昨年初め、生物学者のマイケル・レビンと彼の同僚は、生きている物質がいかに多用途であるかを垣間見せました。タフツ大学のアレン発見センターにある彼の研究室のメンバーであるレビンとダグラス・ブラックイストンは、カエルの胚から発生期の皮膚細胞と筋肉細胞を集め、手作業で多細胞集合体を形成しました。この彫刻プロセスは、バーモント大学のコンピューター科学者 Josh Bongard と Sam Kriegman によって開発されたアルゴリズムによって導かれ、組織化された動きが可能な 2 つの細胞タイプのシミュレートされた配置を検索しました。たとえば、あるデザインでは、足のようにぴくぴく動く切り株が底に 2 つ付いていて、それ自体を押すようになっていました。
研究者は、細胞クラスターを適切な比率で組み立てさせ、マイクロマニピュレーション ツールを使用して細胞を移動または除去しました。結果として得られた細胞クラスターは、非ランダムな方法で表面上を移動する予測された能力を示しました.
チームはこれらの構造物をゼノボットと名付けました。接頭辞は、アフリカツメガエルのラテン語名 (Xenopus laevis) に由来します。 ) が細胞を供給しましたが、xenos との関係からも適切に見えました。 、「奇妙な」という意味の古代ギリシャ語。これらは確かに奇妙な生きたロボットでした。人間の設計によって作られたセルクラフトの小さな傑作です。そして彼らは、どのようにして細胞が新しい集合的目標を開発し、通常胚から発生するものとはまったく異なる形をとるように説得されるかを示唆した.
しかし、それは問題の表面をかじったにすぎませんでした。Levin は、胚の体と研究者の操作の両方の制約からカエルの胚細胞が「解放」された場合に何が起こるかを知りたいと考えていました。 「彼らに多細胞性を再考する機会を与えるとしたら」とレビンは言い、「彼らが構築するものは何ですか?」
これらの答えのいくつかは、今日 Science Robotics に掲載されている研究で明らかにされています。 .これは、新世代のゼノボット (人間の指導や支援をまったく必要とせずに、自分自身で形成されたもの) について説明しています。
一見すると、これらのゼノボットは、アメーバ、プランクトン、またはジアルジアなどの他の微細な水生動物と間違われる可能性があります。 寄生虫—明らかな代理店であちこち泳いでいます。水中の粒子の周りを軌道上を移動するものもあれば、何かを探しているかのように前後にパトロールするものもあります。ペトリ皿に集められたそれらのコレクションは、コミュニティのように機能し、互いの存在に応答し、集団活動に参加します。
自然に成長したこれらのゼノボットの動画を他の生物学者に見せ、それらが何であるかを推測するように頼んだとき、Levin は次のように述べています。 100% アフリカツメガエル 」 これらの微視的な実体は、カエルの正常な発育のどの段階ともまったく異なります。
ゼノボットは、発生生物学における従来の見方をひっくり返します。彼らは、カエルのゲノムが、増殖、分化、およびカエルの体への配置方法について、細胞に独自に指示していないことを示唆しています。むしろ、それはゲノム プログラミングが可能にするプロセスの 1 つの可能な結果にすぎません。
この研究には関わっていないテルアビブ大学の進化生物学者エヴァ・ヤブロンカにとって、ゼノボットは新しいタイプの生物にほかならない。彼女は、この発見が多細胞生命の起源そのものを明らかにするのではないかと考えています.
Levin は、彼のセルボットが、細胞と発生がどのように機能するかについて重要な情報を明らかにしていると信じています。この結果は、個々の細胞が、ゲノムによって制約され、導かれているが、ゲノムによって定義されていない、構築可能な体のパレットを作成する一種の意思決定能力を持っていることを示唆しているようです。遺伝子のレベルを超えて機能するルールは、生物学的形態を特定しているように見えます。ゼノボットに具現化されているルールは、それらがどのように機能するかについて何かを教えてくれます。スペインのポンペウ ファブラ大学の複雑系理論家であるリカール ソレ氏は、この新しい実験は「開発、そしてより一般的には、複雑な生命の新しい形態を調査するためのまったく新しい窓を開く」と述べています。
それは確かにカエルだけではありません。 「ゼノボットに見られる組織が多細胞動物組織の基本的な状態であるとすれば、人間の細胞も同じように振る舞うと彼女は予想しています。いつの日か、これらのルールの効果を学び、導くことができれば、手足の再生など、細胞が自分で管理できないと思われることを達成できるかもしれないと Levin は考えています。
細胞は独自の解決策を見つける
本日発表された論文に記載されている実験は、非常に単純なものでした。同じ研究チームは、Levin の研究室の Emma Lederer とともに、発達中のカエルの胚から、すでに上皮細胞に特化した細胞を取り除き、残りの胚を使わずに、それらを独自のクラスターで発達させました。細胞が「正しい」場所で「正しい」タイプになるように導きます。
細胞が最初に行ったことは目立たないものでした。それらは、数十または数百の細胞で構成されるボールに集まりました。この種の行動はすでによく知られており、皮膚細胞が組織の損傷後に表面積をできるだけ小さくする傾向を反映しており、これにより傷の治癒が促進されます.
その後、事態は奇妙になりました。カエルの皮膚は通常、湿った状態を保つ粘液の保護層で覆われています。粘液が皮膚を均一に覆うように、皮膚細胞には繊毛と呼ばれる毛のような小さな突起があり、これは動いたり叩いたりできます。私たちの肺や気道の内側にもそれらがあり、そこでは鼓動運動が粘液中の汚れを一掃するのに役立ちます.
しかし、カエルの皮膚細胞塊はすぐに繊毛を別の目的に使い始めた。クラスター上に正中線が形成され、「そして、片側の細胞が左に列を作り、反対側の細胞が右側に列を作り、これが離陸する.ズームし始めます」とレビンは言いました
xenobot はどのようにして正中線を描く場所を決定しますか?そして、これを行うことが有用であることを「伝える」ものは何ですか?それはまだ明らかではありません。
しかし、これらのエンティティは移動するだけではありません。彼らは環境に反応しているようです。 「彼らは直進することもあれば、円を描いて進むこともあります」とレビンは言いました。 「水の中に粒子があれば、彼らはそれを一周します。彼らは迷路を進みます — 何かにぶつかることなく角を曲がることができます。」
彼は、「私たちがまだ認識していない多くのことを彼らが行っていることは間違いありません」と付け加えました。
Jablonka は、ほとんどの動物発生生物学者は、このような実験の結果に驚くことはないだろうと考えています。 「彼らはおそらく『はい、もちろんです！なぜ私たちはこの簡単な実験を以前にしなかったのですか?」と彼女は言いました. Solé は、他の人が偶然にも同様の観察結果に出くわしたのではないかと疑っていますが、「それは間違いか、単に不可能だと思っていました」
あるいは、単に見落とされていたのかもしれません。ほとんどの発生研究は、生物全体またはそれらの一部が通常または穏やかに操作された条件下でどのように成長するかを明らかにすることだけを目的としているためです、とジャブロンカは言いました.しかし、レビンの研究には新たな目標がある、と彼女は言います。
Xenobot は通常、受精卵から受け継がれた栄養素で生計を立てながら、約 1 週間生きます。しかしまれに、適切な栄養素を「与える」ことで、レビンのチームはゼノボットを 90 日以上活動状態に保つことができました。寿命の長いものは同じままではなく、あたかも新しい発達経路上にあるかのように変化し始めます — 目的地は不明です.胚からオタマジャクシに成長する彼らの化身はどれもカエルのようには見えません.
コミュニケーションのチャンネル
以前の手作りのゼノボットに関するメディアの報道は、生きた物質から作られた小型ロボットのアイデアを楽しんだり、心配したりしました.彼らは彼ら自身の心を繁殖させ、発達させることができるでしょうか？実際、どちらの可能性もほとんどありませんでした。細胞は栄養培地で生き残ることができましたが、新しいゼノボットに複製することはできませんでした。そして、彼らは心のように振る舞うかもしれない神経細胞を持っていませんでした.
しかし、ゼノボットに神経系がないからといって、細胞が互いに通信できないわけではありません。ある細胞が別の細胞の表面タンパク質に付着する化学物質を放出し、レシピエント内で生化学的プロセスを引き起こす可能性があります。このタイプの細胞シグナル伝達は、胚発生中に常に発生し、隣接する細胞が互いの運命、つまり各細胞が最終的にどのような組織になるかを制御する 1 つの方法です。接着タンパク質は、細胞が互いに接着し、機械的な力や変形を感知できるようにします。胚の発生において、このような機械的な合図は、適切な組織タイプになるように導くこともあります.
Levin は、細胞も一般的に電気的に通信していると考えています。これは神経細胞だけの特性ではありませんが、神経細胞はそれをうまく利用するように特化している可能性があります。ゼノボットには、「カルシウム シグナル伝達のネットワークがあります」と Levin 氏は述べています。これは、ニューロン間で見られるようなカルシウム イオンの交換です。 「これらの皮膚細胞は、脳のニューラル ネットワークで見られるのと同じ電気特性を使用しています。」
たとえば、3 つの xenobot が間隔を空けて一列に配置され、そのうちの 1 つが挟まれてアクティブになると、数秒以内に他の 2 つに現れるカルシウムのパルスを放出します。誰かが攻撃されたと言っている水」とレビンは言いました。
彼は、細胞間コミュニケーションがフォームを刷り込む一種のコードを作成し、細胞は遺伝子とは多かれ少なかれ独立して自分自身を配置する方法を決定できると考えています.言い換えれば、遺伝子は酵素とその生産を制御する調節回路というハードウェアを提供します。しかし、遺伝的入力自体は、細胞群集の集団行動を特定するものではありません.
代わりに、レビンは、行動のレパートリーを生み出す一連の傾向で細胞をプログラムすると考えています.胚発生の通常の条件下では、これらの行動は、私たちが知っている生物を形成するための特定の経路をたどります.しかし、細胞に非常に異なる一連の環境を与えると、他の行動や新たな形が現れるでしょう.
「ゲノムが細胞に提供するのは、細胞が目標指向の活動を行うことを可能にする何らかのメカニズムです」とレビンは言いました。
生来の生存意欲
Levin と彼の同僚が見たと考えているそのような目標の 1 つは、インフォタキシスとして知られています。細胞はまた、予期せぬことに遭遇する可能性である「驚き」を最小限に抑えようとする場合もあります。そのための最善の方法は、自分自身のコピーで自分を囲むことだとレビンは言います。クラスターの表面積を最小化するなど、他のいくつかの目標は、純粋な力学とジオメトリに基づいています。
これらの目標を追求するためのゲノムプログラムは非常に古いものだと彼は言います。実際、細胞が協力する方法を理解する前からの先祖代々の行動のようなものへの回帰が、癌で現れる可能性があります。この場合、細胞は、協力よりも増殖を優先させる、潜在的に致命的な組織化モードを採用します.
そうであれば、自然界の生物の体の形や機能の多様性は、ゲノムに書き込まれた特定の発達プログラムの結果ではなく、これらの単細胞行動の強みと傾向の微調整の結果であり、それは両方から生じる可能性があります.ゲノムと環境。
Jablonka は、ゼノボットに見られる行動は、おそらく「多細胞動物細胞集合体の最も基本的な自己組織化のようなもの」であると推測しています。つまり、フォームの制約と、環境によって提供されるリソースと機会の両方が最小限である場合に起こることです。 「それは、生物の発達中の多細胞システムの物理学について何かを教えてくれます」と彼女は言いました。「粘着性の動物細胞がどのように相互作用するか」.そのため、彼女はこの研究が進化の歴史における多細胞性の出現の手がかりを保持している可能性があると考えています.
ソレはそれに同意します。 「合成複雑性の研究における私たちの夢の 1 つは、私たちの周りで見ることができる生命体の実際のレパートリーを超えて、別のものを探ることができるようにすることです」と彼は言いました。約 5 億 4000 万年以上前のカンブリア紀以前に進化し始めた単純な動物の化石の痕跡は、単細胞生物の相互作用によって多細胞性がどのように生じたかについての漠然としたヒントしか与えません。
細胞は、ゲノムがそれらを規定するのではなく、成長と形成に対する独自の方法で解決策を集合的に「計算」するようにプログラムされている可能性があるということは、進化論的には理にかなっています。妨害。細胞は自発的に正しいコースに戻るため、組織が直面する可能性のある損傷や課題のたびに、危機管理計画をゲノムに組み込む必要はありません。 「あなたが持っているのは、非常に具体的な大規模な目標を持つ臓器と組織です。それらをそれから逸脱させようとすると、それらは戻ってきます」とレビンは言いました.
混乱に対するこの堅牢性は、ゼノボットが損傷から再生できるという事実によって裏付けられているようです。 「彼らがこの新しい体を開発すると、それを維持する能力がいくらかあります」とレビンは言いました.ある実験では、ゼノボットをほぼ 2 つに切断し、ぎざぎざの半分を蝶番のように開きました。そのまま放置すると、ヒンジが再び閉じ、2 つの破片が元の形状を再構築しました。このような動きには、ヒンジ ジョイントに相当な力を加える必要があります。皮膚細胞が通常遭遇することのない状況ですが、皮膚細胞は明らかに適応することができます。
地図なしでナビゲートする
ゼノボットが本当に新しい明確な発達経路をたどっているかどうかは、現時点では不明のままです.ミシガン州立大学の微生物学者である Christoph Adami は、たとえば、ゼノボットの繊毛の発達は、新しい「決定」を反映したものではなく、細胞クラスターに作用する機械的な力に対する自動応答にすぎない可能性があることを示唆しています。彼は、何が起こっているのかを明らかにするために、おそらく遺伝子発現の変化を追跡することによって、より多くの研究が必要になると考えています.
しかし、Levin 氏は、細胞が集合的に目標を決定し記憶するという考えは、彼と彼の同僚がアフリカツメガエルで以前に行った実験によって裏付けられていると述べた。 オタマジャクシ。オタマジャクシがカエルになるためには、顔の形を変える必要があります。ゲノムは、すべての顔の特徴に対して一連の細胞運動を配線すると考えられていました。 「私はこの話に疑問を持っていました」とレビンは言いました。電気信号を操作することで、すべてが間違った場所にあるオタマジャクシを作りました。ミスター・ポテト・ヘッドのように、完全にめちゃくちゃでした。」
それでも、このオタマジャクシの特徴の抽象的な再配置から、通常のカエルが出現しました。 「変態の間、器官は、正常なカエルの顔に適した場所に落ち着くまで、通常とは異なる経路をたどります」とレビン氏は言います。それはあたかも、発生中の有機体が、どのような開始構成からでも達成できる目標設計、全体計画を持っているかのようです。これは、細胞が各段階で「命令に従っている」という見方とは大きく異なります。 「システムが構築すべきものの大縮尺マップを保存している何らかの方法があります」と Levin 氏は述べています。ただし、その地図はゲノムにはありませんが、細胞自体の一種の集合的記憶の中にあります.
ただし、セルを完全に再構成すると、マップを変更できるようです。次のステップは、新しいマップを作成するルールが何であるかを理解することです。これにより、マップを制御し、必要なものを構築できるようになります。 「発達プログラムの可塑性についてはほとんどわかっていません」と Adami 氏は述べています。 「私たちの思考は、ミミズ、ハエ、ウニなど、よく研究されたいくつかの生物や遺伝子によって形作られてきました。しかし、すべての先端の下には、古代の潜在的な経路の氷山が存在する可能性があります。」
基本的に、どのような要因が細胞を増殖させて平らな層に広げたり、密な塊に集めたり、器官のような構造を作ったり、移動可能な「ボット」に成長させたりするのか、まだ誰にもわかっていません.現在の課題は、ルールを発見し、それらを望ましい結果に適用する方法を学ぶことです. 「細胞自体が構築すべきパターンをどのようにエンコードするかを学び、その標的の形態を書き換える必要があります」と彼は言いました。
彼は、結果には組織や手足を再生する可能性が含まれる可能性があると考えています。これは、アホロートルなどの一部の両生類が得意とするトリックですが、私たちにはできません。 「私にとって、これは再生医療の問題に対する答えであり、私たちが間もなく直面することになるでしょう」と彼は言いました。私たちは遺伝子を切り替えたり、細胞内の分子を操作したりすることは得意ですが、それらのダイヤルを回して指、目、手足を作る方法を知りません。 「その最も低い遺伝子レベルを操作することによって、3D解剖学にどのように変化をもたらすかはまったく明らかではありません」とレビンは言いました. 「細胞自体が構築すべきパターンをどのようにエンコードするかを学び、その標的の形態を書き換えて、細胞に機能させる必要があります。」
細胞が体の計画への道を見つける可能性は、一部のウミウシが寄生虫にひどく感染すると、自己誘発の断頭によって頭が体から分離し、数時間以内にまったく新しい体全体を再成長させるという報告で最近劇的に説明されました.週間。これを単なる再生の極端なケースと見なしたくなるかもしれませんが、その見方にはいくつかの重大な疑問が残されています。
「まず、再生しようとしている解剖学的構造の情報はどこから来るのか?」レヴィンは尋ねた。 「『ゲノム』と言うのは簡単ですが、私たちのゼノボットから、極度の可塑性があり、細胞は実際には非常に異なる体を作る意思と能力があることがわかっています。」
2番目の問題は、再生がいつ停止するかをどのように知っているかということです. 「細胞は『正しい』最終形状が生成されたことをどのように認識し、再構築と成長を止めることができるのでしょうか?」彼は尋ねた。この答えは、がん細胞の無秩序を理解する上で重要であると彼は考えています.
Levin のグループは現在、成体のヒト細胞 (胚細胞の多様性に欠ける) が、機会があれば「ボット」に組み立てる同様の能力を示すかどうかを研究しています。予備的な調査結果は、それらがそうであることを示唆している、と研究者は述べた.
生物、生きている機械、またはその両方?
論文の中で、Levin と彼の同僚は、ゼノボットが「生きた機械」としての可能性について議論しています。これは、顕微鏡プローブとして使用したり、水環境の清掃などの集合的な操作を実行するために群れで展開したりできます。しかし、アダミは、タフツのチームがこれを開始するのに十分理解していると確信している. 「彼らは、これらのものを設計できること、プログラムできること、機械的な制約を解放すると、「通常」ではないことをしていることを示していません」と彼は言いました.
しかし、Levin は思いとどまらず、基礎科学のためのゼノボットの影響は、最終的には生物医学や生物工学への応用をはるかに超えて、その部分に具体的にコード化されていない創発的なデザインを示す集合システムにまで及ぶ可能性があると考えています.
「これは生物学よりも大きいと思います」とレビンは言いました。 「より大規模な目標がどこから来るのかについての科学が必要です。私たちは、モノのインターネット、群れロボット、さらには企業や企業に囲まれることになります。彼らの目標がどこから来ているのかわからず、予測するのも苦手ですし、プログラムするのも苦手です。」
ソレはその広い視野を共有しています。 「この研究は、自己組織化の潜在的な可能性について明らかにする点で特に注目に値します」と彼は言いました。彼は、自然がどのようにその無限の形を作り出すかについての私たちの見方を広げるかもしれないと感じています。おそらく、動物は、たとえ人間であっても、石で書かれた実体ではなく、むしろ DNA で書かれた実体ではなく、細胞が意思決定を行う結果の 1 つにすぎません。
しかし、ゼノボットは「生物」ですか？絶対に、レビンは言います — 単語の正しい意味を採用すれば.明確な境界と、明確に定義された集合的で目標指向の活動を持つ細胞の集まりは、「自己」と見なすことができます。ゼノボット同士が遭遇して一時的にくっつくと、融合しません。彼らは自尊心を維持し、尊重します。彼らは「世界の他の地域から自分たちを区別する自然な境界を持ち、首尾一貫した機能的行動を持つことを可能にします」とレビンは言いました. 「それが生物であることの核心です。」
「彼らは有機体です」とヤブロンカは同意した。確かに、ゼノボットは繁殖できないと思われますが、ラバも繁殖できません。さらに、「ゼノボットは断片化し、2 つの小さなものを形成するように誘導される可能性があります」と彼女は言いました。だとすれば、ゼノボットも一種の進化を遂げる可能性がある。その場合、彼らがどうなるかは誰にもわかりません。
