ساخت ربات‌ زنده به کمک سلول‌های قورباغه

گروهی از دانشمندان، سلول‌های زنده‌ای را از رویان‌های قورباغه جدا کرده و تغییر کاربری دادند و آن‌ها را به اشکال زنده‌ی کاملا جدیدی درآوردند. این زنوبات‌ها که اندازه‌ی آن‌ها به یک میلی‌متر می‌رسد، می‌توانند به‌سمت هدف حرکت کنند، باری را حمل کنند (مانند داروهایی که باید به محل خاصی از بدن بیمار تحویل داده شود) و پس از بریده شدن خود را ترمیم کنند. جوشوا بونگارد، دانشمند علوم کامپیوتر و کارشناس رباتیک دانشگاه ورمونت و یکی از نویسندگان مقاله می‌گوید:

این‌ها ماشین‌های زنده جدیدی هستند. آن‌ها نه یک ربات معمولی بوده و نه گونه‌ی شناخته‌شده‌ای از حیوانات بلکه کلاس جدیدی از مصنوعات هستند: یک موجود زنده‌ی قابل برنامه‌ریزی.

موجودات جدید روی ابرکامپیوتری در دانشگاه ورمونت طراحی شده و سپس به‌وسیله‌ی زیست‌شناسان دانشگاه تافتس مونتاژ و مورد آزمایش قرار گرفتند. مایکل لوین که هدایت مرکز زیست‌شناسی ترمیمی و توسعه‌ای دانشگاه تافتس را برعهده دارد، می‌گوید:

شما می‌توانید کاربردهای بسیار مفیدی را از این ربات‌های زنده تصور کنید که ماشین‌های دیگر فاقد آن هستند. کارهایی مانند جستجوی ترکیبات شیمیایی خطرناک یا آلودگی‌های رادیواکتیو، جمع‌آوری میکروپلاستیک‌ها در اقیانوس‌ها و حرکت در سرخرگ‌ها برای جدا کردن پلاک‌ها.

نتایج پژوهش جدید در مجله‌ی Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شده است.

انسان‌ها حداقل از زمان آغاز کشاورزی، درحال دستکاری موجودات زنده بوده‌اند. ویرایش ژنتیکی درحال گسترش است و و با تقلید از اشکال موجودات زنده، موجودات مصنوعی متعددی در سال‌های گذشته طراحی شده‌اند. اما به‌گفته‌ی پژوهشگران مطالعه‌ی جدید، در این پژوهش برای نخستین‌بار، ماشین‌های کاملا بیولوژیکی از ابتدا طراحی شده است.

پژوهشگران از الگوریتم تکاملی در ایجاد هزاران طرح کاندیدا برای اشکال جدید حیات استفاده کردند. در تلاش برای دستیابی به وظیفه‌ی تعیین‌شده ازسوی دانشمندان، مانند حرکت در یک جهت، کامپیوتر بارها و بارها چند صد سلول شبیه‌سازی شده را به اشکال مختلفی درآورد. همان‌طور که برنامه براساس قوانین پایه‌ی بیوفیزیک موجود در سلول‌های پوست و قلب قورباغه اجرا می‌شد، ارگانیسم‌هایی که با بیشترین موفقیت شبیه‌سازی شده بودند، حفظ و اصلاح شدند و طرح‌های ناموفق کنار گذاشته شدند. پس از صد اجرای مستقل الگوریتم، امیدوارکننده‌ترین طرح‌ها برای آزمایش انتخاب شدند. سپس گروه تافتس تحت هدایت لوین و با همکاری دونالد بلکستون، طرح‌های سیلیکونی را به حیات تعبیر کردند.

پژوهشگران ابتدا سلول‌های بنیادی را از رویان‌ قورباغه‌ی آفریقایی پنجه‌دار (Xenopus laevis) جمع‌آوری کردند (به همین علت این ربات، زنوبات نامیده شد) و سپس سلول‌ها از هم جدا کرده و در انکوباسیون قرار دادند. سپس با استفاده از انبرک و الکترود بسیار ریزی، سلول‌ها را برش داده و براساس طرح‌های مشخص‌شده به‌وسیله‌ی کامپیوتر، زیر میکروسکوپ به هم وصل شدند. سلول‌ها به اشکالی درآمدند که پیش از این هرگز در طبیعت دیده نشده بود و شروع به کار کردند.

سلول‌های پوستی، معماری منفعل‌تری حاصل می‌کنند، درحالی‌که خاصیت انقباضی سلول‌های ماهیچه‌ی قلب به ربات قدرت حرکت می‌دهد. این موجودات قابل تنظیم می‌توانستند به روشی منسجم حرکت کنند و به‌کمک ذخیره‌ی انرژی رویانی برای روزها یا هفته‌ها به اکتشاف محیط آبی خود مشغول شوند. البته هنگام بازگشت موفق نبوده و همچون سوسک به پشت می‌افتادند. آزمایش‌های بعدی نشان داد که زنوبات‌‌ها دایره‌وار حرکت می‌کنند و قرص‌ها را به‌سمت یک موقعیت مرکزی هل می‌دهند. در برخی دیگر، حفره‌ای تعبیه شده بود. در نسخه‌های شبیه‌سازی شده، دانشمندان توانستند از این حفره به‌عنوان محلی برای حمل یک ماده استفاده کنند. بونگارد، استاد گروه علوم کامپیوتر و مرکز سیستم‌های پیچیده دانشگاه ورمونت می‌گوید:

این گامی به‌سوی استفاده از ارگانیسم‌های طراحی‌شده به‌وسیله‌ی کامپیوتر برای تحویل هوشمند دارو است.

در بسیاری از فناوری‌ها از فولاد، بتون یا پلاستیک استفاده می‌شود. این امر موجب قدرت یا انعطاف‌پذیری آن‌ها می‌شود اما در عین حال مشکلات سلامتی و اکولوژیکی نظیر افزایش آلودگی پلاستیکی اقیانوس‌ها و سمیت حاصل از مواد مصنوعی و الکترونیکی را نیز به‌همراه دارد. بونگارد می‌گوید:

نقطه‌ی ضعف بافت‌های زنده آن است که ضعیف بوده و تخریب می‌شوند. به‌همین خاطر است که ما از فولاد استفاده می‌کنیم، اما ارگانیسم‌ها ۴/۵ میلیارد سال است که به بازیابی و حفظ عملکرد خود مشغولند. هنگامی که می‌میرند و عمل آن‌ها متوقف می‌شود، معمولا به‌طور بی‌ضرر تجزیه می‌شوند. این زنوبات‌ها کاملا زیست‌تجزیه‌پذیر هستند. وقتی پس از ۷ روز کار خود را انجام می‌دهند، چیزی که باقی می‌ماند، سلول‌های مرده پوست است.

لپ‌تاپ شما یک فناوری قدرتمند است. اما سعی کنید آن را به دو بخش تقسیم کنید. در این حالت، دیگر عملکرد خود را ندارد. در آزمایش جدید، دانشمندان زنوبات‌ها را برش داده و آن را مورد بررسی قرار دادند. بونگارد می‌گوید:

ما ربات را تقریبا به دو نیمه تقسیم کردیم و ربات خود را مجددا متصل کرده و به کار خود ادامه می‌دهد. این کاری است که ماشین‌های معمولی نمی‌توانند انجام دهند.

پژوهشگران می‌گویند آن‌چه آن‌ها درمورد نحوه‌ی ارتباط و اتصال سلول‌ها آموخته‌اند، در گسترش علوم محاسباتی و درک ما از حیات نقش دارد. لوین می‌گوید:

سؤال بزرگ در زیست‌شناسی درک الگوریتم‌های است که شکل و عملکرد را تعیین می‌کنند. ژنوم، کدکننده‌ی پروتئین است اما کاربردهای تحول‌آفرینی در انتظار کشف ما است؛ اینکه چگونه آن سخت‌افزارها سلول‌ها را قادر می‌سازند در شرایط مختلف، عمل متفاوتی داشته باشد.

برای توسعه و عملکرد یک ارگانیسم، در تمامی زمان‌ها، اطلاعات زیادی درون و بین سلول‌ها به اشتراک گذاشته می‌شود. لوین می‌گوید:

این ویژگی‌های نوخاسته و هندسی به‌وسیله‌ی فرایندهای بیوالکتریک، بیوشیمیایی و بیومکانیکی حاصل می‌شوند که روی سخت‌افزار تعیین‌شده به‌وسیله‌ی DNA اجرا می‌شود و این فرایندها را می‌توان مجددا تنظیم کرد و اشکال جدیدی از حیات را ساخت.

دانشمندان نتایج این پژوهش را به‌عنوان گامی درجهت کاربرد این کد بیوالکتریک هم در علم زیست‌شناسی و هم در علم کامپیوتر می‌بینند. لوین می‌گوید:

چه چیزی آناتومی را به سمتی می‌برد که سلول‌ها با هم همکاری ‌کنند؟ شما به سلول‌هایی که ما با آن‌ها زنوبات‌های خود را ساخته‌ایم، نگاه می‌کنید و می‌بینید که ازنظر ژنومی، قورباغه هستند. ژنوم این سیستم حاوی ۱۰۰درصد DNA قورباغه است اما این‌ها قورباغه نیستند. همان‌طور که ما نشان دادیم، این سلول‌های قورباغه را می‌توان درجهت ایجاد اشکال حیات جالبی که به‌کلی از آناتومی پیش‌فرض متفاوت است، دستکاری کرد.

بسیاری از افراد درمورد پیامدهای تغییر سریع فناوری و دستکاری‌های پیچیده‌ی زیست‌شناسی نگران هستند. لوین می‌گوید:

وقتی ما با سیستم‌های پیچیده‌ای درگیر می‌شویم که آن را درک نمی‌کنیم، پیامدهای ناخواسته‌ای خواهیم داشت.

بسیاری از سیستم‌های پیچیده مانند کلنی مورچه‌ها، با یک واحد ساده‌ی کوچک (یک مورچه) آغاز می‌شوند ولی پیش‌بینی شکل کلنی یا نحوه‌ی ساخت پلی روی آب به‌وسیله‌ی بدن مورچه‌ها ممکن نیست. لوین می‌گوید:

اگر بشر بخواهد در آینده بقا داشته باشد، باید درک بهتری از ویژگی‌های پیچیده‌ای که از قوانین ساده پدیدار می‌شوند، به‌دست آورد. بییشتر علم انسان، روی کنترل قوانین سطح پایین متمرکز است. ما باید قوانین سطح بالا را نیز درک کنیم. من فکر می‌کنم این ضرورت مهمی برای جامعه است که روی سیستم‌های دارای پیامد پیچیده کنترل بیشتری به دست آورد. نخستین گام به سمت این کار، اکتشاف است: چگونه سیستم‌های زنده درمورد یک رفتار کلی تصمیم می‌گیرند و ما باید چگونه بخش‌های مختلف آن را دستکاری کنیم تا رفتار مورد نظر خود را ببینیم.

به‌عبارت دیگر، این مطالعه در کنترل پیامدهای ناخواسته کمک می‌کند؛ چه در رسیدن سریع ماشین‌های خودران، تغییر قدرت ژن‌ها برای پاک‌سازی ویروس‌ها یا سیستم‌های پیچیده و خودمختار دیگری که تجربه‌ی انسانی را شکل می‌دهند. بونگارد می‌گوید:

همه‌ی این خلاقیت‌های ذاتی در زندگی وجود دارد. ما می‌خواهیم آن را عمیق‌تر درک کنیم و متوجه شویم که چگونه می‌توانیم آن را به‌سوی اشکال جدیدی هدایت کنیم.