易坊好文馆

  1. 首页 > 玩科技 >

新浪科技综合|生物机器人，不只是机器人那么简单

生物机器人

来源：十点科学
生物机器人 ， 不仅可以给癌细胞送药 ， 还能清除海洋微塑料 ， 更可能为多细胞生物起源提供启示 。

新浪科技综合|生物机器人，不只是机器人那么简单
文章图片
图1/5
活细胞机器人 。 |来源：Douglas Blackiston
作者|汤波 分子生物学博士
编辑|陈天真
说到机器人 ， 你想到的大概是有着金属身体 ， 由计算机程序给出指令、自动执行任务的智能机器 。 不过 ， 科学家正在利用DNA、细胞创造出一些“生物机器人” ， 它们可以在生物体中自动执行一些特殊任务 ， 比如给癌细胞送药、清除体内微塑料等 。
例如 ， 用青蛙细胞创造出的一种名为“xenobots”的生物机器人 ， 乍一看像是变形虫之类微小的水生生物 ， 一会儿绕着什么东西转圈 ， 一会儿来回巡逻 ， 放佛在寻找什么 。
与金属和塑料机器人不同 ， 它们不仅可以进行新陈代谢 ， 受到损坏后能自我修复 ， 还会响应彼此的存在 ， 表现出群体行为 ， 甚至可能为多细胞生命的起源提供新视角 。

新浪科技综合|生物机器人，不只是机器人那么简单
文章图片
图2/5
活细胞机器人xenobots 。 |来源：Douglas Blackiston ，Quanta Magazine
“带货”DNA纳米机器人
我们研究机器人 ， 最主要目的是让它们自动完成一些任务 。 对于生物机器人而言 ， 最主要的一个用途就是“带货” ， 比如给癌细胞带点药 ， 让它们稀里糊涂被毒死 。
可是要怎么制造生物机器人呢？科学家首先瞄上了DNA 。
DNA具有自我折叠的特性 ， 可以像玩折纸游戏一样 ， 自行折叠和组装成形状各异的二维图案或三维空间结构 ， 如五角星、笑脸、美洲地图以及立方体等 ， 被认为是理想的带药载体 。
2012年 ， 哈佛医学院的遗传学家乔治·丘奇（George Church）教授带领两位博士 ， 首次完成DNA给药机器人的概念设计 。 他们经过精确模拟计算 ， 将一段7300多个碱基对的长单链DNA和近200个碱基对的短单链DNA组装成一个六边形的DNA纳米管 ， 管腔内可以搭载一些蛋白和其他药物分子 。
DNA纳米管可以识别特定的细胞表面抗原 ， 从而准确找到并结合到癌细胞上 ， 然后自动开启表面的分子开关 ， 将封闭的纳米管打开 ， 释放出搭载的药物分子 ， 直接杀死癌细胞 ， 甚至让癌细胞自杀 。

新浪科技综合|生物机器人，不只是机器人那么简单
文章图片
图3/5
六边形DNA纳米管 。 |来源：Science
2018年 ， DNA纳米机器人的实际抗癌效果在动物体内实验中得到验证 。 在《自然生物技术》杂志发表的一项研究中 ， DNA纳米机器人携带着凝血酶（血液中重要的凝血因子 ， 可形成血栓）进入小鼠的肿瘤组织 ， 结果在肿瘤组织内形成血栓 ， 导致肿瘤细胞无法得到足够的养分而生长停滞 ， 甚至被活活饿死 。
之后 ， 研究人员在巴马小香猪体内观察到类似情况 ， 证明DNA纳米机器人有望成为癌症治疗的新武器 。
活细胞机器人也能带货？
之所以选择DNA机器人带药 ， 主要是因为DNA具有生物相容性且容易降解 ， 也就是说DNA机器人既能精准“带药” ， 又不会给身体惹麻烦 。
既然DNA可以 ， 活的细胞是不是也可以呢？生物学家又想到让细胞组团来带货 。
2020年初 ， 计算机科学家约书亚·邦加德（Josh Bongard）与生物学家迈克尔·莱文（Michael Levin）合作 ， 利用100%的非洲爪蟾细胞 ， 创造出一种可编程、可自主移动、可降解的活细胞机器人 ， 将其命名为xenobots（爪蟾拉丁名“Xenopus laevis”和机器人“robots”两个词的结合） ， 研究成果发表在《美国科学院院报》上 。
首先 ， 计算机专家借助超级计算机开发出一种复杂的进化算法 ， 来设计机器人模型 。 他们模拟出非洲爪蟾的皮肤和心肌细胞的最佳组装方案 ， 希望这些细胞能自主移动 ， 甚至自动修复 。 接下来 ， 生物学家从非洲爪蟾胚胎中分离出干细胞 ， 让干细胞进一步分化成皮肤细胞和心肌细胞 。
根据超级计算机设计的机器人模型 ， 研究人员将皮肤细胞放在上层 ， 将有运动能力的心肌细胞放在下层 ， 中间则可设计成 “口袋” ， 以便于携带药物 。
【新浪科技综合|生物机器人，不只是机器人那么简单】根据不同设计 ， 这种活细胞机器人不仅能直线运动 ， 还会绕圈运动 ， 也可负重前行 ， 具备递送药物或其他医用材料的潜力 。

新浪科技综合|生物机器人，不只是机器人那么简单
文章图片
图4/5
利用非洲爪蟾的皮肤和心肌细胞组装而成的活细胞机器人xenobots 。 |来源：Douglas Blackiston and Sam Kriegman
一年之后 ， 研究人员再次改进这种活细胞机器人 ， 推出了xenobots 2.0 。 相关成果发表在2021年3月21日的《科学-机器人》杂志上 。 相比xenobots 1.0， xenobots 2.0主要具备六个新特点：
一是只需一种细胞 。 新的设计只用到一种细胞 ， 即非洲爪蟾的皮肤细胞 ， 抛弃了原来充当动力的心肌细胞 。 因为细胞种类更少 ， 引发机体免疫排斥反应也会越小 。
二是可自动组装 。 由于单个细胞具有喜欢“抱团”的特点 ， 可以实现单细胞自动组装 ， 不再需要进行人工组装 。
三是运动速度更快 。 既然没有心肌细胞 ， 那么细胞团的动力来自哪里呢？原来非洲爪蟾皮肤上皮细胞表面能长出纤毛 ， 可以以特定方式来回移动或旋转 ， 为细胞机器人提供动力 ， 速度甚至超过原来的心肌细胞 。
四是存活时间更长 。 第一版细胞机器人大约只能存活1周左右 ， 但是给这些细胞添加特殊的营养素后 ， 可以存活超过90天 。
五是具有自动修复能力 。 新的细胞机器人即使被剪成两半也能重新“抱团” ， 大概在5分钟内即可恢复原有形状并继续工作 ， 这点可能是金属机器人、塑料机器人甚至是DNA机器人都无法比拟的 。
六是具有记忆能力 。 研究人员通过荧光蛋白来检测细胞机器人是否具有记忆力 ， 荧光蛋白大多数时候是发绿光 ， 只有在波长390纳米的蓝光照射下 ， 荧光蛋白会发红色荧光 。 当研究人员让10个细胞机器人在390纳米蓝光照射点附近活动 ， 结果有3个细胞机器人发出红光 ， 而其他机器人则仍然保留绿色 ， 表明这3个细胞机器人曾经游进过蓝光区域 。

新浪科技综合|生物机器人，不只是机器人那么简单
文章图片
图5/5
细胞机器人即使被剪成两半 ， 也能迅速自我修复 。 |来源：Douglas Blackiston and Sam Kriegman
不止于机器人
之所以将这些微小的细胞团称为机器人 ， 是因为它们能根据提前设定的程序 ， 以固定的形状、固定的运动方式 ， 去完成特定的任务 ， 如同常见的金属机器人那样 。
在小范围的模拟实验中 ， 研究人员发现 ， 新版细胞机器人比旧版细胞机器人能更快更好地完成碎片收集任务 ， 覆盖更大的面积 ， 还能穿过狭窄的毛细血管 。 所以除了带药 ， 研究人员还想让这种细胞机器人充当清洁工 。 例如 ， 可以通过编程将细胞机器人释放到海洋中 ， 吸附微塑料颗粒 ， 为清除海洋中的塑料污染提供一种更简便的方法 。
虽然活细胞机器人有这么多实际用途 ， 但关于活细胞机器人本身 ， 仍有很多问题有待解答 。 例如 ， 单个细胞为什么喜欢聚集成团？细胞如何知道要组装成多大规模然后停止？细胞机器人中成百上千个细胞如何协同一致工作？细胞机器人被切割后可自我修复 ， 之后会不会自我繁殖 ， 甚至进化成有机体？
这些问题的解答 ， 将为我们理解一些生物如何进行自我修复提供启发 ， 更可能为研究多细胞生物的起源和演化提供新视角 。 通过创造活细胞机器人来反思生命本身的奥秘 ， 或许才是活细胞机器人带给我们更大的惊喜 。

    推荐阅读


    上一篇：新浪科技综合|测量宋朝记录的一颗“星”，“拉索”新发现挑战理论极限

    下一篇：盛宴|长沙株洲联动，飞行盛宴即将上演