מכונות זעירות שיוצרו מתאי צפרדעים מצאו דרך ליצור עותקים חדשים של עצמן – בלי שתוכנתו לכך

פיתוח רובוטים ביולוגיים זעירים הוא אחת מהטכנולוגיות המבטיחות של השנים האחרונות. התקווה היא שמכונות קטנות כאלה יוכלו לבצע פעולות מיקרוסקופיות שונות בגוף האדם או בטבע, כמו שינוע תרופות אנטי-סרטניות היישר אל הגידול הממאיר או איסוף חתיכות פלסטיק קטנות מהאוקיינוסים.

במחקר שהתפרסם בתחילת שנת 2020 הצליחו חוקרים מאוניברסיטת ורמונט בארצות הברית ליצור "רובוטים חיים" מתאי גזע של צפרדע מהמין Xenopus laevis. תאי גזע הם תאים מיוחדים, שמסוגלים לא רק להתרבות אלא גם להפוך לתאים מסוגים רבים ושונים, כמו תאי עור, תאי עצב, תאי שריר, וכו'. הרובוטים האלו, שגודלם פחות ממילימטר, תוכננו באמצעות מערכת של בינה מלאכותית. המערכת חזתה מה יהיו הדרכים היעילות ביותר להרכיב תאים יחדיו, כדי ליצור מהם מכונה ביולוגית שתמלא מטרות מסוימות, כמו תנועה או נשיאת מטען.

על מנת ליצור בפועל את הרובוטים הללו הניחו החוקרים בתרבית תאי גזע של הצפרדע, שנוטים באופן טבעי להתחבר לגושים. לאחר שנוצרו גושים, החוקרים יצרו מהם את המבנים שתכנן המחשב באמצעות ציוד לעבודה מיקרוסקופית. לבסוף הוסיפו להם שכבה של תאי לב, שמתכווצים באופן טבעי ויכולים ליצור תנועה. כך נוצרו רובוטים שמסוגלים לנוע בכוחות עצמם והם מספיק קטנים כדי לנוע בתוך גוף האדם ואף לשאת חומרים בתוכו. בנוסף הם יכולים לתקן את עצמם אם נגרם להם נזק. החוקרים כינו את הרובוטים הללו קסנובוטים: הלחם של המילה רובוט וסוג הצפרדע קסנופוס.

סרטון של אוניברסיטת ורמונט שמראה את יצירת הרובוטים החיים:

רבייה ספונטנית

במאמר המשך, שפורסם לאחרונה בכתב העת PNAS, זיהו החוקרים תופעה מפתיעה – הקסנובוטים מסוגלים להתרבות, והם עושים את זה בדרך שאינה מוכרת מיצורים חיים אחרים.

החוקרים הניחו את הקסנובוטים בצלחת פטרי לצד תאי גזע מבודדים, כמו אלה שמהם הם עצמם מורכבים. באמצעות יכולת התנועה שלהם הקסנובוטים קיבצו ודחסו יחד הרבה תאים בודדים, שהפכו בתוך חמישה ימים לקסנובוטים צאצאים חדשים בעלי יכולת תנועה. אותו דור חדש של קסנובוטים החלו בעצמם לייצר צאצאים.

סרטון של אוניברסיטת ורמונט שמראה את הרובוטים מתרבים: 

צורת הרבייה הזאת זו מכונה הכפלה עצמית תנועתית ספונטנית (Spontaneous kinematic self-replication). זהו תהליך שבו מכונה משתמשת בחלקים זמינים כדי להרכיב עותק של עצמה. התופעה הזו ידועה בעולם המולקולרי, למשל כשתא בודד או נגיף משתכפלים בעזרת חומרי הבניין המצויים בסביבתם, אך היא לא נצפתה מעולם ברמה של יצור שלם. במקרה המדובר כאן, אבני הבניין היו תאי גזע חופשיים, תופעה אשר אינה קיימת בטבע.

לאחר שצפו בתופעה ביקשו החוקרים לראות אם אפשר לייעל את התהליך, שכן כאשר הוא מתרחש מאליו הוא דורש זמן ממושך ומשאבים רבים. לשם כך הם ביקשו ממערכת הבינה המלאכותית שלהם לתכנן קסנובוטים שיוכלו להשתכפל ביעילות רבה יותר. נמצא שהצורה שמעתיקה את עצמה הכי טוב היא רובוט בצורת האות C, או פאק-מן. הצורה הזאת הקלה על הקסנובוטים לתפוס תאים בודדים וכך ליצור קסנובוטים חדשים תוך זמן קצר יותר.

תמונת מיקרוסקופ של אחד הרובוטים | Douglas Blackiston, Tufts University
הרובוטים מסוגלים לנוע בכוחות עצמם והם מספיק קטנים כדי לנוע בתוך גוף האדם. תמונת מיקרוסקופ של אחד הרובוטים | Douglas Blackiston, Tufts University

חיים מלאכותיים?

התצפיות האלה מעלות שאלות מאתגרות על טבעם של יצורים חיים, ושל החיים עצמם. מעבר להפתעה מעצם קיומה של יכולת התרבות אצל הקסנובוטים, מפתיעה עוד יותר העובדה שהם עשו את זה באופן ספונטני, שכן הם לא תוכננו להתרבות. יתר על כן, התהליך הספונטני הזה התרחש בתוך ימים ספורים ולא בתהליך אבולוציוני של אלפי שנים, ובלי שהחוקרים עשו שינוי גנטי כלשהו בתאים. העובדה הזאת מראה עד כמה ישויות ביולוגיות גמישות ביכולתן להתאים את עצמן לסביבה. 

ייתכן שהקסנובוטים יכולים ללמד אותנו משהו גם על ראשית החיים, ואם יתברר שהכפלה עצמית ספונטנית הייתה תהליך חשוב בשלבים אלו הם יוכלו לחשוף את התנאים הדרושים על מנת שהתהליך הזה יתרחש.

החוקרים שיצרו את הקסנובוטים מבטיחים שהם לעולם לא ייצאו משליטה ושמספיק שינוי קטן בכמות המלחים במים שלהם כדי להשמיד אותם. בנוסף, יכולת ההתרבות שלהם תלויה באספקה של תאי גזע חיים, שאינם נמצאים באופן חופשי מחוץ למעבדה. עם זאת, איננו יכולים לחזות את כל ההשלכות האפשריות על הסביבה אם המכונות הביולוגיות האלה ישתחררו לסביבה, שכן מדובר בצורת חיים שאינה קיימת בטבע באופן רגיל.

לאחר המחקר הראשון שפרסמו על הקסנובוטים הצהירו החוקרים שהם אינם יכולים להתרבות. אולי הם היו צריכים להקשיב בתשומת לב רבה יותר לד"ר איאן מלקולם מהסרט "פארק היורה" כשהכריז, "החיים מוצאים לעצמם דרך".

מתוך הסרט "פארק היורה":