集群機(jī)器人?？苹米髌贰对贫藲C(jī)》中曾描述過集群機(jī)器人的設(shè)計理念和威力：通過像蟻群一樣的有機(jī)組織，集群機(jī)器人能完成令人意想不到的任務(wù)。

集群機(jī)器人的思路或許很適合活細(xì)胞。論文作者、來自塔夫茨大學(xué)的邁克·雷凌(MichaelLevin)教授團(tuán)隊認(rèn)為：活細(xì)胞已經(jīng)有許多傳感器、效應(yīng)器和信號/計算電路，它們固有的生化、生物力學(xué)、生物電通信等特性可以被重新利用，以實現(xiàn)新的功能。

如果說傳統(tǒng)機(jī)器人是硅基機(jī)器人，以生命體單元制造的機(jī)器人則可以稱為碳基機(jī)器人。小型化、集群化、利用生物本來特性的思路的碳基機(jī)器人無疑將迎來一個新的“爆發(fā)點”。

干細(xì)胞還有“沒放飛”的能力

在邁克·雷凌看來，細(xì)胞的能力并沒有被充分認(rèn)識和使用。

“人類完全可以創(chuàng)造出一臺完全生物化的機(jī)器，而不是依靠人工合成的部件來指定機(jī)器人實現(xiàn)某些功能。”邁克在論文中寫到，人們忽略了細(xì)胞的一個重要特性：細(xì)胞的自組織能力。

此前，很多科學(xué)家在細(xì)胞上花心思，讓細(xì)胞這種生命單元成為機(jī)器人的元器件。例如，用骨骼肌或心肌組織創(chuàng)造出微型生物雜交魚，讓它能夠行走和游泳;借助趨光性，讓生物雜交的黃貂魚按照需要行動……但這些設(shè)計方法都基于傳統(tǒng)機(jī)器人的思路，即借助一個具象的“器官”，通過合成元件賦予機(jī)器人移動的能力。一些具有高硬度的微米薄板、抗斷裂的細(xì)絲等人工合成的非生命材料被加入其中進(jìn)行輔助或支撐。

這就好比細(xì)胞本來是“意念超能力者”，能用意念互相傳遞信息，人們非要給它們個大喇叭，讓它們互相“喊話”再協(xié)作。

事實上，細(xì)胞間有自己的組織體系是有物質(zhì)基礎(chǔ)的。例如坐落在細(xì)胞膜的大量“受體”，它們通過接收聲、光、電、力、化學(xué)信號等各種形態(tài)的信號，將外部的情況通知到細(xì)胞內(nèi)再做反應(yīng)。

可見，人類世界的局限性限制了人類探索細(xì)胞世界的想象力。

邁克團(tuán)隊決定將這種“超能力”展現(xiàn)出來，他們選擇了爪蟾的胚胎干細(xì)胞。顯微注射的方法讓這類細(xì)胞“放衛(wèi)星”，這主要得益于科學(xué)家對胚胎干細(xì)胞“信號圖”的研究比較透徹。比如一堆細(xì)胞如何自己就組織形成了一個肝的形狀。

發(fā)育生物學(xué)長期以來一直致力于揭示基因、調(diào)控中心在驅(qū)動未分化前體細(xì)胞、組織時的級聯(lián)信號。歷史上，胚胎原生系統(tǒng)中已經(jīng)創(chuàng)建了形態(tài)學(xué)和分子命運(yùn)圖。

在前人的研究基礎(chǔ)上，課題組在爪蟾胚胎未分化的外胚層區(qū)域獲取干細(xì)胞組織，在一系列培養(yǎng)環(huán)境下，4天后，3100個左右細(xì)胞形成的小球成形了，又過了3天，這些直徑0.5毫米左右的小球得以以每秒鐘0.1毫米的速度在溶液中游動。

發(fā)動生命“原力”，碳基機(jī)器人萌發(fā)中

這樣的小球之所以被定義為機(jī)器人，原因在于它能執(zhí)行指令，自主工作。

為了讓機(jī)器人工作，研究者花費(fèi)了大量的精力。就像前面提到的，以往研究通過借助肌肉細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞、甚至非生命構(gòu)造“搭建”碳基機(jī)器人，讓它們動起來。

而這項研究表明并不需要神經(jīng)細(xì)胞和肌肉細(xì)胞，就能造出一個會工作的機(jī)器人。研究者們用一種神經(jīng)元的標(biāo)記試驗來尋找可能存在于Xenobot中的神經(jīng)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)它們的運(yùn)作里沒有神經(jīng)細(xì)胞的信號。

動力系統(tǒng)則使用了纖毛?；趯w毛產(chǎn)生的機(jī)理機(jī)制的掌握，研究者發(fā)現(xiàn)一種被稱為Notch受體的胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域(NotchICD)與纖毛產(chǎn)生的多少有關(guān)，進(jìn)而能夠控制Xenobot的多纖毛細(xì)胞的密度。

有了纖毛，Xenobot就像有了馬達(dá)帶動的螺旋槳。把它們放在均勻鋪滿氧化鐵顆粒的培養(yǎng)皿中，它們能夠一起掃過培養(yǎng)皿表面，迅速收集大量氧化鐵顆粒，進(jìn)行清理垃圾的工作。研究團(tuán)隊相信，隨著進(jìn)一步的開發(fā)，這種新型生命機(jī)器甚至可以用于清理海洋中的微塑料或土壤中的污染物。

可見，科學(xué)家們正在尋找一條對生命的“原力”善加利用、制造簡易碳基機(jī)器人的可行道路。當(dāng)然，這樣的機(jī)器人能力還只處于初級。

還有這些優(yōu)點，讓人拍手稱快

Xenobot生產(chǎn)簡單的優(yōu)勢使其在現(xiàn)實中的應(yīng)用門檻大大降低。

無需能源支持、能夠自行解體、記錄行駛路線、破“壁”出入自如……論文中Xenobot的這些優(yōu)點，令人拍手稱快。

“Xenobot不需要外部食物來源，它們代謝的是早期胚胎爪蟾組織中存在的母體原本的卵黃。”論文中寫道，它們在壽命終止時，會自行脫落并退化，最終實現(xiàn)組織解體。

通過向非洲爪蟾胚胎細(xì)胞中注入編碼熒光蛋白的mRNA，研究團(tuán)隊還實現(xiàn)了報告功能，通過Xenobot內(nèi)置的熒光開關(guān)，記錄它們的路徑。研究團(tuán)隊表示，可以利用這種分子記憶來檢測放射性污染物、化學(xué)污染物等情況。

Xenobot同樣被研究團(tuán)隊驗證可以順利地穿過很長的毛細(xì)血管。“我們在論文中報告了使用非洲爪蟾動物細(xì)胞來生成能夠在各種環(huán)境中移動的‘自動游泳機(jī)’。”論文中這樣描述。

《云端殺機(jī)》中描述了一場驚心動魄的對恐怖組織頭目的刺殺行動，由千萬級別的簡易飛機(jī)群以蜂擁而至、出奇制勝、火速撤退的步驟成功完成。

試想，如果擁有Xenobot的這些優(yōu)點，這些簡易飛機(jī)將無需自帶電源、無需搭載自爆裝置就可完成任務(wù)，信號機(jī)也無需攜帶定位裝置即可到達(dá)指定目的地。

與此同時，論文研究者認(rèn)為，生物機(jī)器人中的細(xì)胞還可以吸收和分解化學(xué)物質(zhì)，發(fā)揮微型工廠的作用。通過計算機(jī)模擬，可以為它們設(shè)計更復(fù)雜的行為，讓它們執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù)。

內(nèi)行答疑

生物機(jī)器人：實際應(yīng)用條件尚不完備

答疑專家：葉海峰(華東師范大學(xué)醫(yī)學(xué)合成生物學(xué)研究中心執(zhí)行主任、國家重點研發(fā)計劃項目首席科學(xué)家)

Q：用干細(xì)胞生產(chǎn)機(jī)器人，可行嗎?

A：通過對干細(xì)胞進(jìn)行干擾、重編程，使其產(chǎn)生全新的生物學(xué)功能，獲得機(jī)器人是完全可行的。如2018年就有研究者通過基因改造間充質(zhì)干細(xì)胞，使得其細(xì)胞表面表達(dá)可以調(diào)控的受體蛋白，從而使得生物機(jī)器人的部分部件可以受控制地結(jié)合和解離。

但是目前生物機(jī)器人距離實際應(yīng)用還有很遠(yuǎn)的距離。這一方法仍然面臨一些問題，包括該論文初步解決的如何使其進(jìn)行自組裝，如何保證細(xì)胞機(jī)器人具有運(yùn)動能力以及通過合理的設(shè)計，使其產(chǎn)生更為復(fù)雜的生物學(xué)功能，如清除體內(nèi)“毒素”，檢測細(xì)胞癌變并發(fā)出信號等。

總之，生物機(jī)器人應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)或環(huán)境監(jiān)測還需要走很長的路。該文章中闡述的生物機(jī)器人的運(yùn)動是不受控制的，所以這些機(jī)器人到底運(yùn)動到了哪里，能不能到達(dá)預(yù)期的地點也是個問題。

Q：論文中的一些成果來自計算機(jī)模擬，計算機(jī)模擬在研究中起到什么作用?

A：該論文之所以用計算機(jī)模擬細(xì)胞的運(yùn)動，是因為納米機(jī)器人在微環(huán)境中的運(yùn)動方式和宏觀世界中有很大區(qū)別。同時該機(jī)器人的形狀，以及細(xì)胞的數(shù)量等對機(jī)器人在特定液體環(huán)境中的運(yùn)動都有很大影響，所以會用計算機(jī)模擬每種機(jī)器人的形狀或者細(xì)胞數(shù)量等變量在不同的組合方式下，該機(jī)器人會以什么樣的方式運(yùn)動。有了這些計算機(jī)的模擬基礎(chǔ)，研究人員才可以更好地設(shè)計編程機(jī)器人。

在實驗前，利用計算機(jī)模擬細(xì)胞行動極大地降低研究人員的工作量，并為研究人員提供了可行性高的設(shè)計方案。合成生物學(xué)在研究前并不是都需要模擬，但要根據(jù)已有的生物學(xué)知識，進(jìn)行合理的組裝、設(shè)計并預(yù)測其可能的行為。計算機(jī)模擬能按照我們預(yù)期的方向提供科學(xué)的方案。(記者 張佳星)

關(guān)鍵詞： 細(xì)胞 碳基機(jī)器人 生命本能