編者按：本文來自微信公眾號(hào) 紅杉匯（ID：Sequoiacap），創(chuàng)業(yè)邦經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載。

提到機(jī)器人，你可能會(huì)想到金屬和計(jì)算機(jī)。但其實(shí)，并非所有的機(jī)器人都是由這些“冷冰冰”的元件組成——最近，在一項(xiàng)新發(fā)表于《高級(jí)科學(xué)》的研究中，國(guó)外一研究團(tuán)隊(duì)利用人體的氣管細(xì)胞，制造出了被他們稱為Anthrobot（人體機(jī)器人）的微型生物機(jī)器人。

生物機(jī)器人（biobot）是由功能性生物組裝而成的可移動(dòng)合成結(jié)構(gòu)。早期，生物機(jī)器人是由生物細(xì)胞和支撐著它們的惰性化學(xué)物質(zhì)的混合體；2021年，生物學(xué)家通過模塑青蛙胚胎細(xì)胞，制造出了多細(xì)胞生物機(jī)器人——這是第一個(gè)完全生物性的生物機(jī)器人，可以在沒有外部起搏器的情況下自發(fā)移動(dòng)；而如今的Anthrobot，則是利用人類氣管細(xì)胞創(chuàng)造，它們可以在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)皿表面移動(dòng)，能夠自我組裝，并對(duì)其他細(xì)胞（例如受損的神經(jīng)元）產(chǎn)生顯著的愈合效果。這一發(fā)現(xiàn)是研究人員將患者來源的生物機(jī)器人作為再生、愈合和治療疾病的新工具的起點(diǎn)。

長(zhǎng)期以來，研究人員都在嘗試研發(fā)生物機(jī)器人以診治疾病，但是首先局限在采用哪種生物來研發(fā)機(jī)器人。

2021年生物學(xué)家Michael Levin的研究團(tuán)隊(duì)利用青蛙胚胎細(xì)胞創(chuàng)造了一個(gè)被命名為異種機(jī)器人（Xenobot）的多細(xì)胞生物機(jī)器人，它是一種活的、可編程的有機(jī)體，大小不到1毫米，具有多種生命特質(zhì)，可以在水性介質(zhì)中移動(dòng)、具有自我修復(fù)能力、可自行生物降解。最厲害的是，即便把生物機(jī)器人切成兩半，它不僅能把自己縫合起來，還能繼續(xù)活動(dòng)。而且，它們不只是能直線行進(jìn)，也能轉(zhuǎn)圈。

但是，Xenobot的醫(yī)療應(yīng)用是有限的，因?yàn)樗鼈儾皇莵碜匀祟惣?xì)胞，而且它們必須經(jīng)過人工模塑將其改變成所需的形狀。而且，科學(xué)家不知道Xenobot的這些能力是否依賴于它們來自兩棲動(dòng)物的胚胎，他們想要知道從哺乳動(dòng)物的細(xì)胞中是否也可以構(gòu)建生物機(jī)器人。

為了解答這個(gè)問題，Michael Levin團(tuán)隊(duì)與其他研究團(tuán)隊(duì)合作，進(jìn)行了進(jìn)一步的深入研究，創(chuàng)造了Anthrobot——該微型機(jī)器人是由人類氣管細(xì)胞創(chuàng)造的新型、多細(xì)胞、完全生物、自我構(gòu)建、可移動(dòng)的生命結(jié)構(gòu)。

Anthrobot的制造

在人類氣管表面，上面覆蓋著一層被稱為“纖毛”的毛發(fā)狀的突起，它們來回?cái)[動(dòng)，幫助氣管細(xì)胞排出微小的顆粒，進(jìn)入肺部的空氣通道。過去的一些研究表明，當(dāng)細(xì)胞在實(shí)驗(yàn)室中生長(zhǎng)時(shí)，它們會(huì)自發(fā)形成微小的多細(xì)胞球體。而每個(gè)Anthrobot都是從一個(gè)成年捐獻(xiàn)者身上獲得的氣管單細(xì)胞開始的。

在研究的過程中，研究人員在凝膠中對(duì)人類氣管皮膚細(xì)胞的球狀體進(jìn)行了為期兩周的培育。然后將這些多細(xì)胞球體簇轉(zhuǎn)移到粘性更低的溶液中培養(yǎng)一周，這一操作可以確保細(xì)胞上的纖毛移動(dòng)到球體的外部而不是內(nèi)部。如此一來，這些纖毛就可以像槳一樣，驅(qū)動(dòng)著細(xì)胞移動(dòng)。

在這個(gè)過程里所產(chǎn)生的Anthrobot的大小從30微米到500微米不等（類似人類頭發(fā)到削尖的鉛筆尖端的厚度），填補(bǔ)了納米技術(shù)和大型工程設(shè)備之間的一個(gè)重要空白。他們還注意到，這些每個(gè)都含有幾百個(gè)細(xì)胞的Anthrobot在形狀和運(yùn)動(dòng)上可分為幾個(gè)獨(dú)立的類別：

▲從形狀的角度，有的Anthrobot呈球形，完全被纖毛覆蓋；有的呈不規(guī)則或橄欖球狀，被纖毛不均勻覆蓋；還有的只在一側(cè)被纖毛覆蓋。

▲ 從運(yùn)動(dòng)的角度，它們有的沿著直線行進(jìn)，有的繞著小圓圈移動(dòng)，有的是這些運(yùn)動(dòng)的結(jié)合，還有的只是“呆坐”著搖擺。其中，被纖毛完全覆蓋的球形機(jī)器人傾向于擺動(dòng)；被纖毛不均勻覆蓋的Anthrobot傾向于在直線或彎曲的路徑上向前移動(dòng)更長(zhǎng)的距離。它們通常能在實(shí)驗(yàn)室條件下存活45-60天，然后自然地降解。

最重要的是，這些Anthrobot具有治療功能。研究人員讓其修復(fù)用金屬棒刮擦過的一塊受傷的神經(jīng)組織，并且獲得了可喜的結(jié)果——把Anthrobot放置于一個(gè)狹小的空間內(nèi)，它們會(huì)自然形成一個(gè)集群，形成了一個(gè)Superbot（超級(jí)機(jī)器人），然后把它們放在距離受損神經(jīng)組織不遠(yuǎn)的地方，隨后，Superbot移動(dòng)到受損的神經(jīng)組織之處，引發(fā)大量的組織再生，修復(fù)了受損的神經(jīng)元。與之對(duì)照的是，在沒有人類機(jī)器人的受傷神經(jīng)組織中，神經(jīng)元不會(huì)生長(zhǎng)。這表明，至少在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)皿的二維世界中，Anthrobot促進(jìn)了活體神經(jīng)組織的有效愈合。不過，研究人員目前尚無法解釋為何人類機(jī)器人能修復(fù)受損的神經(jīng)組織。一個(gè)可能的推測(cè)是，人類機(jī)器人是由支氣管干細(xì)胞培養(yǎng)的，因而有一定的修復(fù)組織的能力。

圖注：每個(gè)Anthrobot都是由數(shù)百個(gè)細(xì)胞組成的。圖源：Gizem Gumuskaya, Tufts University

Anthrobot的優(yōu)勢(shì)

現(xiàn)在看來，Anthrobot具有幾方面的優(yōu)勢(shì)：

▲首先，培養(yǎng)Anthrobot這種微型機(jī)器人幾乎沒有什么倫理限制。因?yàn)椴粨p害DNA和基因，而且沒有像胚胎干細(xì)胞那樣的限制，可以直接從成人的氣管和支氣管提取進(jìn)行培養(yǎng)。

▲其次，Anthrobot易于培養(yǎng)。它不需要研究人員特意去塑造形狀，只要在器皿中就可以培養(yǎng)。培養(yǎng)形成的Anthrobot能運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來自自身的纖毛的推進(jìn)，因此可以做定向運(yùn)動(dòng)，向靶目標(biāo)靠近。更重要的是，由于人類機(jī)器人有修復(fù)功能，在靠近靶目標(biāo)，如受損的器官后，可對(duì)其精準(zhǔn)修復(fù)。

▲此外，Anthrobot的安全性較高。它只能在非常特定的實(shí)驗(yàn)室條件下生存，不會(huì)在實(shí)驗(yàn)室外暴露或意外傳播，它們也不會(huì)繁殖，更不會(huì)對(duì)人的基因進(jìn)行編輯、添加或刪除而造成意外傷害，不像基因剪刀CRISPR/Cas9那樣有脫靶的危險(xiǎn)。而且，它們是使用人體細(xì)胞構(gòu)建而成的，這使得當(dāng)將Anthrobot用于治療工作時(shí)，不會(huì)引發(fā)免疫反應(yīng)或需要免疫抑制劑；而且它們只能持續(xù)幾周就會(huì)分解，所以它們?cè)谛惺雇旯δ苤缶秃苋菀妆蝗梭w重新吸收。

研究人員表示，這一研究結(jié)果是將取自于患者的生物機(jī)器人作為再生、愈合和治療疾病的新治療工具的一個(gè)起點(diǎn)。他們認(rèn)為，更進(jìn)一步的研究或許將帶來更多其他的應(yīng)用，包括清除動(dòng)脈粥樣硬化患者動(dòng)脈中的斑塊積聚，修復(fù)脊髓或視網(wǎng)膜的神經(jīng)損傷，識(shí)別細(xì)菌或癌細(xì)胞，或?qū)⑺幬镙斔偷侥繕?biāo)組織。

而Superbot能夠修復(fù)人體組織的能力也證明了，與無生命的磚塊相比，Anthrobot可以相互交流并動(dòng)態(tài)地創(chuàng)建這些結(jié)構(gòu)，并且在這些結(jié)構(gòu)中，每個(gè)Anthrobot都被編程，具有許多不同功能（例如運(yùn)動(dòng)、分子分泌、信號(hào)檢測(cè)等）。下一步，團(tuán)隊(duì)正在研究如何結(jié)合這些特點(diǎn)來創(chuàng)建全新的生物體計(jì)劃和功能。

參考來源：

https://now.tufts.edu/2023/11/30/scientists-build-tiny-biological-robots-human-cells

https://www.nature.com/articles/d41586-023-03777-x

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202303575

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