生物機器人為多細胞生物起源帶來啟發(fā)

生物機器人，不僅可以給癌細胞送藥，還能清除海洋微塑料，更可能為多細胞生物起源提供啟示。

說到機器人，你想到的大概是有著金屬身體，由計算機程序給出指令、自動執(zhí)行任務(wù)的智能機器。不過，科學家正在利用DNA、細胞創(chuàng)造出一些“生物機器人”，它們可以在生物體中自動執(zhí)行一些特殊任務(wù)，比如給癌細胞送藥、清除體內(nèi)微塑料等。

例如，用青蛙細胞創(chuàng)造出的一種名為“xenobots”的生物機器人，乍一看像是變形蟲之類微小的水生生物，一會兒繞著什么東西轉(zhuǎn)圈，一會兒來回巡邏，仿佛在尋找什么。

與金屬和塑料機器人不同，它們不僅可以進行新陳代謝，受到損壞后能自我修復，還會響應彼此的存在，表現(xiàn)出群體行為，甚至可能為多細胞生命的起源提供新視角。

“帶貨”DNA納米機器人

我們研究機器人，最主要目的是讓它們自動完成一些任務(wù)。對于生物機器人而言，最主要的一個用途就是“帶貨”，比如給癌細胞帶點藥，讓它們稀里糊涂被毒死。

可是要怎么制造生物機器人呢？科學家首先瞄上了DNA。

DNA具有自我折疊的特性，可以像玩折紙游戲一樣，自行折疊和組裝成形狀各異的二維圖案或三維空間結(jié)構(gòu)，如五角星、笑臉、美洲地圖以及立方體等，被認為是理想的帶藥載體。

2012年，哈佛醫(yī)學院的遺傳學家喬治·丘奇（George Church）教授帶領(lǐng)兩位博士，首次完成DNA給藥機器人的概念設(shè)計。他們經(jīng)過精確模擬計算，將一段7300多個堿基對的長單鏈DNA和近200個堿基對的短單鏈DNA組裝成一個六邊形的DNA納米管，管腔內(nèi)可以搭載一些蛋白和其他藥物分子。

DNA納米管可以識別特定的細胞表面抗原，從而準確找到并結(jié)合到癌細胞上，然后自動開啟表面的分子開關(guān)，將封閉的納米管打開，釋放出搭載的藥物分子，直接殺死癌細胞，甚至讓癌細胞自殺。

2018年，DNA納米機器人的實際抗癌效果在動物體內(nèi)實驗中得到驗證。在一項研究中，DNA納米機器人攜帶著凝血酶（血液中重要的凝血因子，可形成血栓）進入小鼠的腫瘤組織，結(jié)果在腫瘤組織內(nèi)形成血栓，導致腫瘤細胞無法得到足夠的養(yǎng)分而生長停滯，甚至被活活餓死。

之后，研究人員在巴馬小香豬體內(nèi)觀察到類似情況，證明DNA納米機器人有望成為癌癥治療的新武器。

活細胞機器人也能帶貨？

之所以選擇DNA機器人帶藥，主要是因為DNA具有生物相容性且容易降解，也就是說DNA機器人既能精準“帶藥”，又不會給身體惹麻煩。

既然DNA可以，活的細胞是不是也可以呢？生物學家又想到讓細胞組團來帶貨。

2020年初，計算機科學家約書亞·邦加德（Josh Bongard）與生物學家邁克爾·萊文（Michael Levin）合作，利用100%的非洲爪蟾細胞，創(chuàng)造出一種可編程、可自主移動、可降解的活細胞機器人，將其命名為xenobots（爪蟾拉丁名“Xenopus laevis”和機器人“robots”兩個詞的結(jié)合）。

首先，計算機專家借助超級計算機開發(fā)出一種復雜的進化算法，來設(shè)計機器人模型。他們模擬出非洲爪蟾的皮膚和心肌細胞的最佳組裝方案，希望這些細胞能自主移動，甚至自動修復。接下來，生物學家從非洲爪蟾胚胎中分離出干細胞，讓干細胞進一步分化成皮膚細胞和心肌細胞。

根據(jù)超級計算機設(shè)計的機器人模型，研究人員將皮膚細胞放在上層，將有運動能力的心肌細胞放在下層，中間則可設(shè)計成“口袋”，以便于攜帶藥物。

根據(jù)不同設(shè)計，這種活細胞機器人不僅能直線運動，還會繞圈運動，也可負重前行，具備遞送藥物或其他醫(yī)用材料的潛力。

一年之后，研究人員再次改進這種活細胞機器人，推出了xenobots 2.0。相比xenobots 1.0，xenobots 2.0主要具備六個新特點。

一是只需一種細胞。新的設(shè)計只用到一種細胞，即非洲爪蟾的皮膚細胞，拋棄了原來充當動力的心肌細胞。這是因為細胞種類越少，引發(fā)機體免疫排斥反應也會越小。

二是可自動組裝。由于單個細胞具有喜歡“抱團”的特點，可以實現(xiàn)單細胞自動組裝，不再需要進行人工組裝。

三是運動速度更快。既然沒有心肌細胞，那么細胞團的動力來自哪里呢？原來非洲爪蟾皮膚上皮細胞表面能長出纖毛，可以以特定方式來回移動或旋轉(zhuǎn)，為細胞機器人提供動力，速度甚至超過原來的心肌細胞。

四是存活時間更長。第一版細胞機器人大約只能存活1周左右，但是給這些細胞添加特殊的營養(yǎng)素后，可以存活超過90天。

五是具有自動修復能力。新的細胞機器人即使被剪成兩半也能重新“抱團”，大概在5分鐘內(nèi)即可恢復原有形狀并繼續(xù)工作，這點可能是金屬機器人、塑料機器人甚至是DNA機器人都無法比擬的。

六是具有記憶能力。研究人員通過熒光蛋白來檢測細胞機器人是否具有記憶力，熒光蛋白大多數(shù)時候是發(fā)綠光，只有在波長390納米的藍光照射下，熒光蛋白會發(fā)紅色熒光。當研究人員讓10個細胞機器人在390納米藍光照射點附近活動，結(jié)果有3個細胞機器人發(fā)出紅光，而其他機器人則仍然保留綠色，表明這3個細胞機器人曾經(jīng)游進過藍光區(qū)域。

不止于機器人

之所以將這些微小的細胞團稱為機器人，是因為它們能根據(jù)提前設(shè)定好的程序，以固定的形狀、固定的運動方式，去完成特定的任務(wù)，如同常見的金屬機器人那樣。

在小范圍的模擬實驗中，研究人員發(fā)現(xiàn)，新版細胞機器人比舊版細胞機器人能更快更好地完成碎片收集任務(wù)，覆蓋更大的面積，還能穿過狹窄的毛細血管。所以除了帶藥，研究人員還想讓這種細胞機器人充當清潔工。例如，可以通過編程將細胞機器人釋放到海洋中，吸附微塑料顆粒，為清除海洋中的塑料污染提供一種更簡便的方法。

雖然活細胞機器人有這么多實際用途，但關(guān)于活細胞機器人本身，仍有很多問題有待解答。例如，單個細胞為什么喜歡聚集成團？細胞如何知道要組裝成多大規(guī)模然后停止？細胞機器人中成百上千個細胞如何協(xié)同一致工作？細胞機器人被切割后可自我修復，之后會不會自我繁殖，甚至進化成有機體？

這些問題的解答，將為我們理解一些生物如何進行自我修復提供啟發(fā)，更可能為研究多細胞生物的起源和演化提供新視角。通過創(chuàng)造活細胞機器人來反思生命本身的奧秘，或許才是活細胞機器人帶給我們更大的驚喜。