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生物機器人 天使還是魔鬼

來源:咸寧網 時間:2020-05-08 17:01

以美國佛蒙特大學計算機科學系教授舒亞·邦加德為通訊作者的研究團隊,日前在《美國科學院院報》在線發表一篇最新研究結果,提出可創建一種可編程生物,被命名為Xenobot(異形機器人),也可稱為生物機器人。

邦加德等人的研究發表后,引發了很多質疑。那么,他們的工作到底是做什么呢?

1 Xenobot是怎么造出來的?

邦加德對這種人造生命做了定義:“它們既不是傳統的機器人,也不是已知的動物物種。這是一種活的、可編程的有機體?!?/p>

不是傳統的機器人,即不是機械裝置的機器人,而是不到1毫米的生物機器人,即微型生物機器人,比微生物大得多,也比一些寄生蟲大。只不過,它是人造的。其他的微生物,如細菌、病毒、衣原體、支原體等,還有動植物和人,都是地球上自然演化和存在的生物。

Xenobot的合成首先是獲取了非洲爪蛙的心臟細胞和表皮細胞兩種細胞,但都是從爪蛙胚胎干細胞中分化獲取的。

研究人員在顯微鏡下先將胚胎細胞切開,細胞被切開的兩個部分,單獨進行培養。而后將兩種細胞拼湊在一起,采用的是細胞的自然傾斜度相互黏附方式。研究人員再觀察它們獨特的結構(包括細胞排列和斑點的整體形狀)如何與行為對應。

將相關數據發送給佛蒙特大學的計算機科學家團隊,后者利用超級計算機集群Deep Green對異形機器人的數字化版本構建了一個模擬環境,并且利用了生命演化的自然選擇的過程。根據這個模型,在模擬中完成特定任務的Xenobot被認為是“合適的”,從而創造出新一代“進化的”Xenobot。研究人員還按照超級計算機模擬出來的設計,用鑷子和電極對這個重塑的細胞進行“雕琢”。重塑的細胞形狀各異,有的是楔形,有的是拱形。

由于Xenobot是由非洲爪蛙心臟細胞(收縮細胞)和表皮細胞(被動細胞)結合而成,因而具有自然生命的多種生命特質,如可以在水性介質中移動、具有自我修復能力、可自行生物降解。最厲害的是,即便把生物機器人切成兩半,它不僅能把自己縫合起來,還能繼續活動,有點兒像蠑螈的自我修復功能。而且,它們不只能直線行進,也能轉圈。如果把這個機器人翻轉過來,它就像烏龜背朝下一樣,失去了移動能力。

目前,這種生物機器人可以用來清理海洋中的微塑料污染,作為可生物降解的藥物輸送機器人等,而且,未來的作用也將是無限的,例如,作為手術助手疏通血管等。

2 世界上已有多個人造活體生命

不過,Xenobot并非世界上第一個人造的活體生命,此前早就有純粹生物合成的人造生命問世了。

早在1995年,美國的克雷格·文特爾就和另一位生物學家漢密爾頓·史密斯造出了首個有人造基因組(染色體組)的細菌,這是一種不依靠上一代繁衍的存活生物,也是人造生命的雛形。

2010年5月20日,文特爾私立研究所的一個由46名科學家組成的團隊又研發出了地球上首例人造細胞,是一個山羊支原體細胞,細胞中的遺傳物質是依照另一個物種蕈狀支原體的基因組人工合成的,產生的人造細胞表現出的是后者的生命特性,取名為辛西婭(Synthia,意為“合成體”)。

辛西婭這種微生物由藍色細胞組成,能夠生長、繁殖,細胞分裂了逾10億次,能產生一代又一代的人造生命。植入的DNA片段包含約850個基因,而人類基因組共有約2萬個基因。

研究員建構的染色體中的基因,由108萬對“字母”組成,并在合成基因留下“水印”,包括46名科學家和研究員的名字、研究所的網址,以及愛爾蘭作家詹姆斯·喬伊斯的名句“生存、犯錯、倒下、戰勝,用生命創造生命”。2010年5月21日出版的《科學》雜志發表了這一研究。

文特爾等人選取一種名為絲狀支原體的細菌,將它的染色體解碼。然后利用化學方法一點一點地重新排列DNA。此后將重組的DNA碎片放入酵母液中,令其慢慢地重新聚合。再把人造DNA放入另外一個受體細菌中。通過生長和分離,受體細菌產生兩個細胞,一個帶有人造DNA,另外一個帶有天然DNA。在培養皿中加入抗生素,把帶有天然DNA的細胞殺死,只留下人造DNA不斷增生。幾個小時之內,受體細菌內原有DNA的所有痕跡全部消失,人造細胞不斷繁殖,新的生命誕生。

合成這樣的人造生命有什么用呢?文特爾的回答是,先合成出可供生命存在的最小數量的基因,然后通過向其中彌補其他基因,制造一系列新的微生物,如可生產生物燃料的細菌、有用的藥品、可以從空氣中吸收二氧化碳和其他污染物的細菌或是制造合成疫苗所需的蛋白質。

此后,2018年8月2日,英國《自然》同時在線發表了美國和中國研究人員的2篇論文,都是將酵母染色體融合的成果。中國的研究人員創造了一種新的人工合成的酵母,僅含1條巨大的線型染色體酵母SY14菌株,不同于野生型的有16條染色體的酵母。

此次人工合成的酵母是真核生物。動物、植物、真菌等都屬于真核生物,其基因組既豐富又復雜,通常會包含數億至數十億堿基對信息,合成并不容易。但細菌、病毒等原核生物的基因組相對簡單,合成比較容易。因此,合成真核生物基因組在技術是上了一個臺階,有更大的作用。

釀酒酵母是第一個被全基因組測序的真核生物,大尺度的設計和重建酵母基因組是對目前酵母領域知識貯備的真實性、完整性和準確性的一個直接考驗。人工合成酵母,一方面可以幫助人類更深刻地理解一些基礎生物學的問題,另一方面可以通過基因組重排系統,使酵母實現快速進化,獲得在醫藥、能源、環境、農業、工業等領域有重要應用潛力的菌株。

3 合成人造生物的利弊

此次的Xenobot和之前的辛西婭、人造酵母都是人工合成的活體生命,只不過辛西婭較簡單一些,是依據原核生物合成的,而人造酵母是合成真核生物。Xenobot也是利用真核生物模型合成,而且動用了生命演化模式和計算機編程功能結合合成。Xenobot的體積比過去創造的人造生命大了很多,接近1毫米,而支原體只有0.1-0.3微米,酵母則有2-10微米,因此,Xenobot能完成的工作和功能也會遠遠多于支原體和酵母。

但是,它們是否會對人類社會造成威脅,成為生物武器呢?這可能是人們感到恐懼的原因。早在2010年文特爾等創造出辛西婭時,美國就進行過多個領域和部門的聽證會,要求文特爾等人全面解釋人造生命的正反兩方面意義和應用。聽證會對合成新生命提出了13個方面的問題,其中包括為什么要合成人造細胞(生命);人造生命的潛在用途是什么;合成生物的風險有哪些;有什么準備好的保護、控制措施以防止人工生命偶然地向環境釋放等。

針對人工合成新生命的安全問題,文特爾等人表示,合成生物學與很多基因組技術一樣,既能產生有益的生物工程微生物,也有可能創造對人類及環境有害的微生物,這類技術當然可能被擁有廣泛資源的邪惡者所利用。

不過,自然本身就是一名已經存在的專家,它也在創造可對人類造成極大危害的微生物。人工合成新生命并不一定會把人類帶到比現有技術或自然本身更接近傷害的道路。對此,需要的是嚴格管理。

實際上,現在的Xenobot被設計出來后,既可以看到其有巨大的用途,也應看到在應用當中可能對人和自然環境產生危害,關鍵是需要立法管理,以保證在應用Xenobot時,必須有配套的法規約束。

延伸閱讀

生命的多種形式

人造生命與自然生命最大的區別在于,前者是“如其所能的生命”(life as it could be),而后者則是“如吾所識的生命”(life as we know it)。如吾所識的生命就是今天人們已經認識的各種動物、植物和微生物;如其所能的生命包括可能存在于其他星球但尚未被發現,以及人類創造出來的數字生命、虛擬生命和人造生命(物)。

美國著名科學作家、生物化學家阿莫西夫對自然生命有幾種劃分。一是以氟化硅酮為介質的氟化硅酮生物;二是以硫為介質的氟化硫生物;三是以水為介質的核酸/蛋白質(以氧為基礎的)生物;四是以氨為介質的核酸/蛋白質(以氮為基礎的)生物;五是以甲烷為介質的類脂化合物生物;六是以氫為介質的類脂化合物生物。

盡管現在美國科學家創造的Xenobot是微型生物機器人,但其大部分是根據第四種自然生命的原則來創造的,即以氨為介質的核酸/蛋白質(以氮為基礎的)生命。所以它與自然生命有相似之處。


編輯:胡慧娟

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