生体部品から作られた小さな機械、ゼノボットをご紹介します

ゼノボットについて聞いたことがある人もいるかもしれないが、これはフランケンフロッグのような創造物で、研究者がカエルの胚細胞を、動き回ったり、物を押したり運んだり、協力して作業したりできる小さなバイオマシンに変えるものだ。このはかない生き物は、2020年にタフツ大学とバーモント大学の科学者チームによって初めて作られた。

これらの「ボット」を作った目的は、細胞同士がどのように通信するかを理解することでした。ここでは、ゼノボットが実際にどのように機能するか、そして現在何に使用されているかについての厳密な事実を説明します。

ゼノボットとは何ですか?

「生きているロボット」は恐ろしいSF用語のように聞こえるかもしれないが、スクリーンで見たことがあるような知覚力のあるアンドロイドとはまったく異なるものである。

「最も基本的なレベルでは、これは細胞や組織を使って構築するプラットフォーム、あるいは方法であり、機械部品からロボットを構築する方法です」とタフツ大学の上級科学者ダグラス・ブラッキストン氏は言う。「これはレゴのようなもので、異なるレゴを組み合わせて、同じブロックのセットでさまざまなものを作ることができます。」

しかし、なぜ金属やプラスチックなどの従来の素材ではなく、生体部品からロボットを作ろうとする人がいるのでしょうか。バイオロボットの利点の 1 つは、生分解性であることです。環境アプリケーションでは、ロボットが壊れても、金属、バッテリー、プラスチックなどのゴミで環境を汚染しません。研究者は、寿命が尽きたときにゼノボットが自然に壊れるようにプログラムすることもできます。

ゼノボットはどうやって作るのですか?

ゼノボットの構成要素は、アフリカツメガエル（学名Xenopus laevis ）のメスが産んだ卵から採取されます。

従来のロボットと同様に、電源、動作用のモーターまたはアクチュエーター、センサーなど、他の必須コンポーネントも必要です。しかし、ゼノボットの場合、これらのコンポーネントはすべて生物学的です。

ゼノボットのエネルギーは、両生類の卵に含まれる卵黄から得られ、餌を与えなくても約 2 週間は稼働できます。科学者は、ゼノボットを動かすために、筋肉や心臓組織などの生物学的「モーター」を追加できます。科学者は、モーターをさまざまな構成で配置して、ゼノボットを特定の方向や特定の速度で動かすことができます。

「心臓組織を使用するのは、心臓細胞が一定の速度で脈動するためです。心臓組織を使って組織を作ると、尺取虫のような動きをします」とブラックイストン氏は言います。「私たちが得る他の種類の動きは繊毛によるものです。繊毛は、さまざまな種類の組織の外側で脈打つ小さな毛のような構造です。これは、顕微鏡の世界で支配的な動きです。池の水を少し取って観察すると、目に見えるもののほとんどは繊毛で動いているのがわかります。」

科学者は、光遺伝学的筋組織や化学受容体などのコンポーネントを追加して、これらのバイオボットが環境内の光やその他の刺激に反応できるようにすることもできます。ゼノボットのプログラム方法に応じて、ゼノボットは周囲を自律的に移動したり、研究者が刺激を加えて「動かす」こともできます。

「モーターに直接取り付けられる光センサーを持つ光合成藻類も数多くあり、そのおかげで藻類は日光に向かって泳ぐことができます」とブラックイストン氏は言う。「これらを遺伝子レベルで改良し、さまざまな種類の化学物質や光源に反応するようにし、特定のモーターに結び付ける研究が数多く行われてきました。」

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原始的な形態であっても、ゼノボットは何らかの記憶を伝えたり、研究者にどこに行き、何をしたかに関する情報を中継したりできる。「これらのさまざまなセンサーの活性化を蛍光分子に簡単に接続して、活性化されると点灯したり色が変わったりするようにすることができます」とブラックイストン氏は説明する。たとえば、ボットが青い光の中を泳ぐと、色が緑から赤に永久的に変わる可能性がある。ボットが特定の部分に青い光がある迷路を進むと、迷路での選択に応じてさまざまな色に光る。研究者は迷路を解いている間にその場を離れることができ、それでもゼノボットがどのように迷路を進んだかを知ることができる。

例えば、何かを感知すると水の色を変える化合物を放出することもできます。

これらのセンサーにより、ゼノボットの管理が容易になります。理論的には、科学者はゼノボットが特定の波長の光に引き寄せられるシステムを作ることができます。その後、水中の特定の領域に光を当てて、すべてのボットを集めることができます。そして、すり抜けたボットも、寿命が尽きると無害に分解されます。

ゼノボットシミュレーター

ブラックストン氏は、ノースウェスタン大学とバーモント大学の共同研究者とともに、自分たちが構築した AI シミュレーターを使用して、さまざまな種類のゼノボットを設計しています。「マインクラフトに似ています。物理環境で細胞をシミュレートすると、現実世界の細胞と同じように動作します」と同氏は言います。「赤い細胞は筋肉細胞、青い細胞は皮膚細胞、緑の細胞はその他の細胞です。コンピューターに「5,000 個の細胞を使用して、直線を歩いたり、何かを拾ったりするゼノボットを作成してください」などの目標を与えると、コンピューターはスーパーコンピューターで何億もの組み合わせを試し、非常に高性能であると思われる設計図を返します。」

彼が作ったゼノボットのほとんどは、この AI が作成した設計図から生まれたものだ。彼によると、この設計図は、そうでなければ何千年もかかっていたであろうプロセスをスピードアップする。シミュレーターで遊ぶことと現実世界の生物をモデル化することの間で多少の行き来はあるものの、かなり正確でもある。

ブラックストン氏らが使用しているゼノボットは遺伝子組み換えされていない。「ゼノボットが運動学的自己複製を行い、自身のコピーを作成しているのを目にしますが、これは私たちがプログラムしたものではありません。細胞に運動学的自己複製の方法を伝える回路を設計する必要はありませんでした」とタフツ大学の生物学教授マイケル・レビン氏は言う。「私たちは、細胞がこれを実行することを学習するきっかけを作り、適切な刺激を与えることで、細胞が本来持っている問題解決能力を活用しているのです。」

ゼノボットは私たちに何をもたらすのでしょうか?

ゼノボットは単に細胞が凝固した塊ではなく、生態系のように機能し、水中のカドミウム汚染を探すなど、場合によっては文字通り新しい空間を探索するためのツールとして使用できます。

「私たちは、自然ではない構成で細胞を詰め込んでいます。うまくいくときもあれば、細胞が協力しないときもあります」とブラックイストン氏は言う。「私たちは多くの興味深い疾患モデルについて学びました。」

例えば、ゼノボットの 1 つのモデルでは、肺細胞の繊毛がどのように機能して気道から粒子を押し出したり、粘液を適切に拡散したりするかを調べることができ、繊毛が意図したとおりに機能しないとシステムに欠陥が生じる可能性があることが分かりました。

レビン氏は、より深い応用として、これらのバイオボットを集団知能の理解に利用することを挙げる。これは再生医療の分野における画期的な発見となる可能性がある。

「たとえば、細胞は特定のことをするために固定されているわけではありません。細胞は変化に適応し、さまざまな構成を形成できます」と彼は付け加えます。「細胞がどのような構造を形成するかを共同で決定する方法がわかれば、その計算を利用して新しい臓器を作ったり、損傷後に再生したり、腫瘍を再プログラムしたりできます。これらはすべて、集団的意思決定の仕組みを理解する方法としてこれらのバイオボットを使用することで実現します。」