Клеточные Терминаторы
Что такое ксеноботы и стоит ли контролировать технологии создания синтетической «полужизни»?
Рассмотрев их под микроскопом, впору разочароваться: неровные комочки слизи, пульсируя, ползают в жидкой лужице, словно неловкие червячки. Переверните любой из них «на спину» – и он останется в этом положении, как черепаха, застрявшая в положении вверх ногами. Но все такие ассоциации неуместны: эти сгустки клеток не являются полноценными и самостоятельными организмами. И появились они не в природе, а в биофизической лаборатории Майкла Левина (Michael Levin) из Университета Тафтса. Если эти миниатюрные комочки – 500-1000 клеток и около 700 мкм в поперечнике – можно назвать живыми, то не существами, а машинами.
Ученые назвали эти «реконфигурируемые организмы» ксеноботами, поскольку сконструировали их из клеток, позаимствованных у африканских шпорцевых лягушек (Xenopus laevis) – популярного модельного организма, который широко применяется для исследований в области клеточной биологии и биологии развития. Из лягушачьих эмбрионов извлекли стволовые клетки, а затем из них вырастили культуры клеток кожи и сердечной мышцы.
Наконец, манипулируя этими двумя типами «строительных блоков», авторы собирали трехмерные структуры ксеноботов. Клетки кожи обеспечили им упругий каркас, а клетки сердца – способность сокращаться и обратимо менять свою форму. Структуры получились разные, от нитевидных и до сферических, что позволило проследить за тем, как форма влияет на движение клеточного сгустка в жидкости. Авторы отметили, что внутриклеточных запасов энергии позволяют им работать до 10 дней.
Эти данные были использованы для создания компьютерных моделей ксеноботов, которые затем «прогнали» через эволюционные алгоритмы, имитирующие процесс естественного отбора вариантов с наиболее сложными и удачными механизмами передвижения. Сложнейшие расчеты проводились на суперкомпьютере Вермонтского университета VACC. Спустя множество виртуальных поколений ученые получили оптимальные структуры, которые воспроизводили и снова проверяли в условиях реальной лаборатории. Было совершено несколько итераций этого процесса, пока авторы не остановились на нескольких самых удачных версиях.
«Они способны время от времени менять движения на другие, например, двигаясь в одну сторону, разворачиваться и возвращаться обратно, – говорит Майкл Левин. – Если они случайно встретят чужие свободные клетки, то "отбуксируют" их в небольшие кучки». Разрежьте ксенобота пополам, и он соберется снова, словно «жидкий Терминатор» из второй части культовой киноэпопеи. Ксенобот с отверстием может «подцеплять» им груз и перемещаться с ним. «Это новый тип живых машин», – добавляет робототехник Джошуа Бонгард (Joshua Bongard), один из соавторов этой работы.
В самом деле, с одной стороны, ксеноботы сложены из самых настоящих живых клеток. С другой же, задавая те или иные формы их структурам, можно до определенной степени программировать их поведение. Ни одна из используемых при этом клеток сама по себе на подобное неспособна. Но их организация ведет к появлению нового уровня сложности – «живой машины». А если удастся детально разобраться в том, как взаимодействуют друг с другом ее клетки – как и когда прикрепляются, какими и зачем обмениваются химическими сигналами, – мы сможем контролировать поведение ксеноботов целиком и полностью.
Именно на эту задачу и нацелены теперь Левин, Бонгард и их коллеги. Спекулируя, они полагают, что когда-нибудь ксеноботы найдут массовое применение – неспособные к долгому самостоятельному существованию, они вполне безопасны для окружающей среды и могли бы использоваться для сбора частиц микропластика из океанской воды. Или для очистки участков, загрязненных опасными токсинами и радиоактивными веществами.
Ксеноботы с отверстиями подойдут для целевой доставки лекарств в нужные ткани организма. А если соорудить такую структуру из собственных клеток больного, они смогут помочь заживлению ран и борьбе с опухолями. Наконец, ксеноботы способны стать полезнейшим инструментом для биологических исследований. Но прежде ученым предстоит научиться лучше манипулировать живыми клетками и готовыми «живыми машинками» – а также решить ряд вопросов, напрямую с наукой не связанных.
В самом деле, подобные исследования нередко называют «попытками играть в бога», считая их достаточно опасными с практической и сомнительными с этической точки зрения. Технологии создания «живых машин» могут иметь столь же непредсказуемые последствия, как ядерная физика или искусственный интеллект. Как защитить их от попадания в недобросовестные руки? Какие области применения следует признать слишком рискованными и как их регулировать? Наконец, что будет, если они действительно станут «живыми»?
Для выполнения многих сложных задач, о которых мечтают Левин и его соавторы, ксеноботы должны стать намного сложнее, чем первые прототипы, полученные в начале 2020 г. Возможно, в них придется внести элементы нервной системы для восприятия и обработки информации о текущей обстановке. Такие «машины» можно будет назвать живыми уже куда увереннее – и неизвестно, как они могут повести себя в природе, а тем более в организме человека.
Неудивительно, что авторы работы сами формулируют ключевые вопросы, от ответов на которые зависит дальнейшее развитие технологий ксеноботов. Не следует ли обязательно предусмотреть у них механизмы «саморазрушения», которые позволят быстро уничтожить ксеноботы в случае опасного развития событий? Кто и как должен решать вопросы о доступе к таким технологиям? И как быть, если они разовьются настолько, что собрать ксенобота сможет любой желающий? Не следует ли сразу строго ограничить такие возможности? Ответов пока нет – но нет и технологий: ученые продолжают работу.