一边工作一边繁殖，它定义了创造生命的新方式
能一边繁衍一边干活的活体机器人，出现了。
图片来源：Pixabay
来源 The Guardian等
编译 董聿恒 魏潇
编辑 魏潇
有些生物成双成对繁衍后代，有些生物会间接地与其他个体结合，而有一些甚至自己就能独立办到这件事。在繁殖这个问题上，自然界无疑是百花齐放的。
而现在，科学家们宣布发现了一种此前从未在任何动植物上出现过的全新“繁衍”方式：一团被称为 Xenobot（或许可以叫它异种机器人）、由非洲爪蟾干细胞组成的球形细胞团块，可以收集分散在培养皿中的细胞，将它们捏合成和自己类似的机器人，通过这种方式“产生后代”。在研究者的模拟中，它们甚至可以一边工作，一边繁殖。
“它们在培养皿中游来游去，不断制造自己的复制品。”该项研究的领导者之一，来自美国佛蒙特大学（University of Vermont）的 Josh Bongard 教授如是说。
活体机器人
Xenobot 早在 2020 年就被公之于众，是一种所谓的“活体机器人”。它们是由上千个来自于非洲爪蟾胚胎干细胞组装而成的，是一种大小约 1 mm 的人工生命体。尽管其外表看起来只是一小团细胞，但 Xenobot 能够朝着特定的方向移动，并且被切开后还能自行复原，具有强大的延展性和可塑性。这种活体机器人没有消化系统或神经系统，在大约两周后就会自然解体。
研究团队最初的目标只是希望设计出一种由生物细胞组成的，具有运动能力的人工构造体。他们首先通过柔性材料模拟和计算机建模设计出了合理的结构，安排了可收缩和不可收缩的两类细胞的位置。然后从爪蟾胚胎干细胞中收集皮肤前体细胞和心肌前体细胞作为材料，在显微镜下人工组装成了微小的活体机器人，也就是第一代的 Xenobot。
由爪蟾干细胞组成的第一代 Xenobot。图片来源：论文
几个月后，研究团队在《科学-机器人》（Science Robotics）上发布了第二代 Xenobot。利用细胞的自组织能力，这代 Xenobot 不需要人工干预或者任何基因工程手段就可以自动组装成型，利用表面的纤毛在水中运动。它们还可以自发地聚集在一起，推动药物或分子往前走。
在水中游动的 Xenobot。来源：论文
产生后代
在最近的观察和研究中，Bongard 和同事们意外地发现了 Xenobot 具备了一定程度上的“繁殖”能力：它不仅能在培养皿中以螺旋形的路径运动转圈，还会在撞上一些分散的干细胞后，把这些细胞捏成一团。由于这些细胞有粘性，只要这个捏合成的团块质量足够大，这些被堆在一起的细胞不需要专门的演化和来自外部的基因操作引入，就能够自发自动地在五天内形成一个全新的、可以自由移动的子代 Xenobot。为了确定这些后代确实是由“祖先 Xenobot”的运动而不是靠流体动力学和自组装产生的，研究者们专门在没有祖细胞的情况下观察了离散的干细胞，发现它们确实无法依靠自组装产生子代 Xenobot。
忙着收集细胞，“繁衍后代”的活体机器人。视频来源：论文。
Bongard 与同事们在《美国科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上发表了这项新发现，报告了 Xenobot 这种运动自体复制（kinematic self-replication）的自我繁衍方式。Bongard 指出，任何拷贝自身的行为都可以算得上是一次复制，而已知的植物和动物都是通过从无性出芽到分娩的繁殖行为来完成的。之前，科学家们只在分子级尺度维度上观察过这种现象，在更大的有机体上这还是第一次。
但是这里有个小问题。科学家们发现 Xenobot 只能繁殖一次。被复制出的子代们太小太弱，没有能力去再繁殖下一代。不过，通过人工智能分析，研究者们发现如果将 Xenobot 打造成特定的形状——类似于电子游戏角色“吃豆人”的样子，那么这些“吃豆人”衍生出的后代也能具有繁殖能力，组装出新的后代。
“毫无疑问，分子层面上的运动自体复制对于地球生命的起源十分重要。但我们还不知道，像我们今天观察到的发生在细胞集群之间的运动自体复制，是否也曾在生命的起源过程中起了作用。” Bongard 如是说。
研究者们在论文中指出，虽然在现存的细胞生命形式中，我们还没有观察到运动自体复制，但它可能是生命起源中必不可少的一环。例如，在蛋白质世界假说（amyloid world hypothesis）中，自我组装的肽是第一个实现自我复制的分子实体，因此代表了生命演化的最早阶段，甚至早于 RNA 世界。与以自身为模板进行复制的 RNA 不同，蛋白质单体可以形成种子，产生各种蛋白质复合体，再根据肽的可用性、运动学和热力学条件产生更大或更小的“后代”。这种变异类似于现代朊病毒，这种蛋白质病毒在复制过程中会出现蛋白质错误折叠的情况，这赋予了它多变的体积大小以及多态性。虽然像 Xenobot 这样的可重构有机体不是研究生命起源的模型，但它们可能会为我们提供一些线索，帮助我们找到这个世界上第一个能够自我复制的生命出现时所需要的初始条件。
除了探索生命起源，Xenobot 也具备更现实的意义。Bongard 希望这种能自我复制的机器人最终能够投入实用。根据研究团队的计算机模拟，如果被放入一个包含微型电子元件的环境中，这些 Xenobot 在随机运动中可以移动导线、开闭电源或发光器，组装或修复微型电路。如果这个环境中存在能够被 Xenobot “收集”并完成自我复制的散在细胞，那么它们还可以一边繁衍一边干活。
“它们是可自然降解且对生态友好的微小机器，在干净的水体中，它们会如鱼得水，”他说道。另外，他还补充道，它们短期内的应用可能会包括收集水中的微塑料。或许在未来，用的细胞制造的生物机器人甚至可以被用于人体，代替一些外科手术。
英国伦敦大学学院制造研究所（Institute of Making at University College London）主任 Mark Miodownik 十分赞赏这项研究。他认为这“是一项了不起的科学突破，我们向着活体材料又迈近了一步”。
论文信息【标题】Kinematic self-replication in reconfigurable organisms
【作者】Sam Kriegman, Douglas Blackiston, Michael Levin, and Josh Bongard
【期刊】PNAS
【日期】07 Dec 2021
【DOI】https://doi.org/10.1073/pnas.2112672118
【链接】https://www.pnas.org/content/118/49/e2112672118
【摘要】All living systems perpetuate themselves via growth in or on the body, followed by splitting, budding, or birth. We find that synthetic multicellular assemblies can also replicate kinematically by moving and compressing dissociated cells in their environment into functional self-copies. This form of perpetuation, previously unseen in any organism, arises spontaneously over days rather than evolving over millennia. We also show how artificial intelligence methods can design assemblies that postpone loss of replicative ability and perform useful work as a side effect of replication. This suggests other unique and useful phenotypes can be rapidly reached from wild-type organisms without selection or genetic engineering, thereby broadening our understanding of the conditions under which replication arises, phenotypic plasticity, and how useful replicative machines may be realized.
主要参考资料：
1.https://www.theguardian.com/science/2021/nov/29/amazing-science-researchers-find-xenobots-can-give-rise-to-offspring
2.A scalable pipeline for designing reconfigurable organisms. Sam Kriegman et al. Proceedings of the National Academy of Sciences. Jan 2020, 117 (4) 1853-1859; DOI: 10.1073/pnas.1910837117
3.A cellular platform for the development of synthetic living machines. Douglas Blackiston et al. SCIENCE ROBOTICS. 17 Mar 2021 Vol 6, Issue 52. DOI: 10.1126/scirobotics.abf1571
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