Granica między biologią, a technologią staje się coraz mniej wyraźna. W ostatnich latach naukowcy opracowali tzw. bioboty – mikroskopijne konstrukcje zbudowane z żywych komórek, które potrafią poruszać się i reagować na otoczenie. Najnowsze badania pokazują jednak kolejny etap rozwoju tej technologii.
Zespół badaczy z Instytutu Wyssa ds. Inżynierii Inspirowanej Biologicznie na Uniwersytecie Harvarda stworzył nową generację takich struktur – neuroboty, czyli maleńkie żywe roboty wyposażone w funkcjonujący układ nerwowy. Dzięki integracji neuronów konstrukcje te potrafią wykazywać bardziej złożone zachowania oraz kontrolować ruch w sposób przypominający mechanizmy biologiczne. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Advanced Science.
Z tego artykułu dowiesz się…
- czym są neuroboty i w jaki sposób różnią się od wcześniejszych biohybrydowych robotów komórkowych
- jak neurony zintegrowane z komórkami embrionalnymi żab mogą wpływać na ruch i zachowanie żywych maszyn
- dlaczego odkrycie naukowców z Instytutu Wyssa na Uniwersytecie Harvarda może zmienić kierunek badań biomedycznych
- jakie potencjalne zastosowania w przyszłości mogą mieć żywe roboty z funkcjonującym układem nerwowym
Od ksenobotów do neurobotów
Badania nad żywymi robotami rozpoczęły się od tzw. ksenobotów – prostych struktur zbudowanych z komórek skóry żab. Te niewielkie zespoły komórek potrafiły poruszać się w środowisku wodnym oraz reagować na pewne bodźce. Jednak ksenoboty miały istotne ograniczenie – nie posiadały wewnętrznego systemu koordynacji, który mógłby sterować ich zachowaniem. Ruch tych struktur opierał się głównie na pracy rzęsek – mikroskopijnych struktur komórkowych odpowiedzialnych za przemieszczanie się.
Nowa generacja biohybrydowych konstrukcji – neuroboty – została zaprojektowana w taki sposób, aby pokonać to ograniczenie. W przeciwieństwie do swoich poprzedników zawierają one neurony zdolne do tworzenia funkcjonalnych sieci nerwowych, które wpływają na zachowanie całej struktury.
Jak powstają neuroboty
Neuroboty powstają z komórek embrionalnych żab, które w trakcie rozwoju tworzą niewielkie, samorganizujące się struktury biologiczne. Naukowcy opracowali metodę polegającą na wprowadzaniu komórek prekursorowych układu nerwowego na bardzo wczesnym etapie formowania się tych struktur.
Z czasem komórki te różnicują się w neurony i zaczynają tworzyć sieci neuronalne. Co istotne, neurony nie tylko łączą się między sobą, ale również rozprzestrzeniają się w kierunku komórek odpowiedzialnych za ruch, takich jak komórki wielorzęskowe znajdujące się na powierzchni biobota. W efekcie powstaje biologiczny system, w którym aktywność neuronalna może wpływać na sposób poruszania się całej konstrukcji.
Nowy poziom kontroli ruchu
Integracja neuronów doprowadziła do wyraźnych zmian zarówno w budowie, jak i zachowaniu neurobotów. Naukowcy zaobserwowali, że w porównaniu z wcześniejszymi biobotami konstrukcje te:
- przyjmują bardziej wydłużony kształt,
- wykazują większą aktywność ruchową,
- prezentują bardziej złożone wzorce spontanicznego zachowania.
Jak podkreśla główna autorka badań, dr Haleh Fotowat, obecność układu nerwowego wpływa zarówno na strukturę, jak i funkcję tych żywych robotów.
Co ważne, integracja układu nerwowego zmienia kształt (morfologię) i funkcję neurobota – powiedziała główna autorka, dr Haleh Fotowat, która pomogła opracować tę metodę. W porównaniu z biobotami neuroboty są bardziej wydłużone, wykazują wyraźne wzorce ekspresji komórek wielorzęskowych, zwiększoną aktywność i bardziej złożone zachowania spontaniczne, a także ulegają znaczącym zmianom w globalnej ekspresji genów.
Eksperymenty potwierdzające rolę neuronów
Aby sprawdzić, czy neurony rzeczywiście odpowiadają za obserwowane zmiany zachowania, naukowcy przeprowadzili dodatkowe eksperymenty. W jednym z nich zastosowano lek wpływający na komunikację neuronalną. Porównano reakcje neurobotów z reakcjami biobotów pozbawionych układu nerwowego.
Wyniki wykazały wyraźne różnice w zachowaniu obu typów struktur. Neuroboty reagowały w sposób potwierdzający, że aktywność neuronalna odgrywa aktywną rolę w sterowaniu ruchem i zachowaniem tych biologicznych konstrukcji.
Zaskakujące zmiany w ekspresji genów
Jednym z najbardziej nieoczekiwanych wyników badań były zmiany w globalnej ekspresji genów obserwowane w neurobotach. Naukowcy odkryli m.in. aktywację genów powiązanych z rozwojem układu wzrokowego u żab. Choć obecnie nie oznacza to, że neuroboty mogą posiadać zdolności sensoryczne, odkrycie to sugeruje, że w przyszłości mogą pojawić się bardziej zaawansowane funkcje biologiczne. Na tym etapie pozostaje to jednak jedynie hipotezą wymagającą dalszych badań.
Nowe możliwości dla badań biomedycznych
Zdaniem ekspertów rozwój neurobotów może otworzyć zupełnie nowe kierunki badań w biologii i medycynie:
Bioboty, a obecnie neuroboty, to postęp, który przeczy naukowemu myśleniu i wszystkim dotychczasowym paradygmatom – powiedział Donald Ingber, dyrektor założyciel Instytutu Wyssa. Otwierają one nowe horyzonty w badaniach biomedycznych, dając możliwość zdobycia wiedzy na temat podstaw biologii i opracowania rozwiązań problemów medycznych, których jeszcze nie potrafimy pojąć.
Potencjalne zastosowania takich konstrukcji obejmują m.in.:
- badania nad komunikacją między komórkami,
- testowanie nowych terapii biologicznych,
- modelowanie procesów rozwoju tkanek i narządów.
Główne wnioski
- Naukowcy z Instytutu Wyssa na Uniwersytecie Harvarda stworzyli nową generację biohybrydowych konstrukcji – neuroboty, które zawierają funkcjonujące sieci neuronowe.
- Integracja neuronów z komórkami embrionalnymi żab pozwoliła uzyskać struktury zdolne do bardziej złożonych ruchów i zachowań niż wcześniejsze bioboty poruszające się wyłącznie dzięki rzęskom.
- Badania wykazały, że aktywność neuronalna wpływa na morfologię, ekspresję genów oraz wzorce ruchu neurobotów, co potwierdza ich biologiczną kontrolę zachowania.
- Odkrycia opublikowane w Advanced Science mogą w przyszłości przyczynić się do rozwoju nowych narzędzi w badaniach biomedycznych i biologii systemowej.
Źródło:
- https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202508967?prg140729=d6aa9b83-7648-477e-944b-dcd125697d8e
