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现在，这个看似科幻的场景终于进入了现实——虽然呈现方式或许和你想象的有一点区别。在本周发表于《美国科学院院刊》的一篇论文中，美国科学家利用青蛙细胞打造出首个可以自我复制的活体机器人，也更新了我们对于有机体复制方式的认识。
这支由美国佛蒙特大学、塔夫茨大学和哈佛大学的科学家组成的研究团队，在去年1月就已经发表了一项广受关注的成果。当时，他们研发出了世界首个活体机器人。
▲去年发表的首个活体机器人（图片来源：参考资料[2]）第一眼看过去，这些细胞团似乎与机器人毫无关联。但其实，它们是研究人员利用计算机精心设计出来的。这些细胞团由非洲爪蟾（Xenopus laevis）的胚胎干细胞分化出的心肌细胞和皮肤细胞组成——心肌细胞为细胞团的运动提供动力，而皮肤细胞提供结构支撑。这两种细胞就像是两种不同的积木，计算机模型则会根据研究人员的要求（例如能向某个特定的方向运动），利用这两种“积木”组合、搭建出不同的构型，并且筛选出功能符合设计者要求的那些结构。在计算机模型的指导之下，接下来研究团队就可以利用真实的细胞搭建出细胞团。这些经程序设计出的结构，能按照研究人员的期望完成运动、搬运物体等任务，研究团队将它们命名为“Xenobot”。不过，这种“有生命的，可编程的新型有机体”存在一个问题，那就是无法自我复制。一旦自身携带的能量耗尽，它们就会“死亡”、被降解。
▲计算机利用两种细胞“搭积木”，形成能实现特定功能的机器人（图片来源：参考资料[2]）因此，研究团队希望更进一步：让Xenobot实现自我复制。Xenobot显然不具备自我意识，也无法像动植物一样繁殖。那么它们要如何实现自我复制？答案是继续“搭积木”。研究团队首先设计出由大约3000个细胞构成的第一代Xenobot。他们将这些直径大约0.5毫米的球形细胞团放入长有大量非洲爪蟾干细胞的培养皿中，这时，细胞团表面的纤毛就如同细菌的鞭毛，推动着它们按照设计的方向螺旋游动。而在游动的途中，它们会推动四处分布的干细胞，将它们聚集在一起。随着这个过程持续进行，Xenobot堆积的细胞不断增多。在5天之内，堆积形成了一个比第一代更小、更接近球形的全新细胞团。
▲Xenobot推动干细胞、形成新的细胞团（动图来源：参考资料[1]）当它与更大的细胞团分离，第二代Xenobot就诞生了。研究人员将它放入一个全新的培养皿中，这个培养皿里同样含有大量干细胞。于是，同样可以游动、堆积干细胞的第二代Xenobot，重复着第一代的步骤，寻找单个细胞并将它们堆积成新的细胞团。不过，这个过程并不能持续很久。研究团队发现，第一代Xenobot最多只能自我复制两次，也就是产生第三代。之后，当新的细胞团只有不到50个细胞时，它就失去了游动、复制的能力。有没有办法延长这个自我复制的过程呢？研究团队想到了人工智能。他们利用一种模拟自然界演化的算法，预测什么样的Xenobot初始形态可以产生更多后代。利用佛蒙特大学的超级计算机，这个算法预测了数十亿种形态。最终，脱颖而出的是C字型，或者说糖豆人形状的机器人——如同球形开了个口，而这张“嘴”恰好可以帮助Xenobot移动、收集干细胞。
▲计算机模拟C字型机器人推动干细胞的示意图（动图来源：参考资料[1]）随后的实际测试也验证了“糖豆人”Xenobot的复制能力——在培养皿中，这种机器人实现了4次自我复制，比普通球形机器人多复制了两代。
▲C字型机器人能更高效地产生下一代细胞团（动图来源：参考资料[1]）在这个过程中，人工智能的作用也彰显无疑——对于科学家来说，要想到这个反直觉的构型绝非易事。“这些细胞拥有青蛙的基因组，但它们没有变成蝌蚪。相反，这些具有‘集体智慧’和可塑性的细胞团完成了令人惊讶的任务。” 这项研究的作者之一，塔夫茨大学的Michael Levin教授表示。在研究团队看来，从这项进展中，我们或许可以展望医学的全新突破。在Xenobot于去年年初诞生时，论文便指出，这个系统有望用于精准的药物递送。而现在，自我复制能力的加入使得科学家开始期待再生医学的新突破。 “如果我们知道如何告知细胞团，使其按我们的想法行事，最终这将帮助我们实现再生医学的突破，为对抗创伤、出生缺陷、癌症与衰老找到解决方案，” Levin教授表示，“此前，我们不知道如何预测、控制不同类型的细胞来实现目标功能。而Xenobot成为我们理解这一点的新平台。”
▲第二代Xenobot（绿色）的形成过程（图片来源：Douglas Blackiston and Sam Kriegman）这项进展的另一个意义在于，这是科学家首次在细胞或者有机体中观察到动力学自我复制。这种复制机制在分子层面很常见，但对于有机体，细胞的生长被认为是一切繁衍行为的基础。“人们认为，我们已经找到了生命复制的所有方式，但这项研究中出现的是此前从未观察到的新形式。”论文共同作者，塔夫茨大学的Douglas Blackiston博士表示。在研究团队看来，这种具有全新生命复制模式的新型机器人，甚至能用于研究地球生命复制过程的可能起源。正如论文写的那样：“在表面之下，生命还拥有令人惊奇的行为，等待人们发掘。”而这些其貌不扬的活体机器人，是否还藏了更多尚未被揭开的潜能，它们能为我们带来怎样的不同？我们将共同期待。参考资料：
[1] Sam Kriegman et al., Kinematic self-replication in reconfigurable organisms. PNAS (2021) https://doi.org/10.1073/pnas.2112672118
[2] Sam Kriegman et al., A scalable pipeline for designing reconfigurable organisms. PNAS (2020) https://doi.org/10.1073/pnas.1910837117
[3] Xenobots: Team builds first living robots that can reproduce. Retrieved Nov 29th, 2021 from https://techxplore.com/news/2021-11-xenobots-team-robots.html
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