История проекта началась в 2020 году, когда команда Майкла Левина представила ксеноботов — крошечные организмы, собранные из клеток лягушки. Эти биороботы умели плавать, восстанавливаться после повреждений и даже собирать свободные клетки в новые структуры.
Ученые вырастили живые машины с нервной системой и назвали их «нейроботы»
Исследователи из Института Висса при Гарвардском университете совместно с коллегами интегрировали нервные клетки в структуру ксеноботов. Полученные живые микророботы продемонстрировали способность самостоятельно формировать функциональные нейронные сети, что привело к усложнению их формы и характера движения в водной среде.
Нейробот, окрашенный для выделения многоресничных клеток. Haleh Fotowat
Феномен самосборки. Уникальность нейроботов заключается в отсутствии внешнего каркаса или генетических манипуляций для управления их архитектурой. Это чистый пример биологической самоорганизации. Когда клетки кожи и нейроны оказываются в изоляции, они «вспоминают» древние алгоритмы взаимодействия, формируя упорядоченное целое. Ученые называют это обратным инжинирингом: помещение клеток в незнакомый контекст позволяет увидеть базовые правила жизни, которые обычно скрыты за миллионами лет эволюционной настройки конкретных видов животных.
Теперь в работе, опубликованной в журнале Advanced Science, ученые создали новое поколение биологических машин, используя клетки эмбрионов той же гладкой шпорцевой лягушки. Но в отличие от первых моделей, состоявших преимущественно из кожных тканей, нейроботы получили дополнительно клетки-предшественники нейронов. В процессе развития эти клетки внутри сферических структур начали выпускать отростки — аксоны и дендриты, формируя новые и новые связи.
Совокупное изображение всех срезов нейробота, на котором видны многоресничные клетки на поверхности и нейроны в центре.
Исследования зафиксировали электрическую активность и наличие синапсов, что подтверждает работу нейронной сети. Нейроботы оказались крупнее предшественников и приобрели более вытянутую форму. Их перемещение перестало быть хаотичным: благодаря ресничкам на поверхности они начали совершать сложные, повторяющиеся маневры.
Реакция на препараты, влияющие на активность мозга, подтвердила, что именно нейронная сеть управляет поведением этих существ. Это открытие дает ключ к пониманию того, как группы клеток координируются для создания функциональных структур в совершенно новых, не предусмотренных эволюцией условиях.
Новые горизонты синтетической биологии
Нейробот, окрашенный для выделения многоресничных клеток — с небольшими пучками волоскоподобных ресничек по периферии бота — и нейронных отростков дендритов и аксонов, видимых в центре.
Помимо моторных функций, анализ генной активности преподнес сюрприз: у нейроботов активировались гены, отвечающие за обработку визуальной информации и развитие светочувствительных клеток. Это намекает на потенциальную способность синтетических организмов развивать органы чувств.
Майкл Левин, директор Центра открытий Аллена, отмечает: «Этот подход уникален, так как перед нами система с биологическим телом, способная формировать свое поведение. Мы хотели узнать, что произойдет, если предоставить биоботам сырье, необходимое для построения нервной системы». Результаты работы могут лечь в основу методов регенеративной медицины и создания управляемых живых тканей для восстановления поврежденных органов человека.