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生物機(jī)器人,，不僅可以給癌細(xì)胞送藥,，還能清除海洋微塑料，更可能為多細(xì)胞生物起源提供啟示,。 
活細(xì)胞機(jī)器人,。｜來源：Douglas Blackiston
說到機(jī)器人，你想到的大概是有著金屬身體,，由計算機(jī)程序給出指令,、自動執(zhí)行任務(wù)的智能機(jī)器。不過,，科學(xué)家正在利用DNA,、細(xì)胞創(chuàng)造出一些“生物機(jī)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(xì)胞送藥,、清除體內(nèi)微塑料等。例如,，用青蛙細(xì)胞創(chuàng)造出的一種名為“xenobots”的生物機(jī)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,，放佛在尋找什么,。與金屬和塑料機(jī)器人不同，它們不僅可以進(jìn)行新陳代謝,，受到損壞后能自我修復(fù),，還會響應(yīng)彼此的存在，表現(xiàn)出群體行為,，甚至可能為多細(xì)胞生命的起源提供新視角,。活細(xì)胞機(jī)器人xenobots。｜來源：Douglas Blackiston, Quanta Magazine
我們研究機(jī)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(jī)器人而言，最主要的一個用途就是“帶貨”,，比如給癌細(xì)胞帶點(diǎn)藥,，讓它們稀里糊涂被毒死。可是要怎么制造生物機(jī)器人呢,？科學(xué)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(rèn)為是理想的帶藥載體。2012年,，哈佛醫(yī)學(xué)院的遺傳學(xué)家喬治·丘奇（George Church）教授帶領(lǐng)兩位博士,，首次完成DNA給藥機(jī)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(xì)胞表面抗原,，從而準(zhǔn)確找到并結(jié)合到癌細(xì)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(xì)胞，甚至讓癌細(xì)胞自殺。
2018年,，DNA納米機(jī)器人的實際抗癌效果在動物體內(nèi)實驗中得到驗證。在《自然生物技術(shù)》雜志發(fā)表的一項研究中,，DNA納米機(jī)器人攜帶著凝血酶（血液中重要的凝血因子,，可形成血栓）進(jìn)入小鼠的腫瘤組織，結(jié)果在腫瘤組織內(nèi)形成血栓,，導(dǎo)致腫瘤細(xì)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(jī)器人有望成為癌癥治療的新武器,。之所以選擇DNA機(jī)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(jī)器人既能精準(zhǔn)“帶藥”,，又不會給身體惹麻煩,。既然DNA可以，活的細(xì)胞是不是也可以呢,？生物學(xué)家又想到讓細(xì)胞組團(tuán)來帶貨,。2020年初，計算機(jī)科學(xué)家約書亞·邦加德（Josh Bongard）與生物學(xué)家邁克爾·萊文（Michael Levin）合作,，利用100%的非洲爪蟾細(xì)胞,，創(chuàng)造出一種可編程、可自主移動,、可降解的活細(xì)胞機(jī)器人,，將其命名為xenobots（爪蟾拉丁名“Xenopus laevis”和機(jī)器人“robots”兩個詞的結(jié)合），研究成果發(fā)表在《美國科學(xué)院院報》上,。首先,，計算機(jī)專家借助超級計算機(jī)開發(fā)出一種復(fù)雜的進(jìn)化算法，來設(shè)計機(jī)器人模型,。他們模擬出非洲爪蟾的皮膚和心肌細(xì)胞的最佳組裝方案,，希望這些細(xì)胞能自主移動，甚至自動修復(fù),。接下來,，生物學(xué)家從非洲爪蟾胚胎中分離出干細(xì)胞，讓干細(xì)胞進(jìn)一步分化成皮膚細(xì)胞和心肌細(xì)胞,。根據(jù)超級計算機(jī)設(shè)計的機(jī)器人模型,，研究人員將皮膚細(xì)胞放在上層，將有運(yùn)動能力的心肌細(xì)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(xì)胞機(jī)器人不僅能直線運(yùn)動,，還會繞圈運(yùn)動,，也可負(fù)重前行，具備遞送藥物或其他醫(yī)用材料的潛力,。利用非洲爪蟾的皮膚和心肌細(xì)胞組裝而成的活細(xì)胞機(jī)器人xenobots,。｜來源：Douglas Blackiston and Sam Kriegman
一年之后，研究人員再次改進(jìn)這種活細(xì)胞機(jī)器人,，推出了xenobots 2.0,。相關(guān)成果發(fā)表在2021年3月21日的《科學(xué)-機(jī)器人》雜志上。相比xenobots 1.0 ,，xenobots 2.0主要具備六個新特點(diǎn)：一是只需一種細(xì)胞,。新的設(shè)計只用到一種細(xì)胞，即非洲爪蟾的皮膚細(xì)胞,，拋棄了原來充當(dāng)動力的心肌細(xì)胞,。因為細(xì)胞種類更少，引發(fā)機(jī)體免疫排斥反應(yīng)也會越小,。二是可自動組裝,。由于單個細(xì)胞具有喜歡“抱團(tuán)”的特點(diǎn)，可以實現(xiàn)單細(xì)胞自動組裝,，不再需要進(jìn)行人工組裝,。三是運(yùn)動速度更快。既然沒有心肌細(xì)胞,，那么細(xì)胞團(tuán)的動力來自哪里呢,？原來非洲爪蟾皮膚上皮細(xì)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(xì)胞機(jī)器人提供動力,，速度甚至超過原來的心肌細(xì)胞。四是存活時間更長,。第一版細(xì)胞機(jī)器人大約只能存活1周左右,，但是給這些細(xì)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(fù)能力,。新的細(xì)胞機(jī)器人即使被剪成兩半也能重新“抱團(tuán)”，大概在5分鐘內(nèi)即可恢復(fù)原有形狀并繼續(xù)工作,，這點(diǎn)可能是金屬機(jī)器人,、塑料機(jī)器人甚至是DNA機(jī)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(xì)胞機(jī)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(lán)光照射下，熒光蛋白會發(fā)紅色熒光,。當(dāng)研究人員讓10個細(xì)胞機(jī)器人在390納米藍(lán)光照射點(diǎn)附近活動,，結(jié)果有3個細(xì)胞機(jī)器人發(fā)出紅光，而其他機(jī)器人則仍然保留綠色,，表明這3個細(xì)胞機(jī)器人曾經(jīng)游進(jìn)過藍(lán)光區(qū)域,。細(xì)胞機(jī)器人即使被剪成兩半，也能迅速自我修復(fù),。｜來源：Douglas Blackiston and Sam Kriegman
之所以將這些微小的細(xì)胞團(tuán)稱為機(jī)器人,，是因為它們能根據(jù)提前設(shè)定的程序，以固定的形狀,、固定的運(yùn)動方式,，去完成特定的任務(wù)，如同常見的金屬機(jī)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(xì)胞機(jī)器人比舊版細(xì)胞機(jī)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(xì)血管,。所以除了帶藥,，研究人員還想讓這種細(xì)胞機(jī)器人充當(dāng)清潔工。例如,，可以通過編程將細(xì)胞機(jī)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(xì)胞機(jī)器人有這么多實際用途,，但關(guān)于活細(xì)胞機(jī)器人本身，仍有很多問題有待解答,。例如,，單個細(xì)胞為什么喜歡聚集成團(tuán)？細(xì)胞如何知道要組裝成多大規(guī)模然后停止,？細(xì)胞機(jī)器人中成百上千個細(xì)胞如何協(xié)同一致工作,？細(xì)胞機(jī)器人被切割后可自我修復(fù)，之后會不會自我繁殖,，甚至進(jìn)化成有機(jī)體,？這些問題的解答,，將為我們理解一些生物如何進(jìn)行自我修復(fù)提供啟發(fā)，更可能為研究多細(xì)胞生物的起源和演化提供新視角,。通過創(chuàng)造活細(xì)胞機(jī)器人來反思生命本身的奧秘,，或許才是活細(xì)胞機(jī)器人帶給我們更大的驚喜。1.Rothemund, P. Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns. Nature. 2006, 440: 297–302. doi:10.1038/nature04586.2.Shawn M. Douglas, Ido Bachelet, George M. Church. A Logic-Gated Nanorobot for Targeted Transport of Molecular Payloads. Science. 2012, 335(6070): 831–834. DOI: 10.1126/science.1214081.3.Li S, Jiang Q, Liu S, et al. A DNA nanorobot functions as a cancer therapeutic in response to a molecular trigger in vivo. Nat Biotechnol. 2018;36(3):258-264. doi: 10.1038/nbt.4071.4.Kriegman S, Blackiston D, Levin M, Bongard J. A scalable pipeline for designing reconfigurable organisms. Proc Natl Acad Sci U S A. 2020;117(4):1853-1859. doi:10.1073/pnas.1910837117.5.Douglas Blackiston,，Emma Lederer,，Sam Kriegman, et al.A cellular platform for the development of synthetic living machines. Science Robotics. 2021, 52(6), eabf1571. DOI: 10.1126/scirobotics.abf1571.6.https://www./cells-form-into-xenobots-on-their-own-20210331/7.https://now./news-releases/scientists-create-next-generation-living-robots你可能還想看 ▽ 為什么你只有黑色素，動物們卻有五彩斑斕的藍(lán),？
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