來源：十點科學

生物機器人，不僅可以給癌細胞送藥，還能清除海洋微塑料，更可能爲多細胞生物起源提供啓示。

　活細胞機器人。|來源：Douglas Blackiston

作者|湯波 分子生物學博士

編輯|陳天真

說到機器人，你想到的大概是有着金屬身體，由計算機程序給出指令、自動執行任務的智能機器。不過，科學家正在利用DNA、細胞創造出一些“生物機器人”，它們可以在生物體中自動執行一些特殊任務，比如給癌細胞送藥、清除體內微塑料等。

例如，用青蛙細胞創造出的一種名爲“xenobots”的生物機器人，乍一看像是變形蟲之類微小的水生生物，一會兒繞着什麼東西轉圈，一會兒來回巡邏，放佛在尋找什麼。

與金屬和塑料機器人不同，它們不僅可以進行新陳代謝，受到損壞後能自我修復，還會響應彼此的存在，表現出羣體行爲，甚至可能爲多細胞生命的起源提供新視角。

活細胞機器人xenobots。|來源：Douglas Blackiston， Quanta Magazine

“帶貨”DNA納米機器人

我們研究機器人，最主要目的是讓它們自動完成一些任務。對於生物機器人而言，最主要的一個用途就是“帶貨”，比如給癌細胞帶點藥，讓它們稀裏糊塗被毒死。

可是要怎麼製造生物機器人呢？科學家首先瞄上了DNA。

DNA具有自我摺疊的特性，可以像玩摺紙遊戲一樣，自行摺疊和組裝成形狀各異的二維圖案或三維空間結構，如五角星、笑臉、美洲地圖以及立方體等，被認爲是理想的帶藥載體。

2012年，哈佛醫學院的遺傳學家喬治·丘奇（George Church）教授帶領兩位博士，首次完成DNA給藥機器人的概念設計。他們經過精確模擬計算，將一段7300多個鹼基對的長單鏈DNA和近200個鹼基對的短單鏈DNA組裝成一個六邊形的DNA納米管，管腔內可以搭載一些蛋白和其他藥物分子。

DNA納米管可以識別特定的細胞表面抗原，從而準確找到並結合到癌細胞上，然後自動開啓表面的分子開關，將封閉的納米管打開，釋放出搭載的藥物分子，直接殺死癌細胞，甚至讓癌細胞自殺。

六邊形DNA納米管。|來源：Science

2018年，DNA納米機器人的實際抗癌效果在動物體內實驗中得到驗證。在《自然生物技術》雜誌發表的一項研究中，DNA納米機器人攜帶着凝血酶（血液中重要的凝血因子，可形成血栓）進入小鼠的腫瘤組織，結果在腫瘤組織內形成血栓，導致腫瘤細胞無法得到足夠的養分而生長停滯，甚至被活活餓死。

之後，研究人員在巴馬小香豬體內觀察到類似情況，證明DNA納米機器人有望成爲癌症治療的新武器。

活細胞機器人也能帶貨？

之所以選擇DNA機器人帶藥，主要是因爲DNA具有生物相容性且容易降解，也就是說DNA機器人既能精準“帶藥”，又不會給身體惹麻煩。

既然DNA可以，活的細胞是不是也可以呢？生物學家又想到讓細胞組團來帶貨。

2020年初，計算機科學家約書亞·邦加德（Josh Bongard）與生物學家邁克爾·萊文（Michael Levin）合作，利用100%的非洲爪蟾細胞，創造出一種可編程、可自主移動、可降解的活細胞機器人，將其命名爲xenobots（爪蟾拉丁名“Xenopus laevis”和機器人“robots”兩個詞的結合），研究成果發表在《美國科學院院報》上。

首先，計算機專家藉助超級計算機開發出一種複雜的進化算法，來設計機器人模型。他們模擬出非洲爪蟾的皮膚和心肌細胞的最佳組裝方案，希望這些細胞能自主移動，甚至自動修復。接下來，生物學家從非洲爪蟾胚胎中分離出幹細胞，讓幹細胞進一步分化成皮膚細胞和心肌細胞。

根據超級計算機設計的機器人模型，研究人員將皮膚細胞放在上層，將有運動能力的心肌細胞放在下層，中間則可設計成 “口袋”，以便於攜帶藥物。

根據不同設計，這種活細胞機器人不僅能直線運動，還會繞圈運動，也可負重前行，具備遞送藥物或其他醫用材料的潛力。

利用非洲爪蟾的皮膚和心肌細胞組裝而成的活細胞機器人xenobots。|來源：Douglas Blackiston and Sam Kriegman

一年之後，研究人員再次改進這種活細胞機器人，推出了xenobots 2.0。相關成果發表在2021年3月21日的《科學-機器人》雜誌上。相比xenobots 1.0 ，xenobots 2.0主要具備六個新特點：

一是隻需一種細胞。新的設計只用到一種細胞，即非洲爪蟾的皮膚細胞，拋棄了原來充當動力的心肌細胞。因爲細胞種類更少，引發機體免疫排斥反應也會越小。

二是可自動組裝。由於單個細胞具有喜歡“抱團”的特點，可以實現單細胞自動組裝，不再需要進行人工組裝。

三是運動速度更快。既然沒有心肌細胞，那麼細胞團的動力來自哪裏呢？原來非洲爪蟾皮膚上皮細胞表面能長出纖毛，可以以特定方式來回移動或旋轉，爲細胞機器人提供動力，速度甚至超過原來的心肌細胞。

四是存活時間更長。第一版細胞機器人大約只能存活1周左右，但是給這些細胞添加特殊的營養素後，可以存活超過90天。

五是具有自動修復能力。新的細胞機器人即使被剪成兩半也能重新“抱團”，大概在5分鐘內即可恢復原有形狀並繼續工作，這點可能是金屬機器人、塑料機器人甚至是DNA機器人都無法比擬的。

六是具有記憶能力。研究人員通過熒光蛋白來檢測細胞機器人是否具有記憶力，熒光蛋白大多數時候是發綠光，只有在波長390納米的藍光照射下，熒光蛋白會發紅色熒光。當研究人員讓10個細胞機器人在390納米藍光照射點附近活動，結果有3個細胞機器人發出紅光，而其他機器人則仍然保留綠色，表明這3個細胞機器人曾經遊進過藍光區域。

細胞機器人即使被剪成兩半，也能迅速自我修復。|來源：Douglas Blackiston and Sam Kriegman

不止於機器人

之所以將這些微小的細胞團稱爲機器人，是因爲它們能根據提前設定的程序，以固定的形狀、固定的運動方式，去完成特定的任務，如同常見的金屬機器人那樣。

在小範圍的模擬實驗中，研究人員發現，新版細胞機器人比舊版細胞機器人能更快更好地完成碎片收集任務，覆蓋更大的面積，還能穿過狹窄的毛細血管。所以除了帶藥，研究人員還想讓這種細胞機器人充當清潔工。例如，可以通過編程將細胞機器人釋放到海洋中，吸附微塑料顆粒，爲清除海洋中的塑料污染提供一種更簡便的方法。

雖然活細胞機器人有這麼多實際用途，但關於活細胞機器人本身，仍有很多問題有待解答。例如，單個細胞爲什麼喜歡聚集成團？細胞如何知道要組裝成多大規模然後停止？細胞機器人中成百上千個細胞如何協同一致工作？細胞機器人被切割後可自我修復，之後會不會自我繁殖，甚至進化成有機體？

這些問題的解答，將爲我們理解一些生物如何進行自我修復提供啓發，更可能爲研究多細胞生物的起源和演化提供新視角。通過創造活細胞機器人來反思生命本身的奧祕，或許纔是活細胞機器人帶給我們更大的驚喜。