合成生物以新方式自我复制

生长是生命世界的标志。随着身体内部或表面的生长，分裂、出芽或诞生是生命系统通常的繁殖方式。在《美国国家科学院院刊》上的一篇文章(“可重构有机体中的运动自我复制”)中，科学家报告了一种新的自我永存形式，这种形式以前从未在任何生物体中观察到。这种新的繁殖形式在几天内在青蛙(爪蟾)皮肤细胞的合成移动球体中自发产生。

作者表明，合成的多细胞组装体可以通过将环境中分离的细胞移动和压缩成自身的功能副本来进行自我复制，这种方式让人想起分子复制。

“我们表明，如果细胞簇从发育中的有机体中分离出来，它们可以类似地找到松散的细胞并将其组合成看起来和移动起来像它们一样的簇，并且这种能力不必专门进化或通过基因操作引入，”作者指出。

佛蒙特大学计算机科学教授JoshBongard博士、塔夫茨大学生物系教授兼系主任MichaelLevin博士及其同事利用人工智能设计了多细胞组件，可以延缓细胞能力的丧失。作为自我复制过程的副产品，复制并执行有用的工作。

除了对合成细胞组装体复制条件的新见解外，该研究还表明，无需选择或基因工程即可从合成生物体中获得独特且有用的特征和功能。

Levin说：“它揭示了细胞群行为的巨大可塑性，这提出了无需基因组编辑或转基因的再生医学新方法(控制复杂功能器官的自组装)。这种可塑性将被用于未来关于出生缺陷、创伤性损伤、癌症和衰老的研究。”

研究人员从青蛙幼虫中分离出正常的、未经基因修饰的皮肤细胞，并孵化这些细胞，以合成能运动的多细胞球状生物体，这些生物体覆盖着纤毛——细胞表面的毛发状延伸物，有助于运动。然后他们将这些生物体与其他分离的青蛙皮肤细胞一起放入培养皿中。

研究人员观察到这些被纤毛覆盖的生物体在培养皿中移动，将一些细胞扫成一堆。五天后，堆积的细胞粘在一起并紧凑，成为类似的运动生物体。这种发育仅在祖生物存在的情况下发生。

作者使用基于人工智能的方法来设计自我复制生物体。计算机模拟表明，合成群可以粘附在电线上，从而闭合电路。作者表示，这些发现拓宽了研究人员对发育可塑性的理解。

在评论本研究中使用的实验方法时，莱文说：“使用机器学习为从默认环境中解放出来的细胞塑造刺激的基本方法是这里开创的一种特定的新方法。”

表面张力优先将这些可重构生物体建模为纤毛球体。塔夫茨大学艾伦发现中心的高级科学家道格拉斯·布莱克斯顿博士在这项工作中进行了生物实验，他说：“事实证明，这种形状在收集细胞方面效率低下——通常它必须绕一个紧密的圆圈旋转，将细胞收集在中心螺旋运动。”

为了提高生物体自我复制的能力，该团队利用人工智能工具来识别更多更适合细胞堆积的形状。“C”形合成生物体具有类似扫雪机的设计，使它们能够更有效地捕获和推动细胞。后代的大小直接影响自我复制世代的数量，因为每一代都比上一代小。

布莱克斯顿说：“一旦计算机提出设计，我就会使用一套工具——微烧电极、小玻璃针、不同形式的压缩和显微手术钳——从活体组织‘构建’计算机蓝图。我手工制作的东西是有限的，但我可以接近计算机模拟。”

在未来的工作中，研究人员计划构建有用的合成生命机器，用于体外、体内和环境中的应用。该团队打算利用这些生物体进一步探索形态发生，以揭示可用于再生和生物工程复杂生命结构的见解。

布莱克斯顿说：“我们计划进一步研究环境应用——例如传感或净化环境污染物，以及医疗应用——例如药物输送、损伤修复、再生，以及提高我们控制生物体行为的能力。”