Các nhà khoa học đằng sau robot sống đầu tiên từ tế bào gốc của Ếch có móng châu Phi, Xenobots, đã tái tạo theo một cách mới không giống như những gì được thấy ở động vật và thực vật.
Thực vật và động vật sinh sản
[Ảnh: Kriegman, S., Blackiston, D., Levin, M., Bongard, J. / WikiCommons]
Có hai hình thức sinh sản ở thực vật: vô tính và hữu tính. Sinh sản hữu tính, theo ScienceABC, tương tự như cách con người và nhiều loài động vật sinh sản. Hạt phấn đực và tế bào mầm buồng trứng cái hợp nhất với cây thành sinh vật mới thừa hưởng các tính trạng gen từ cả hai kiểu hình. Ở thực vật, bộ phận sinh sản hữu tính là hoa của nó.
Mặt khác, sinh sản vô tính bao gồm sinh sản sinh dưỡng thông qua rễ, lá và thân. Về cơ bản, cây bố mẹ tái sinh bằng cách sử dụng một trong các bộ phận đã nêu. Cả sinh sản hữu tính và vô tính, dù là trên động vật hay thực vật, đều có những ưu điểm riêng. Trong sinh sản hữu tính, cây mới hình thành có sự kết hợp của nhiều gen cho phép chúng thích nghi với sự thay đổi của môi trường một cách nhanh chóng.
Tái tạo Xenobots: Sinh vật hoặc Robot
Xenobots, rộng chưa đến 0,04 inch, là những đốm màu nhỏ lần đầu tiên ra mắt vào năm 2020 sau khi các nhà khoa học tạo ra một thí nghiệm cho thấy rằng các robot được tạo ra từ tế bào gốc của ếch có móng vuốt châu Phi có thể di chuyển, tự chữa lành và hoạt động theo nhóm. Ngày nay, các nhà khoa học đứng sau khám phá đột phá đã phát hiện ra một hình thức tái tạo sinh học mới trong Xenobots, không giống như những gì được thấy trên thực vật hoặc động vật.
Michael Levin, đồng tác giả và là giám đốc của Trung tâm Khám phá Allen tại Đại học Tufts, giải thích rằng nhóm nghiên cứu đã rất kinh ngạc trước khám phá của họ. Ông cho biết thêm rằng ếch thường sinh sản; tuy nhiên, khi các tế bào được giải phóng khỏi phần còn lại của phôi, chúng sẽ có cơ hội hình thành các quá trình sinh học mới trong một môi trường mới. Các robot tế bào gốc này không chỉ tìm ra những cách mới để di chuyển mà còn tìm ra cách tái tạo, báo cáo CNN.
Tế bào gốc đã được bàn tán trong nhiều thập kỷ nay; các tế bào không chuyên biệt có thể phát triển thành các loại tế bào khác nhau. Để tạo ra robot sống đầu tiên, Xenobots, các nhà nghiên cứu phải tách tế bào gốc sống từ phôi ếch và cho phép chúng ủ. Không có thao tác gen nào liên quan đến một nghiên cứu được công bố trên PNAS, có tiêu đề “Tự sao chép động học ở các sinh vật có thể cấu hình lại.”
Josh Bongard, tác giả chính của nghiên cứu, giải thích rằng mọi người thường nghĩ rằng robot được chế tạo từ kim loại và gốm sứ. Nhưng Xenobot là một sinh vật được tạo ra từ các tế bào ếch chưa biến đổi gen. Nó là một robot đơn giản vì nó có nghĩa là sao chép các hành động và quy trình của con người.
Ông cho biết thêm rằng ban đầu, Xenobots có hình cầu và được tạo ra từ khoảng 3.000 tế bào có thể tái tạo. Tuy nhiên, nó hiếm khi xảy ra. Các robot đã sử dụng quá trình tái tạo động học, một quá trình được biết là chỉ xảy ra ở cấp độ phân tử nhưng chưa bao giờ được quan sát ở quy mô toàn bộ tế bào hoặc sinh vật.
Hiện tại, xenobots đang ở giai đoạn đầu và chưa có bất kỳ ứng dụng thực tế nào. Mặt khác, sự kết hợp giữa sinh học phân tử và AI có thể đóng vai trò chủ trì cho các nhiệm vụ trong môi trường mới, theo các nhà nghiên cứu.
- Khoa học
- Phát minh
Thứ năm, 2/12/2021, 00:00 [GMT+7]
MỹNhững xenobot tý hon lắp ráp từ tế bào hứa hẹn mang lại nhiều đột phá từ cấp thuốc tới dọn dẹp chất thải độc hại.
Xenobot được lắp ráp từ tế bào gốc của ếch châu Phi. Ảnh: UVM
Một nhóm nhà khoa học đã tái sử dụng tế bào sống lấy từ phôi thai ếch và lắp ráp chúng thành một dạng sống hoàn toàn mới. Những xenobot rộng chưa tới một milimet này có thể di chuyển về phía mục tiêu, tải hàng [như thuốc cần đưa tới vị trí đặc biệt trong cơ thể bệnh nhân].
"Đây là những cỗ máy sống mới", Joshua Bongard, nhà khoa học vi tính kiêm chuyên gia về robot ở Đại học Vermont [UVM], đồng tác giả nghiên cứu, chia sẻ. "Chúng không phải là robot truyền thống cũng không phải một loài động vật đã biết. Đây là một tổ chức sống có thể lập trình".
Sinh vật mới được thiết kế trên siêu máy tính ở UVM, sau đó lắp ráp và thử nghiệm bởi các nhà sinh vật học ở Đại học Tufts. "Chúng ta có thể tưởng tượng nhiều ứng dụng hữu ích của những robot sống này mà nhiều cỗ máy khác không thể làm được như nghiên cứu hợp chất độc hại hoặc ô nhiễm phóng xạ, thu thập vi nhựa ở biển, di chuyển trong động mạch", Michael Levin, giám đốc Trung tâm tái tạo và sinh học phát triển ở Tufts, đồng trưởng nhóm nghiên cứu, cho biết trong bài mô tả xenobot trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences hồi tháng 1/2020.
Sau nhiều tháng xử lý trên cụm siêu máy tính ở Trung tâm tin học tiên tiến Vermont thuộc UVM, nhóm nghiên cứu bao gồm trưởng nhóm, nghiên cứu sinh tiến sĩ Sam Kriegman, sử dụng một thuật toán tiến hóa để tạo ra hàng nghìn thiết kế tiềm năng cho dạng sống mới. Nhằm hoàn thành một nhiệm vụ do các nhà khoa học phân công, máy tính lắp ráp hàng trăm tế bào mô phỏng thành vô số hình dạng. Khi chương trình chạy dựa trên quy tắc cơ bản của sinh lý học, tổ chức mô phỏng thành công hơn sẽ được giữ lại và cải tiến trong khi thiết kế thất bại bị loại bỏ. Sau 100 lần chạy thuật toán độc lập, thiết kế hứa hẹn nhất được lựa chọn để thử nghiệm.
Sau đó, nhóm nghiên cứu ở Tufts, đứng đầu là Levin, chuyển đổi thiết kế trên máy tính thành dạng sống. Đầu tiên, họ thu thập tế bào gốc lấy từ phôi thai ếch châu Phi Xenopus laevis, tách thành từng tế bào riêng lẻ để ấp. Sau đó, sử dụng chiếc kẹp cực nhỏ và điện cực thậm chí còn nhỏ hơn, tế bào được cắt và nối dưới kính hiển vi thành hình dáng gần với thiết kế trên máy tính nhất.
Sau khi lắp ráp thành hình dáng chưa bao giờ thấy trong tự nhiên, những tế bào bắt đầu kết hợp với nhau. Tế bào da hình thành kết cấu bị động hơn trong khi sự co thắt của tế bào cơ tim được sử dụng để tạo ra chuyển động hướng về phía trước như thiết kế máy tính. Mô hình tự tổ chức góp phần cho phép robot tự di chuyển. Tổ chức lập trình này có thể di chuyển nhịp nhàng, khám phá môi trường nước trong vài ngày hoặc vài tuần nhờ năng lượng dự trữ trong phôi thai. Tuy nhiên, khi lật ngược lại, chúng không thể hoạt động giống như bọ cánh cứng bị ngã ngửa.
Thử nghiệm sau đó cho thấy các nhóm xenobot có thể di chuyển xung quanh theo vòng tròn, đẩy viên đạn nhỏ tới vị trí trung tâm đồng thời và phối hợp cùng nhau. Những xenobot khác được chế tạo với lỗ ở giữa để giảm lực cản. Trong phiên bản mô phỏng của chúng, nhóm nghiên cứu có thể tái sử dụng lỗ hổng này làm túi chứa để mang thành công một đồ vật.
Nhiều loại robot cấu tạo từ thép, bê tông hoặc nhựa. Vật liệu như vậy có thể giúp robot trở nên rất khỏe hoặc linh hoạt, nhưng đồng thời cũng tạo ra vấn đề về sinh thái và sức khỏe con người như ô nhiễm rác thải nhựa trên biển và sự độc hại của nhiều vật liệu nhân tạo và thiết bị điện tử.
"Mặt trái của mô sống là nó khá yếu và có thể phân hủy", Bongard giải thích. "Đó là lý do tại sao chúng tôi sử dụng thép. Nhưng các tổ chức sống đã có lịch sử 4,5 tỷ năm tự tái tạo. Khi ngừng hoạt động, chúng thường tan rã một cách vô hại. Những xenobot này có khả năng phân hủy sinh học hoàn toàn. Khi hoàn thành công việc sau 7 ngày, chúng sẽ chỉ còn là tế bào da chết".
Trong thí nghiệm mới, các nhà khoa học cắt xenobot và theo dõi những gì xảy ra. Khi họ cắt robot gần đứt đôi, nó tự lành trở lại và tiếp tục hoạt động. Đó là điều các cỗ máy thông thường không thể làm được.
Để một tổ chức sống phát triển và vận hành, cần có sự chia sẻ thông tin và hợp tác giữa các tế bào mọi lúc. Nhóm nghiên cứu nhận định xenobot là một bước tiến giúp họ ứng dụng hiểu biết về mã hóa điện sinh học trong ngành sinh vật học và khoa học vi tính.
An Khang [Theo UVM]