Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Ученые создали программируемых биороботов из живых лягушачьих клеток

Sam Kriegman et al. / PNAS, 2020

Американские ученые представили метод для создания небольших биороботов из живых клеток. Существа создаются в два шага: сперва программируется модель со всеми свойствами, после чего ее воссоздают из клеток лягушачьего эмбриона в чашке Петри. Для создания биороботов размером в один миллиметр использовались клетки гладкой шпорцевой лягушки (Xenopus laevis): самих существ, поэтому, назвали ксеноботами. Ксеноботы двигаются в определенном направлении, а в будущем смогут, например, заменить миниатюрных роботов для доставки лекарств в организм человека или помогут собирать мусор в океане, пишут ученые в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Сейчас роботов создают из самых разных материалов в зависимости от той задачи, которую им нужно выполнить. Нередко, например, от робота требуется определенная гибкость, для чего используются мягкие актуаторы и само тело робота. При этом части роботов также можно создавать и из биоматериалов: например, мышечных клеток или нейронов. 

Однако создание биороботов имеет ряд ограничений. Например, они редко обходятся без синтетических частей (например, «тело» робота из мышц и нейронов — полимерная подложка), а также их не так просто программировать и затем воссоздавать.

Сэм Кригман (Sam Kriegman) из Вермонтского университета и его коллеги решили автоматизировать процесс создания живых биороботов с помощью эволюционного алгоритма. Их алгоритм создает существ из двух типов клеток, взятых из бластулы гладкой шпорцевой лягушки. Первый тип клеток — статичный, вторые клетки могут сокращаться, а в самом алгоритме они представлены в виде вокселей.

Цель эволюционного алгоритма — определить такую конфигурацию существа, при которой оно сможет эффективнее всего двигаться вперед. Для этого он создает популяцию случайных существ, а затем отбрасывает тех, кому не хватило сокращающихся кубиков для того, чтобы преодолеть максимальное расстояние за 10 секунд при сокращении в 2 герца. Например, очевидно, что существо в виде кубика, в котором только один из вокселей оставлен под сокращающуюся клетку, отбор эволюционного организма не пройдет.

После этого на основании модели создается само существо. Из эмбрионов лягушки выделяются индуцированные стволовые клетки, которые в самом организме используются как статичные. Само существо (размером примерно в миллиметр) создается вручную (ученые утверждают, что им удалось добиться «биологически приближенной» формы по сравнению с созданной алгоритмом), после чего к телу добавляются сердечные прогениторные клетки, из которых затем формируются сокращающиеся кардиомиоциты.


Пока что организмы достаточно просты, а также не автоматизирован сам процесс их создания, так как делать их приходится вручную. Авторы, однако, отмечают, что способность к движению ксеноботов позволит им переносить и другие объекты: их, например, можно будет применять для доставки лекарств, избавления сосудов от тромбов и переноса мусора в океане. Кроме того, они отметили, что несколько таких организмов смогут действовать сообща и перемещаться в группах.

Для создания биороботов иногда используют изначально автономные живые организмы — например, животных. Так, в 2017 году ученые прикрепили к черепахе управляемый ее движениями механизм и отправили в плавание.

Елизавета Ивтушок

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.