مهروماه

یک کتاب از چوب ساخته شده است. اما درخت نیست. سلولهای مرده برای تأمین نیاز دیگر مورد استفاده مجدد قرار گرفته اند.

اکنون تیمی از دانشمندان سلولهای زنده را که از جنین های قورباغه خراشیده شده اند ، دوباره استفاده کرده و آنها را به شکل های کاملاً جدید زندگی جمع کرده اند. این "xenobots" های عرض میلی متر می توانند به سمت هدف حرکت کنند ، ممکن است محموله ای را تحویل بگیرند (مانند دارویی که باید به یک مکان خاص در داخل بیمار منتقل شود) - و بعد از برش خود بهبود می یابند.

جوشوا بونگارد ، دانشمند کامپیوتر و متخصص رباتیک در دانشگاه ورمونت ، که همکاری تحقیق جدید را بر عهده داشت ، می گوید: "اینها ماشین های زنده جدیدی هستند." "آنها نه یک ربات سنتی هستند و نه یک گونه شناخته شده از حیوانات. این یک کلاس جدید از مصنوعات است: یک ارگانیسم زنده و قابل برنامه ریزی. "

موجودات جدید بر روی یک ابر رایانه در UVM طراحی شده اند - و سپس توسط زیست شناسان در دانشگاه تافتس مونتاژ و آزمایش شده است. مایکل لوین ، مدیر ارشد مرکز زیست شناسی احیا و رشد در Tufts ، می گوید: "ما می توانیم بسیاری از کاربردهای مفید این ربات های زنده را تصور کنیم که ماشین های دیگر قادر به انجام آنها نیستند" ، در اقیانوس ها ، در رگ ها برای پاک کردن پلاک ها سفر می کنند. "

نتایج تحقیقات جدید در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم منتشر شده است.

سیستم های زندگی BESPOKE

حداقل از طلوع کشاورزی ، ویرایش های ژنتیکی در حال گسترش است و چند موجود زنده مصنوعی در چند سال گذشته به صورت دستی مونتاژ شده اند - کپی کردن اشکال بدن حیوانات شناخته شده ، مردم ارگانیسم ها را به سود انسان دستکاری می کنند.

تیم تحقیق در مطالعه جدید خود نوشت ، اما این تحقیق برای اولین بار "ماشینهای کاملاً بیولوژیکی را از ابتدا طراحی می کند".

با ماهها پردازش در خوشه ابر رایانه Deep Green در UVM’s Vermont (هسته محاسبات پیشرفته UVM’s Vermont) ، این تیم ، از جمله نویسنده اصلی و دانشجوی دکترای Sam Kriegman ، از یک الگوریتم تکاملی برای ایجاد هزاران طرح کاندیدا برای شکل های جدید زندگی استفاده کردند. تلاش برای دستیابی به وظیفه ای که دانشمندان تعیین کرده اند - مانند حرکت در یک جهت - کامپیوتر ، بارها و بارها ، چند صد سلول شبیه سازی شده را دوباره به شکل های بی شمار و اشکال بدن جمع می کند. با اجرای برنامه ها - با رعایت قوانین اساسی در مورد بیوفیزیک آنچه سلولهای قلبی و قلبی قورباغه می توانند انجام دهند - ارگانیسم های شبیه سازی شده موفق تری نگهداری و تصفیه می شدند ، در حالی که طراحی های ناموفق از بین می رفت. پس از صد بار اجرای مستقل الگوریتم ، امیدوار کننده ترین طرح ها برای آزمایش انتخاب شدند.

سپس تیم Tufts به سرپرستی لوین و با کار کلیدی جراح میکرو جراح داگلاس بلکیستون - طراحی های سیلیکونی را به زندگی منتقل کردند. ابتدا سلولهای بنیادی را که از جنین قورباغه های آفریقایی ، گونه Xenopus laevis برداشت شده بود ، جمع آوری کردند. (از این رو نام "xenobots.") این سلولها به سلولهای جداگانه جدا شده و برای جوجه کشی باقی مانده اند. سپس ، با استفاده از یک پنس کوچک و یک الکترود حتی ریزتر ، سلول ها برش داده شده و در زیر میکروسکوپ به هم نزدیک شدند تا از طراحی های مشخص شده توسط رایانه تقریبآ استفاده کنند.

سلول ها به شکل های بدنی که هرگز در طبیعت دیده نمی شوند ، جمع شده و شروع به کار با یکدیگر می کنند. سلولهای پوستی معماری منفعل تری را ایجاد کردند ، در حالی که انقباضات یکبار تصادفی سلولهای عضلانی قلب برای ایجاد حرکت مرتب به جلو و بر اساس طراحی رایانه و با کمک الگوهای خود سازماندهی خود به خودی به کار می روند - به ربات ها اجازه می دهد که حرکت کنند. نشان داده شده است که این ارگانیسم های قابل تنظیم می توانند به صورت منسجم حرکت کنند و محیط آبکی خود را برای روزها یا هفته ها و با ذخیره انرژی جنینی کشف کنند. با این حال روی گردان شدند ، مانند آزمایشات در مورد سوسک هایی که به پشت برمی گشتند ، شکست خوردند.

آزمایش های بعدی نشان داد که گروه هایی از xenobots به صورت دایره ای حرکت می کنند و گلوله ها را به صورت خودجوش و جمعی به یک مکان مرکزی هل می دهند. برخی دیگر با سوراخ از طریق مرکز ساخته شده اند تا کشش را کاهش دهند. در نسخه های شبیه سازی شده این ، دانشمندان توانستند این سوراخ را به عنوان کیسه برای حمل موفقیت آمیز یک جسم مورد استفاده مجدد قرار دهند. بونگارد ، استاد بخش علوم کامپیوتر و مرکز سیستم های پیچیده UVM می گوید: "این یک قدم به سمت استفاده از ارگانیسم های طراحی شده توسط رایانه برای تحویل هوشمند دارو است."

فن آوری های زندگی

بسیاری از فناوری ها از فولاد ، بتن یا پلاستیک ساخته شده اند. این می تواند آنها را قوی یا انعطاف پذیر کند. اما آنها همچنین می توانند مشکلات زیست محیطی و بهداشتی انسان را ایجاد کنند ، مانند آفت رو به رشد آلودگی پلاستیک در اقیانوس ها و سمیت بسیاری از مواد مصنوعی و الکترونیکی. بونگارد می گوید: "نقطه ضعف بافت زنده این است که ضعیف است و تخریب می شود."به همین دلیل ما از فولاد استفاده می کنیم. اما ارگانیسم ها 4.5 میلیارد سال تمرین دارند که خودشان را بازسازی می کنند و برای دهه ها ادامه می دهند. و هنگامی که آنها از کار دست می کشند - مرگ - آنها معمولاً بی خطر از هم می پاشد." بونگارد می گوید: "این ربات ها کاملاً قابل تجزیه هستند" ، بعد از هفت روز که کارشان تمام شد ، سلولهای پوستی مرده هستند.

لپ تاپ شما یک فناوری قدرتمند است. اما سعی کنید آنرا از وسط نصف کنید. خیلی خوب کار نمی کند در آزمایش های جدید ، دانشمندان زنوبات ها را بریدند و اتفاقات را مشاهده کردند. بونگارد می گوید: "ما تقریباً ربات را از وسط نصف کردیم و خودش به پشت بخیه زده و ادامه می دهد." "و این چیزی است که شما نمی توانید با ماشین های معمولی انجام دهید."

شکستن کد

لوین و بونگارد می گویند پتانسیل آنچه که آنها در مورد نحوه ارتباط و اتصال سلول ها آموخته اند ، عمیق در علوم محاسباتی و درک ما از زندگی گسترش می یابد. لوین می گوید: "سوال مهم در زیست شناسی ، درک الگوریتم هایی است که شکل و عملکرد را تعیین می کنند." "این ژنوم پروتئین ها را رمزگذاری می کند ، اما برنامه های دگرگون کننده منتظر کشف ما هستند که چگونه این سخت افزار سلول ها را قادر می سازد تا برای ایجاد آناتومی عملکردی تحت شرایط بسیار متفاوت همکاری کنند."

برای ایجاد و فعالیت یک ارگانیسم ، اشتراک و همکاری اطلاعات زیادی وجود دارد ( محاسبات آلی ) بطور مداوم در سلولها و بین آنها ، نه فقط در سلولهای عصبی. لوین می گوید ، این خصوصیات هندسی و بوجود آمده بوسیله فرایندهای بیوالکتریک ، بیوشیمیایی و بیومکانیکی شکل می گیرد که "بر روی سخت افزارهای مشخص شده توسط DNA کار می کنند" و این فرایندها قابل تنظیم هستند و فرم های جدید زندگی را امکان پذیر می کنند.

دانشمندان کار ارائه شده در مطالعه جدید PNAS خود را - یک خط لوله قابل توسعه برای طراحی موجودات قابل تنظیم - به عنوان یک مرحله در استفاده از بینش در مورد این کد بیوالکتریک برای زیست شناسی و علوم کامپیوتر می دانند.

"چه چیزی در واقع آناتومی سلولهایی را برای همکاری تعیین می کند؟" لوین می پرسد. "شما به سلولهایی نگاه می کنید که ما xenobots خود را با آنها ساخته ایم و از نظر ژنتیکی ، آنها قورباغه هستند. این 100٪ DNA قورباغه است - اما اینها قورباغه نیستند. سپس شما می پرسید ، خوب ، این سلول ها قادر به ساخت چه چیزهای دیگری هستند؟ "

لوین می گوید: "همانطور که نشان دادیم ، می توان این سلولهای قورباغه ای را شکل داد و شکلهای جالب توجهی را ایجاد کرد که کاملاً متفاوت از آناتومی پیش فرض آنهاست." او و دانشمندان دیگر در تیم UVM و Tufts - با پشتیبانی برنامه DARPA's Lifelong Learning Machines و بنیاد ملی علوم - معتقدند که ساختن xenobots یک قدم کوچک در جهت شکستن آنچه او "کد مورفوژنتیک" می نامد ، ارائه یک دید عمیق تر است. از روش کلی سازماندهی ارگانیسم ها و نحوه محاسبه و ذخیره اطلاعات بر اساس تاریخ و محیط زیست.

شوک های آینده

بسیاری از مردم نگران پیامدهای تغییرات سریع فن آوری و دستکاری های پیچیده بیولوژیکی هستند. لوین می گوید: "این ترس غیر منطقی نیست." "هنگامی که ما شروع به خرابکاری با سیستم های پیچیده ای می کنیم که درک نمی کنیم ، عواقب ناخواسته ای خواهیم داشت." بسیاری از سیستم های پیچیده ، مانند کلنی مورچه ها ، با یک واحد ساده - یک مورچه - شروع می شوند ، که پیش بینی شکل کلنی آنها یا اینکه چگونه می توانند با اجسام به هم پیوسته خود بر روی آب پل بسازند غیرممکن است.

لوین می گوید: "اگر بشریت قرار است در آینده زنده بماند ، باید بهتر بفهمیم كه چگونه خصوصیات پیچیده به نوعی از قوانین ساده بیرون می آیند." بیشتر علم بر "کنترل قوانین سطح پایین" متمرکز است. ما همچنین باید قوانین سطح بالا را درک کنیم. " "اگر مورچه ای را به جای یک دودکش می خواستید ، چگونه مورچه ها را اصلاح می کنید؟ ما هیچ ایده ای نداریم. " شاید در حال حاضر در فیلم ها چنین چیزی را مشاهده کنیم. 

لوین می گوید: "من فکر می کنم این یک ضرورت مطلق است که جامعه در آینده بتواند از سیستم هایی که نتیجه آن بسیار پیچیده است ، بهتر استفاده کند." "اولین قدم برای انجام این کار کاوش است: سیستم های زندگی چگونه تصمیم می گیرند که یک رفتار کلی باید باشد و چگونه قطعات را دستکاری می کنیم تا رفتارهای مورد نظر خود را بدست آوریم؟"

به عبارت دیگر ، "این مطالعه کمک مستقیمی در دستیابی به آنچه مردم از آن می ترسند ، که عواقب ناخواسته ای است ،" لوین می گوید - چه در ورود سریع اتومبیل های خودران ، تغییر درایوهای ژن برای از بین بردن کل نسب ویروس ها یا بسیاری از سیستم های پیچیده و خودمختار دیگر که به طور فزاینده ای تجربه انسان را شکل می دهند.

جوش بونگارد از UVM می گوید: "تمام این خلاقیت ذاتی در زندگی وجود دارد." "ما می خواهیم این موضوع را عمیق تر درک کنیم - و اینکه چگونه می توانیم آن را به سمت اشکال جدید هدایت کنیم و فشار دهیم."