Τα κύτταρα σχηματίζονται από μόνα τους σε «Xenobots».

Στις αρχές του περασμένου έτους, ο βιολόγος Μάικλ Λέβιν και οι συνεργάτες του έδωσαν μια γεύση του πόσο ευέλικτη μπορεί να είναι η ζωντανή ύλη. Ο Levin και ο Douglas Blackiston, μέλος του εργαστηρίου του στο Allen Discovery Center του Πανεπιστημίου Tufts, συγκέντρωσαν τα εκκολαπτόμενα κύτταρα δέρματος και μυών από ένα έμβρυο βατράχου και διαμόρφωσαν τα πολυκύτταρα συγκροτήματα με το χέρι. Αυτή η διαδικασία γλυπτικής καθοδηγήθηκε από έναν αλγόριθμο που αναπτύχθηκε από τους επιστήμονες υπολογιστών Josh Bongard και Sam Kriegman του Πανεπιστημίου του Βερμόντ, οι οποίοι αναζήτησαν προσομοιωμένες διατάξεις των δύο τύπων κυττάρων ικανών για οργανωμένη κίνηση. Ένα σχέδιο, για παράδειγμα, είχε δύο κοτσάνια που μοιάζουν με πόδι στο κάτω μέρος για να πιέζεται.

Οι ερευνητές άφησαν τα σμήνη κυττάρων να συναρμολογηθούν στις σωστές αναλογίες και στη συνέχεια χρησιμοποίησαν εργαλεία μικροχειρισμού για να μετακινήσουν ή να εξαλείψουν κύτταρα - ουσιαστικά τρυπώντας τα και χαράσσοντάς τα σε σχήματα όπως αυτά που προτείνει ο αλγόριθμος. Οι προκύπτουσες συστάδες κυττάρων έδειξαν την προβλεπόμενη ικανότητα να κινούνται σε μια επιφάνεια με μη τυχαίο τρόπο.

Η ομάδα ονόμασε αυτές τις δομές xenobots. Ενώ το πρόθεμα προήλθε από τη λατινική ονομασία των αφρικανικών βατράχων με νύχια (Xenopus laevis ) που παρείχε τα κύτταρα, φαινόταν επίσης κατάλληλο λόγω της σχέσης του με το xenos , η αρχαία ελληνική σημαίνει «παράξενο». Αυτά ήταν όντως παράξενα ζωντανά ρομπότ:μικροσκοπικά αριστουργήματα κυτταρικής κατασκευής κατασκευασμένα από ανθρώπινο σχέδιο. Και υπαινίχθηκαν πώς τα κύτταρα θα μπορούσαν να πειστούν να αναπτύξουν νέους συλλογικούς στόχους και να αποκτήσουν σχήματα εντελώς διαφορετικά από αυτά που συνήθως αναπτύσσονται από ένα έμβρυο.

Αλλά αυτό μόνο ξύνει την επιφάνεια του προβλήματος για τον Levin, ο οποίος ήθελε να μάθει τι θα μπορούσε να συμβεί εάν τα εμβρυϊκά κύτταρα βατράχου «απελευθερώνονταν» από τους περιορισμούς τόσο του εμβρυϊκού σώματος όσο και των χειρισμών των ερευνητών. «Αν τους δώσουμε την ευκαιρία να ξαναοραματιστούν την πολυκυτταρικότητα», είπε ο Λέβιν, τότε η ερώτησή του ήταν, «Τι είναι αυτό που θα χτίσουν;»

Μερικές από αυτές τις απαντήσεις αποκαλύπτονται τώρα σε εργασίες που εμφανίζονται σήμερα στο Science Robotics . Περιγράφει μια νέα γενιά xenobots — αυτά που διαμορφώθηκαν από μόνα τους, εντελώς χωρίς ανθρώπινη καθοδήγηση ή βοήθεια.

Με μια ματιά, αυτά τα ξενομπότ μπορεί να μπερδευτούν με άλλα μικροσκοπικά υδρόβια ζώα - αμοιβάδες ή πλαγκτόν ή Giardia παράσιτα — κολύμπι εδώ κι εκεί με προφανή δράση. Μερικοί κινούνται σε τροχιά γύρω από σωματίδια στο νερό, ενώ άλλοι περιπολούν πέρα ​​δώθε σαν να αναζητούν κάτι. Οι συλλογές τους σε ένα πιάτο Petri λειτουργούν σαν κοινότητα, ανταποκρινόμενοι ο ένας στην παρουσία του άλλου και συμμετέχοντας σε συλλογικές δραστηριότητες.

Όταν δείχνει ταινίες με αυτά τα αυθόρμητα μεγαλωμένα ξενομπότ σε άλλους βιολόγους και τους ζητά να μαντέψουν τι είναι, ο Λέβιν είπε ότι «Οι άνθρωποι λένε, «Είναι ένα ζώο που το βρήκες κάπου σε μια λίμνη». Έμειναν έκπληκτοι όταν αποκαλύπτει ότι «είναι 100% Xenopus laevis. Αυτές οι μικροσκοπικές οντότητες δεν μοιάζουν καθόλου με κανένα στάδιο της κανονικής ανάπτυξης ενός βατράχου.

Τα xenobots ανατρέπουν κάποιες συμβατικές απόψεις στην αναπτυξιακή βιολογία. Προτείνουν ότι το γονιδίωμα του βατράχου δεν καθοδηγεί μοναδικά τα κύτταρα σχετικά με το πώς να πολλαπλασιαστούν, να διαφοροποιηθούν και να τακτοποιηθούν σε σώμα βατράχου. Αντίθετα, αυτό είναι μόνο ένα πιθανό αποτέλεσμα της διαδικασίας που επιτρέπει ο γονιδιωματικός προγραμματισμός.

Για την εξελικτική βιολόγο Eva Jablonka του Πανεπιστημίου του Τελ Αβίβ, η οποία δεν συμμετείχε στην εργασία, τα xenobots δεν είναι τίποτα λιγότερο από ένα νέο είδος πλάσματος - ένα «καθορισμένο από αυτό που κάνει παρά από αυτό που του ανήκει αναπτυξιακά και εξελικτικά». Υποψιάζεται ότι τα ευρήματα μπορεί να φωτίσουν την ίδια την προέλευση της πολυκυτταρικής ζωής.

Ο Levin πιστεύει ότι τα cell-bots του αποκαλύπτουν κάτι βαθύ για το πώς λειτουργούν τα κύτταρα και η ανάπτυξη. Τα αποτελέσματα φαίνεται να υπονοούν ότι τα μεμονωμένα κύτταρα έχουν ένα είδος ικανότητας λήψης αποφάσεων που δημιουργεί μια παλέτα πιθανών σωμάτων που θα μπορούσαν να χτίσουν — περιορισμένα και καθοδηγούμενα από το γονιδίωμα αλλά δεν ορίζονται από αυτό. Οι κανόνες που λειτουργούν πάνω από το επίπεδο των γονιδίων φαίνεται να προσδιορίζουν τη βιολογική τους μορφή και ο τρόπος που τους βλέπουμε να ενσωματώνονται στα xenobots μπορεί να μας πει κάτι για τον τρόπο λειτουργίας τους. Ο Ricard Solé, θεωρητικός περίπλοκων συστημάτων στο Πανεπιστήμιο Pompeu Fabra στην Ισπανία, είπε ότι τα νέα πειράματα «ανοίγουν ένα εντελώς νέο παράθυρο για να διερευνήσουμε την ανάπτυξη — και γενικότερα, νέες μορφές σύνθετης ζωής».

Σίγουρα δεν πρόκειται μόνο για βατράχους. «Αν η οργάνωση που βλέπουμε στα ξενομπότ είναι η βασική κατάσταση της οργάνωσης των πολυκύτταρων ζώων», είπε η Jablonka, τότε αναμένει ότι τα ανθρώπινα κύτταρα θα συμπεριφέρονται με τον ίδιο τρόπο. Κάποτε, αν μπορέσουμε να μάθουμε και να καθοδηγήσουμε την επίδραση αυτών των κανόνων, πιστεύει ο Levin, ίσως μπορέσουμε να επιτύχουμε πράγματα που τα κύτταρά μας δεν φαίνεται να μπορούν να διαχειριστούν μόνα τους, όπως η αναγέννηση των άκρων.

Τα κύτταρα βρίσκουν τις δικές τους λύσεις

Τα πειράματα που περιγράφονται στο έγγραφο που δημοσιεύτηκε σήμερα ήταν εξαιρετικά απλά. Η ίδια ομάδα ερευνητών, μαζί με την Emma Lederer του εργαστηρίου του Levin, αφαίρεσαν κύτταρα από αναπτυσσόμενα έμβρυα βατράχου που είχαν ήδη εξειδικευτεί σε επιθηλιακά κύτταρα και τα άφησαν να αναπτυχθούν σε ομάδες μόνα τους χωρίς το υπόλοιπο έμβρυο, το οποίο κανονικά παρέχει τα σήματα ότι καθοδηγήστε τα κελιά ώστε να γίνουν ο «σωστός» τύπος στη «σωστή» θέση.

Αυτό που έκαναν πρώτα τα κελιά δεν ήταν αξιοσημείωτο:Συγκεντρώθηκαν σε μια μπάλα, αποτελούμενη από δεκάδες κελιά ή μερικές εκατοντάδες. Αυτό το είδος συμπεριφοράς ήταν ήδη ευρέως γνωστό και αντανακλά την τάση των κυττάρων του δέρματος να κάνουν την επιφάνειά τους όσο το δυνατόν μικρότερη μετά από βλάβη των ιστών, η οποία βοηθά στην επούλωση των πληγών.

Μετά τα πράγματα έγιναν περίεργα. Το δέρμα του βατράχου καλύπτεται γενικά με ένα προστατευτικό στρώμα βλέννας που το διατηρεί υγρό. Για να διασφαλιστεί ότι η βλέννα καλύπτει το δέρμα ομοιόμορφα, τα κύτταρα του δέρματος έχουν μικρές προεξοχές που μοιάζουν με τρίχες που ονομάζονται βλεφαρίδες, οι οποίες μπορούν να κινούνται και να χτυπούν. Τα έχουμε, επίσης, στην επένδυση των πνευμόνων και της αναπνευστικής οδού μας, όπου η παλμική τους κίνηση βοηθά στην απομάκρυνση της βρωμιάς από τη βλέννα.

Αλλά τα σμήνη κυττάρων του δέρματος του βατράχου άρχισαν γρήγορα να χρησιμοποιούν τις βλεφαρίδες τους για διαφορετικό σκοπό:να κολυμπούν τριγύρω χτυπώντας σε συντονισμένα κύματα. Μια μεσαία γραμμή σχηματίστηκε στο σύμπλεγμα, «και τα κελιά στη μία πλευρά σειρά προς τα αριστερά και αυτά στην άλλη πλευρά σειρά προς τα δεξιά, και αυτό το πράγμα απογειώνεται. Αρχίζει να κάνει ζουμ», είπε ο Levin

Πώς αποφασίζει το xenobot πού θα τραβήξει τη μέση γραμμή; Και τι του «λέει» ότι αυτό θα ήταν χρήσιμο; Αυτό δεν είναι ακόμη σαφές.

Αλλά αυτές οι οντότητες δεν κινούνται απλώς. φαίνονται να ανταποκρίνονται στο περιβάλλον τους. «Μερικές φορές θα πάνε ευθεία, μερικές φορές σε κύκλους», είπε ο Λέβιν. «Αν υπάρχει κάποιο σωματίδιο στο νερό, θα το κυκλώσουν. Θα κάνουν λαβύρινθους — μπορούν να κάνουν γωνίες χωρίς να πέσουν σε τίποτα.»

Πρόσθεσε, "Είμαι σίγουρος ότι κάνουν πολλά πράγματα που δεν τα αναγνωρίζουμε ακόμη."

Η Jablonka πιστεύει ότι οι περισσότεροι βιολόγοι ανάπτυξης ζώων δεν θα εκπλαγούν από το αποτέλεσμα πειραμάτων όπως αυτό - αλλά θα κλωτσήσουν τον εαυτό τους επειδή δεν το έψαξαν. «Μάλλον θα έλεγαν, «Ναι, φυσικά! Γιατί δεν κάναμε αυτό το απλό πείραμα πριν;», είπε. Ο Σολέ υποπτεύεται ότι άλλοι μπορεί να είχαν σκοντάψει κατά λάθος σε παρόμοιες παρατηρήσεις, αλλά «νόμιζε ότι ήταν λάθος ή απλώς αδύνατο».

Ή μπορεί απλώς να έχει παραβλεφθεί - επειδή οι περισσότερες αναπτυξιακές έρευνες στοχεύουν μόνο να αποκαλύψουν πώς αναπτύσσονται ολόκληροι οργανισμοί ή μέρη τους κάτω από κανονικές ή ήπιες συνθήκες χειραγώγησης, είπε ο Jablonka. Αλλά το έργο της Levin έχει έναν νέο στόχο, λέει:«Η κατασκευή ενός αυτόνομου πλάσματος που δεν έχει καμία σχέση με τη συγκεκριμένη μορφή του [πρωτότυπου] οργανισμού».

Τα ξενομπότ ζουν συνήθως για περίπου μια εβδομάδα, διατηρώντας τα θρεπτικά συστατικά που περνούν από το γονιμοποιημένο ωάριο από το οποίο προέρχονται. Αλλά σε σπάνιες περιπτώσεις, «ταΐζοντάς» τους με τα σωστά θρεπτικά συστατικά, η ομάδα του Levin κατάφερε να διατηρήσει ενεργά τα xenobots για περισσότερες από 90 ημέρες. Οι μακροβιότεροι δεν μένουν ίδιοι, αλλά αρχίζουν να αλλάζουν, σαν να βρίσκονται σε μια νέα αναπτυξιακή πορεία — άγνωστος προορισμός. Καμία από τις ενσαρκώσεις τους δεν μοιάζει με βάτραχο καθώς μεγαλώνει από έμβρυο σε γυρίνο.

Κανάλια επικοινωνίας

Οι αναφορές των μέσων ενημέρωσης για τα προηγούμενα χειροποίητα ξενομπότ απολάμβαναν και ανησυχούσαν για την ιδέα των μικροσκοπικών ρομπότ κατασκευασμένων από ζωντανή ύλη. Θα μπορούσαν να γεννήσουν και να αναπτύξουν τα δικά τους μυαλά; Στην πραγματικότητα, καμία πιθανότητα δεν ήταν εξ αποστάσεως πιθανή:Τα κύτταρα θα μπορούσαν να επιβιώσουν σε ένα θρεπτικό μέσο, ​​αλλά δεν μπορούσαν να αναπαραχθούν σε νέα ξενομπότ. Και δεν είχαν νευρικά κύτταρα που θα μπορούσαν να λειτουργήσουν σαν μυαλό.

Αλλά παρόλο που τα xenobots δεν έχουν νευρικό σύστημα, αυτό δεν σημαίνει ότι τα κύτταρα δεν μπορούν να επικοινωνήσουν μεταξύ τους. Ένα κύτταρο μπορεί να απελευθερώσει μια χημική ουσία που κολλάει στις επιφανειακές πρωτεΐνες ενός άλλου κυττάρου, προκαλώντας μια βιοχημική διαδικασία μέσα στον δέκτη. Αυτός ο τύπος κυτταρικής σηματοδότησης συμβαίνει συνεχώς κατά τη διάρκεια της εμβρυϊκής ανάπτυξης και είναι ένας τρόπος με τον οποίο τα γειτονικά κύτταρα ελέγχουν το ένα τη μοίρα του άλλου - τον τύπο ιστού που γίνεται τελικά κάθε κύτταρο. Οι συγκολλητικές πρωτεΐνες επιτρέπουν στα κύτταρα να προσκολλώνται το ένα στο άλλο και να αισθάνονται μηχανικές δυνάμεις και παραμορφώσεις. Κατά την ανάπτυξη εμβρύων, μηχανικές ενδείξεις όπως αυτό μπορεί επίσης να οδηγήσουν στο να γίνει ο σωστός τύπος ιστού.

Ο Levin πιστεύει ότι τα κύτταρα επικοινωνούν συνήθως ηλεκτρικά - ότι αυτό δεν είναι μόνο μια ιδιότητα των νευρικών κυττάρων, αν και μπορεί να έχουν εξειδικευτεί για να το κάνουν καλή χρήση. Σε ένα xenobot, "υπάρχει ένα δίκτυο σηματοδότησης ασβεστίου", είπε ο Levin - μια ανταλλαγή ιόντων ασβεστίου όπως αυτή που παρατηρείται μεταξύ των νευρώνων. "Αυτά τα κύτταρα του δέρματος χρησιμοποιούν τις ίδιες ηλεκτρικές ιδιότητες που θα βρείτε στο νευρωνικό δίκτυο ενός εγκεφάλου."

Για παράδειγμα, εάν τρία xenobots τοποθετηθούν σε απόσταση μεταξύ τους και ένα από αυτά ενεργοποιηθεί με το τσιμπημένο, θα εκπέμψει έναν παλμό ασβεστίου που, μέσα σε δευτερόλεπτα, εμφανίζεται στα άλλα δύο — «ένα χημικό σήμα που περνάει το νερό λέει ότι κάποιος μόλις δέχτηκε επίθεση», είπε ο Levin.

Πιστεύει ότι οι διακυτταρικές επικοινωνίες δημιουργούν ένα είδος κώδικα που αποτυπώνει μια φόρμα και ότι τα κύτταρα μπορούν μερικές φορές να αποφασίσουν πώς να τακτοποιηθούν περισσότερο ή λιγότερο ανεξάρτητα από τα γονίδιά τους. Με άλλα λόγια, τα γονίδια παρέχουν το υλικό, με τη μορφή ενζύμων και ρυθμιστικών κυκλωμάτων για τον έλεγχο της παραγωγής τους. Αλλά η γενετική εισροή δεν καθορίζει από μόνη της τη συλλογική συμπεριφορά των κυτταρικών κοινοτήτων.

Αντίθετα, ο Levin πιστεύει ότι προγραμματίζει κύτταρα με ένα σύνολο τάσεων που παράγουν ένα ρεπερτόριο συμπεριφορών. Υπό τις κανονικές συνθήκες της εμβρυογένεσης, αυτές οι συμπεριφορές ακολουθούν μια ορισμένη πορεία προς το σχηματισμό των οργανισμών που γνωρίζουμε. Αλλά δώστε στα κύτταρα ένα πολύ διαφορετικό σύνολο περιστάσεων και θα εμφανιστούν άλλες συμπεριφορές και νέα αναδυόμενα σχήματα.

"Αυτό που παρέχει το γονιδίωμα για τα κύτταρα είναι κάποιος μηχανισμός που τους επιτρέπει να αναλαμβάνουν δραστηριότητες που κατευθύνονται προς τους στόχους", είπε ο Levin — στην πραγματικότητα, μια προσπάθεια προσαρμογής και επιβίωσης.

Εγγενή Drives to Survive

Ένας τέτοιος στόχος που ο Levin και οι συνάδελφοί του πιστεύουν ότι έχουν δει είναι γνωστός ως infotaxis, μια ώθηση για τα κύτταρα να μεγιστοποιήσουν τον όγκο των πληροφοριών που λαμβάνουν από τους γείτονές τους. Τα κύτταρα μπορεί επίσης να επιδιώξουν να ελαχιστοποιήσουν την «έκπληξη», την πιθανότητα να συναντήσουν κάτι απροσδόκητο. Ο καλύτερος τρόπος για να το κάνετε αυτό, λέει ο Levin, είναι να περιβάλλετε τον εαυτό σας με αντίγραφα του εαυτού σας. Ορισμένοι άλλοι στόχοι βασίζονται στην καθαρή μηχανική και γεωμετρία, όπως η ελαχιστοποίηση της επιφάνειας ενός συμπλέγματος.

Τα γονιδιωματικά προγράμματα για την επιδίωξη αυτών των στόχων, λέει, είναι πολύ αρχαία. Πράγματι, μια επαναφορά σε κάτι σαν την προγονική συμπεριφορά από πριν τα κύτταρα καταλάβουν πώς να συνεργάζονται μπορεί να εμφανιστεί στους καρκίνους — όπου τα κύτταρα υιοθετούν έναν δυνητικά θανατηφόρο τρόπο οργάνωσης που θέτει τον πολλαπλασιασμό μπροστά από τη συνεργασία.

Αν αυτό είναι σωστό, τότε η ποικιλία των σχημάτων και των λειτουργιών του σώματος σε φυσικούς οργανισμούς δεν είναι τόσο το αποτέλεσμα συγκεκριμένων αναπτυξιακών προγραμμάτων γραμμένων στο γονιδίωμά τους, αλλά τροποποιήσεων στα δυνατά σημεία και τις τάσεις αυτών των μονοκυτταρικών συμπεριφορών, που μπορεί να προέρχονται και από τα δύο το γονιδίωμα και το περιβάλλον.

Η Jablonka εικάζει ότι οι συμπεριφορές που εμφανίζονται στα xenobots είναι πιθανώς «κάτι σαν την πιο βασική αυτοοργάνωση ενός πολυκύτταρου συσσωρεύματος ζωικών κυττάρων». Δηλαδή, είναι αυτό που συμβαίνει όταν τόσο οι περιορισμοί στη μορφή όσο και οι πόροι και οι ευκαιρίες που παρέχει το περιβάλλον είναι ελάχιστες. «Σας λέει κάτι για τη φυσική των βιολογικών, αναπτυσσόμενων πολυκύτταρων συστημάτων», είπε:«πώς αλληλεπιδρούν τα κολλώδη ζωικά κύτταρα». Για αυτόν τον λόγο, πιστεύει ότι το έργο μπορεί να περιέχει ενδείξεις για την εμφάνιση της πολυκυτταρικότητας στην εξελικτική ιστορία.

Ο Σολέ συμφωνεί με αυτό. «Ένα από τα όνειρά μας στη μελέτη της συνθετικής πολυπλοκότητας είναι να μπορέσουμε να προχωρήσουμε πέρα ​​από το πραγματικό ρεπερτόριο των μορφών ζωής που μπορούμε να δούμε γύρω μας και να εξερευνήσουμε εναλλακτικές λύσεις», είπε. Τα απολιθωμένα ίχνη απλών ζώων που άρχισαν να εξελίσσονται πριν από την εποχή της Κάμβριας, πριν από περίπου 540 εκατομμύρια χρόνια, δίνουν μόνο τις πιο ασαφείς ενδείξεις για το πώς προέκυψε η πολυκυτταρικότητα μέσω των αλληλεπιδράσεων μονοκύτταρων οργανισμών.

Το ότι τα κύτταρα μπορεί να προγραμματιστούν να «υπολογίζουν» συλλογικά τους τρόπους τους για λύσεις ανάπτυξης και σχηματισμού, αντί να τις συνταγογραφεί το γονιδίωμά τους, είναι λογικό με εξελικτικούς όρους, επειδή σημαίνει ότι οι συλλογικοί στόχοι των κυττάρων σε έναν ιστό παραμένουν ανθεκτικοί σε διατάραξη. Δεν χρειάζεται να ενσωματώσετε ένα σχέδιο έκτακτης ανάγκης στο γονιδίωμα για κάθε τραυματισμό ή πρόκληση που μπορεί να αντιμετωπίσει ο ιστός, επειδή τα κύτταρα θα επανέλθουν αυθόρμητα στη σωστή πορεία. "Αυτό που έχετε είναι όργανα και ιστοί που έχουν πολύ συγκεκριμένους στόχους μεγάλης κλίμακας, και αν προσπαθήσετε να τους αποτρέψετε από αυτό, θα επιστρέψουν", είπε ο Levin.

Αυτή η ανθεκτικότητα έναντι της διαταραχής φαίνεται να επιβεβαιώνεται από το γεγονός ότι τα xenobots μπορούν να αναγεννηθούν από ζημιές. «Μόλις αναπτύξουν αυτό το νέο σώμα, έχουν κάποια ικανότητα να το διατηρήσουν», είπε ο Levin. Σε ένα πείραμα, ένα xenobot κόπηκε σχεδόν στα δύο, τα κουρελιασμένα μισά του άνοιξαν σαν μεντεσέ. Αφημένο στον εαυτό του, ο μεντεσές έκλεισε ξανά και τα δύο θραύσματα ξαναέχτισαν το αρχικό σχήμα. Μια τέτοια κίνηση απαιτεί ουσιαστική δύναμη που εφαρμόζεται στην άρθρωση της άρθρωσης — μια κατάσταση που κανονικά δεν θα συναντούσαν τα κύτταρα του δέρματος, αλλά στην οποία προφανώς μπορούν να προσαρμοστούν.

Πλοήγηση χωρίς χάρτη

Το εάν τα xenobots βρίσκονται πραγματικά σε μια νέα και ξεχωριστή αναπτυξιακή πορεία παραμένει ασαφές σε αυτό το σημείο. Ο Christoph Adami, μικροβιολόγος στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν, προτείνει ότι η ανάπτυξη των βλεφαρίδων από τα ξενομπότ, για παράδειγμα, μπορεί να μην αντικατοπτρίζει κάποια νέα «απόφαση», αλλά απλώς μια αυτόματη απόκριση στις μηχανικές δυνάμεις που δρουν στις κυτταρικές συστάδες. Πιστεύει ότι θα χρειαστεί περισσότερη δουλειά, ίσως με την παρακολούθηση των αλλαγών στη γονιδιακή έκφραση, για να διαπιστωθεί τι συμβαίνει.

Αλλά ο Levin είπε ότι η ιδέα των κυττάρων να αποφασίζουν συλλογικά και να θυμούνται τους στόχους υποστηρίζεται από πειράματα που ο ίδιος και οι συνάδελφοί του διεξήγαγαν προηγουμένως στον Xenopus γυρίνους. Για να γίνει βάτραχος, ένας γυρίνος πρέπει να αναδιατάξει το πρόσωπό του. Το γονιδίωμα θεωρήθηκε ότι συνδέει ένα σύνολο κυτταρικών κινήσεων για κάθε χαρακτηριστικό του προσώπου. «Είχα αμφιβολίες για αυτή την ιστορία», είπε ο Λέβιν, «έτσι φτιάξαμε αυτό που λέμε Πικάσο γυρίνους. Με το χειρισμό των ηλεκτρικών σημάτων, φτιάξαμε γυρίνους όπου όλα ήταν στη λάθος θέση. Ήταν τελείως μπερδεμένο, όπως ο κύριος Πατατοκέφαλος.»

Και όμως από αυτή την αφηρημένη αναδιάταξη των χαρακτηριστικών του γυρίνου, προέκυψαν κανονικοί βάτραχοι. «Κατά τη διάρκεια της μεταμόρφωσης, τα όργανα ακολουθούν ασυνήθιστα μονοπάτια που συνήθως δεν ακολουθούν, μέχρι να εγκατασταθούν στο σωστό μέρος για ένα κανονικό πρόσωπο βατράχου», είπε ο Levin. Είναι σαν ο αναπτυσσόμενος οργανισμός να έχει ένα σχέδιο στόχο, ένα παγκόσμιο σχέδιο, που μπορεί να επιτύχει από οποιαδήποτε αρχική διαμόρφωση. Αυτό είναι πολύ διαφορετικό από την άποψη ότι τα κελιά «ακολουθούν εντολές» σε κάθε βήμα της διαδρομής. "Υπάρχει κάποιος τρόπος που το σύστημα αποθηκεύει έναν χάρτη μεγάλης κλίμακας αυτού που υποτίθεται ότι θα κατασκευάσει", είπε ο Levin. Ωστόσο, αυτός ο χάρτης δεν βρίσκεται στο γονιδίωμα, αλλά σε ένα είδος συλλογικής μνήμης των ίδιων των κυττάρων.

Εάν, ωστόσο, επαναδιαμορφώσετε πλήρως τα κελιά, φαίνεται ότι μπορείτε να αλλάξετε τον χάρτη. Το επόμενο βήμα είναι να επεξεργαστούμε ποιοι είναι οι κανόνες που δημιουργούν τον νέο χάρτη — ώστε να μπορούμε να τον ελέγξουμε και να δημιουργήσουμε αυτό που θέλουμε. «Γνωρίζουμε πολύ λίγα για την πλαστικότητα των αναπτυξιακών προγραμμάτων», είπε ο Adami. «Η σκέψη μας έχει διαμορφωθεί από μερικούς καλά μελετημένους οργανισμούς και γονίδια, όπως τα σκουλήκια, τις μύγες και τους αχινούς. Αλλά πιθανότατα υπάρχει ένα παγόβουνο με αρχαία πιθανά μονοπάτια κάτω από κάθε άκρη.»

Βασικά, λέει ο Levin, κανείς δεν γνωρίζει ακόμη ποιοι παράγοντες αναγκάζουν συγκεκριμένα τα κύτταρα να πολλαπλασιαστούν και να εξαπλωθούν σε ένα επίπεδο στρώμα, να συγκεντρωθούν σε μια πυκνή μάζα, να δημιουργήσουν μια οργανική δομή… ή να αναπτυχθούν σε ένα κινητό «bot». Η πρόκληση τώρα είναι να ανακαλύψουμε τους κανόνες και να μάθουμε πώς να τους εφαρμόζουμε για τα επιθυμητά αποτελέσματα. «Πρέπει να μάθουμε πώς τα ίδια τα κύτταρα κωδικοποιούν οποιοδήποτε μοτίβο υποτίθεται ότι θα δημιουργήσουν και στη συνέχεια να ξαναγράψουμε αυτή τη μορφολογία στόχου», είπε.

Πιστεύει ότι τα αποτελέσματα μπορεί να περιλαμβάνουν τη δυνατότητα αναγέννησης ιστών και άκρων - ένα τέχνασμα στο οποίο μερικά αμφίβια, όπως τα axolotls, είναι επιδέξια, αλλά δεν μπορούμε να κάνουμε. «Για μένα, αυτή είναι η απάντηση στο πρόβλημα της αναγεννητικής ιατρικής που θα αντιμετωπίσουμε πολύ σύντομα», είπε. Είμαστε πολύ καλοί στην εναλλαγή γονιδίων και στο χειρισμό μορίων στα κύτταρα, αλλά δεν ξέρουμε πώς να γυρίσουμε αυτούς τους επιλογείς για να φτιάξουμε δάχτυλα, μάτια ή άκρα. «Δεν είναι εντελώς προφανές πώς λαμβάνετε αλλαγές στην τρισδιάστατη ανατομία χειραγωγώντας αυτό το χαμηλότερο γενετικό επίπεδο», είπε ο Levin. "Πρέπει να μάθουμε πώς τα ίδια τα κύτταρα κωδικοποιούν οποιοδήποτε μοτίβο υποτίθεται ότι θα δημιουργήσουν και στη συνέχεια να ξαναγράψουμε αυτή τη μορφολογία στόχου και να αφήσουμε τα κύτταρα να κάνουν τη δουλειά τους."

Η δυνατότητα των κυττάρων να βρουν το δρόμο τους προς τα σωματικά σχέδια καταδεικνύεται δραματικά πρόσφατα με μια αναφορά ότι όταν ορισμένοι θαλάσσιοι γυμνοσάλιαγκοι μολύνονται έντονα με παράσιτα, το κεφάλι τους διαχωρίζεται από το σώμα μέσω αυτοπροκαλούμενου αποκεφαλισμού και στη συνέχεια αναγεννάται ένα ολόκληρο νέο σώμα μέσα σε λίγα εβδομάδες. Είναι δελεαστικό να το δούμε αυτό ως απλώς μια ακραία περίπτωση αναγέννησης, αλλά αυτή η προοπτική αφήνει κρέμονται μερικά βαθιά ερωτήματα.

«Πρώτον, από πού προέρχονται οι πληροφορίες για την ανατομία που προσπαθεί να αναγεννήσει;» ρώτησε ο Λέβιν. «Είναι εύκολο να πούμε «γονιδίωμα», αλλά τώρα γνωρίζουμε από τα ξενομπότ μας ότι υπάρχει ακραία πλαστικότητα και τα κύτταρα είναι πραγματικά πρόθυμα και ικανά να χτίσουν πολύ διαφορετικά σώματα.»

Το δεύτερο ερώτημα, λέει, είναι πώς η αναγέννηση ξέρει πότε να σταματήσει. «Πώς γνωρίζουν τα κύτταρα πότε έχει παραχθεί το «σωστό» τελικό σχήμα και μπορούν να σταματήσουν να αναδιαμορφώνονται και να αναπτύσσονται;» ρώτησε. Η απάντηση είναι κρίσιμη για την κατανόηση της ακυβέρνησης των καρκινικών κυττάρων, πιστεύει.

Η ομάδα του Levin μελετά τώρα εάν τα ενήλικα ανθρώπινα κύτταρα (τα οποία δεν έχουν την ευελιξία των εμβρυϊκών κυττάρων) παρουσιάζουν παρόμοια ικανότητα να συναρμολογούνται σε «bots» εάν τους δοθεί η ευκαιρία. Τα προκαταρκτικά ευρήματα δείχνουν ότι το κάνουν, είπαν οι ερευνητές.

Οργανισμοί, ζωντανές μηχανές ή και τα δύο;

Στην εργασία τους, ο Levin και οι συνεργάτες του συζητούν τις δυνατότητες των xenobots ως «ζωντανών μηχανών» που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως μικροσκοπικοί ανιχνευτές ή να αναπτυχθούν σε σμήνη για να εκτελέσουν συλλογικές λειτουργίες όπως ο καθαρισμός υδάτινων περιβαλλόντων. Ο Adami, ωστόσο, μένει να πειστεί ότι η ομάδα των Tufts καταλαβαίνει αρκετά για να αρχίσει να το κάνει αυτό. «Δεν έχουν δείξει ότι μπορείτε να σχεδιάσετε αυτά τα πράγματα, ότι μπορείτε να τα προγραμματίσετε, ότι κάνουν οτιδήποτε δεν είναι «φυσιολογικό» μόλις απελευθερώσετε τους μηχανικούς περιορισμούς», είπε.

Ο Levin δεν πτοείται, ωστόσο, και πιστεύει ότι οι προεκτάσεις των xenobots για τη θεμελιώδη επιστήμη μπορεί τελικά να ξεπεράσουν τις βιοϊατρικές ή βιομηχανικές εφαρμογές τους, σε οποιοδήποτε συλλογικό σύστημα που παρουσιάζει ένα αναδυόμενο σχέδιο που δεν κωδικοποιείται ειδικά στα μέρη του.

«Νομίζω ότι αυτό είναι μεγαλύτερο ακόμη και από τη βιολογία», είπε ο Levin. «Χρειαζόμαστε μια επιστήμη για το από πού προέρχονται οι στόχοι μεγαλύτερης κλίμακας. Θα είμαστε περικυκλωμένοι από το διαδίκτυο των πραγμάτων, από σμήνη ρομποτικής, ακόμη και από εταιρείες και εταιρείες. Δεν ξέρουμε από πού προέρχονται οι στόχοι τους, δεν είμαστε καλοί στο να τους προβλέψουμε και σίγουρα δεν είμαστε καλοί στον προγραμματισμό τους."

Η Solé μοιράζεται αυτό το ευρύτερο όραμα. «Αυτή η εργασία είναι αξιοσημείωτη ιδιαίτερα για το πόσα αποκαλύπτει για τις παραγωγικές δυνατότητες της αυτοοργάνωσης», είπε. Θεωρεί ότι μπορεί να διευρύνει την άποψή μας για το πώς η φύση δημιουργεί τις ατελείωτες μορφές της:«Ένα πράγμα που γνωρίζουμε επίσης καλά είναι ότι η φύση ταλαιπωρείται συνεχώς με τη βιολογική ύλη και ότι διαφορετικές λειτουργίες ή λύσεις μπορούν να επιτευχθούν με διαφορετικούς συνδυασμούς κομματιών». Ίσως ένα ζώο, ακόμη και ένας άνθρωπος, να μην είναι μια οντότητα γραμμένη σε πέτρα — ή μάλλον, σε DNA — αλλά είναι μόνο ένα πιθανό αποτέλεσμα των κυττάρων που λαμβάνουν αποφάσεις.

Είναι όμως τα xenobots «οργανισμοί»; Οπωσδήποτε, λέει ο Levin - με την προϋπόθεση ότι υιοθετούμε τη σωστή σημασία της λέξης. Μια συλλογή κυττάρων που έχει σαφή όρια και καλά καθορισμένη, συλλογική, στοχευμένη δραστηριότητα μπορεί να θεωρηθεί «εαυτός». Όταν τα xenobots συναντώνται μεταξύ τους και κολλάνε προσωρινά, δεν συγχωνεύονται. διατηρούν και σέβονται τον εαυτό τους. «Έχουν φυσικά όρια που τους οριοθετούν από τον υπόλοιπο κόσμο και τους επιτρέπουν να έχουν συνεκτική λειτουργική συμπεριφορά», είπε ο Levin. "Αυτός είναι ο πυρήνας του τι σημαίνει να είσαι οργανισμός."

«Είναι οργανισμοί», συμφώνησε η Jablonka. Είναι αλήθεια ότι τα ξενομπότ προφανώς δεν μπορούν να αναπαραχθούν - αλλά τότε, ούτε ένα μουλάρι μπορεί. Επιπλέον, «ένα ξενομπότ μπορεί να προκληθεί να κατακερματιστεί και να σχηματίσει δύο μικρά», είπε, «και ίσως κάποια κύτταρα να διαιρεθούν και να διαφοροποιηθούν σε κινητικά και μη κινητικά». Αν είναι έτσι, τα xenobots θα μπορούσαν ακόμη και να υποστούν ένα είδος εξέλιξης. Σε ποια περίπτωση, ποιος ξέρει τι μπορεί να γίνουν;