從細胞製出活機械

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「異機械人」的研究實驗截圖。 圖片來源:SciNews/YouTube

談到機械人,許多人只想到由金屬和塑膠等材料製成的工具,有的像人,有的類似動物,或有的只是生產線上的設備。對於美國的一組研究人員來說,機械人意味著更多的可能性。「經濟學人」報道,他們研究出如何使用生物細胞創造出新型的生物體,可以完成各種工作之餘,更有可能自我繁殖。

現今有幾種方法可以改進生物,例如選擇性育種,或近年炙手可熱的基因工程技術,以培育用於農業和園藝的新型動植物,及製造工業用的細菌。研究人員也在研究獨立培育動物器官,可用作藥物測試,甚至用以進行移植手術。但這次研究人員是組合不同的生物組織,來設計出新機械。

「美國國家科學院院刊」早前刊登一篇論文,來自佛蒙特大學(University of Vermont)和塔夫茨大學(Tufts University)的研究團隊從細胞成分設計出「有機機械人」,其特別之處在於機械人的成分不再是合成物料,而是生物。他們通過組裝已有深入研究的「非洲爪蟾(Xenopus)的特定幹細胞來實現這些設計,而製造出來的「機械人」亦接近於生物學定義的「生物」(organism)—— 具有自主行為的能力、並且包含專門執行不同作用的細胞類型。

這些約只長一毫米的人造生物被稱為「異機械人(xenobots)。它們可以移動並執行簡單的任務,例如移動小顆粒。聽起來可能功用不大,但是研究團隊認為這些小朋友具備做大事的潛力。例如,源自人自身細胞的機械人可注入血液中,以清除動脈壁上的斑塊或識別癌症。又例如,將來可以製造一大群生物機械人,用以尋找和消化環境中的有毒廢物,包括海洋中的微小塑膠碎片。

在設計之初,研究團隊便採用了一種稱為「進化算法」的電腦程式。該程式先生成 500 到 1,000 個皮膚和心臟細胞的隨機三維配置,然後在虛擬環境中測試每個設計,例如查看當心臟細胞跳動時,該配置的移動距離。他們基於對非洲爪蟾細胞豐富的生物物理學知識,以測試這些配置方式對於執行目標任務的合適度。電腦會選擇表現最佳的版本以產生更多的設計和自我調整。這過程將不斷重複至最適當的設計出現。餘下便是利用顯微外科技術,按構建算法的結果去搭建非洲爪蟾細胞群。

研究團隊使用了兩種類型的幹細胞,包括取自早期胚胎的多能性細胞(pluripotent cells),其擁有廣泛的能力,如轉化成其他類型的細胞。其餘是心臟祖細胞(cardiac progenitor cells),一種會產生心肌的特殊幹細胞。放置在盤中的機械人能夠通過其內部的心肌細胞收縮,來推動自己在盤表面前進。個別機械人除了能夠推動單一顆粒外,也可以共同工作,繞圈走動,收集顆粒,並將之整齊排列。

研究作者 Joshua Bongard 表示,這些細胞正在以未知的方式相互傳遞信號,將來可以再進一步研究這種可能性。該團隊還試圖弄清楚如何激發細胞來構建複雜的功能性身體。另一研究作者 Michael Levin 指,這些知識將在再生醫學中非常有用,「再生醫學」旨在修復器官並為移植者建立身體部位。

但是,要使「異機械人」派上用場,就必須找到簡易的製造方式。現時的手工製作需要在顯微鏡下使用鑷子來完成,非常耗時。而其中一種自動化生產的構思,是通過三維打印來搭建必要的細胞層。

目前這些「異機械人」的壽命還頗短,最多只有幾個星期,因為它們沒有任何餵養自己的設備。從某種意義上說,這是一件好事,因為它可以緩解對安全性的恐懼。即使機械人逃脫了,也會在一定時間內報廢,而這些由青蛙細胞製成的「異機械人」既無毒亦可生物分解。但是,為了讓機械人發揮更大作用,研究人員正在尋找延長其壽命的方法。

更具爭議性的建議是為異種機械人配備生殖系統,例如讓機械人像扁蟲(flatworms)般將自己分為兩半,這將對需要大量機械人的工序有極大幫助但是,這也可能引起人們對逃脫者流出野外的擔憂。這種層面已超越單純的技術突破,而是政策和倫理的規範。