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01 弁言

当全天下的眼光都聚积在谎言语模子棋布星陈般的发布时，生物学范畴正悄然重塑学术默契范畴。

生物学在当代科学疆土中的膺惩性已无需赘言。该范畴的前沿打破不仅股东学科自己发展，更络续为工程学、临床医学等交叉范畴运输创新范式。比拟东谈主工遐想，当然演化而成的生物机制在微不雅精密调控、环境动态妥当及损害自开拓等方面具有自然上风，因此，许多范畴的本事的打破时时模仿当然界已有的机制，这种模样被称为"拟态"。比如，春晚上转花手帕的机器东谈主，即是通过束缚矫正以模拟东谈主的生理结构来达成的。

关联词，最新的机器东谈主本事照旧烧毁了模拟"东谈主"，而是一步到位，平直借用东谈主类的细胞来更好地使机器东谈主的生理结构无尽接近于"东谈主"。

来自塔夫茨大学 Michael Levin 实验室的 Gizem Gumuskaya 博士在 2023 年 11 月发表的著作 " Motile Living Biobots Self-Construct from Adult Human Somatic Progenitor Seed Cells " 上败露了一项最新本事，欺诈东谈主类细胞制造了一种自组织生物体，称为"东谈主源机器东谈主"（anthrobots）。

吉泽姆 · 古穆斯卡亚

Gizem Gumuskaya

塔夫茨大学艾伦探索中心与哈佛大学威斯生物启发工程盘考所生物学博士

吉泽姆 · 古穆斯卡亚是合成生物学家与建筑师，起劲于和会遐想与生物学，开发具有自构建材干的生物结构。她本科毕业于伊斯坦布尔理工大学建筑系，后赴麻省理工学院攻读建筑学与合成生物学双硕士学位，并在塔夫茨大学与哈佛威斯盘考所完成生物学博士学位。其盘考聚焦形状发生工程，通过遐想蛊惑生物组织自主滋长为筹备结构，以处置可络续建筑、医学及航天范畴的艰苦。博士时代，她首创东谈主源生物机器东谈主 Anthrobots，并主导 DARPA 资助的 FACETS 神情，探索细胞自拼装三维工程结构。这些遵守为开发生物自开拓、碳拿获的建筑系统奠定基础，股东合成生物学向宏不雅步伐的应用拓展。她运筹帷幄进一步将自构建本事延长至大型低碳建筑范畴，重塑将来东谈主居环境。

这类生物机器东谈主（Biobots）区别于传统机械装配，其实质是能自组织的东谈主类细胞纠合体，尺寸范围从发丝直径到铅笔尖。盘考东谈主员不错通过模块化拼装本事，根据需求调度其功能性尺寸。这项盘考还败露了 Anthrobots 的另外一个宽绰上风：无需进行任何基因改革，就不错漂流东谈主类细胞，使之成为可为东谈主使用的机器东谈主。

诚然这一盘考尚处于早期阶段，但照旧展示出宽绰的医疗应用远景，举例用于组织开拓、药物寄递、疾病检测等。这种生物机器东谈主相较于其他依赖 CRISPR 本事的 DNA 纳米机器东谈主，无需基因裁剪即可竣事自拼装与自主畅通。

▷关连论文：Gumuskaya G, Srivastava P, Cooper BG, et al. Motile Living Biobots Self-Construct from Adult Human Somatic Progenitor Seed Cells. Adv Sci ( Weinh ) . 2024;11 ( 4 ) :e2303575. doi:10.1002/advs.202303575

02 生物制造与"合成形状发生"

谈到其责任遵守时，Gumuskaya 指出她的盘考遵守在工程学和科学界应该具有不同的应用。

在工程学层面上，她但愿欺诈当然界已有的生物机制，打破传统东谈主工系统的局限，构建前所未有的结构和活体组织。尤其是在构建方面。欺诈再生、愈合、复制基本构件、自我建构以及感知和反映环境的材干，通过合成形状发生（synthetic morphogenesis），将这些特色引入工程范畴。

在科学层面上，她但愿她的盘考有助于领会形状发生（morphogenesis）——即生物怎么从单细胞发展成复杂的多细胞有机体——是怎么发生的。这不仅能揭示当然界的基本规章，还能为生物工程提供新想路。

▷东谈主源机器东谈主。图源：Gizem Gumuskaya

形状发生当作人命天下的通用法例，从细菌生物膜的群体举止到东谈主类器官的精密发育，都盲从着这一特定的组织逻辑。取悦了工程界和学界的筹备后，Gumuskaya 提议 "合成形状发生"这一战略。合成形状发生，实质是在解码这些当然发育密码的基础上，主动侵犯并蛊惑生物结构的形成，使其具备特定功能。这种要不相为谋于传统的基因裁剪，而是基于细胞已有的自组织材干，通过环境调控竣事工程化筹备。此外，相较于传统东谈主工材料，比如金属，玻璃等，这些材料雷同都十分脆弱且不可自我开拓。当然界的系统则雷同具有自我开拓的材干。

这种"模仿当然"的盘考模样施行上额外当代。20 世纪前，由于东谈主们对当然的领会有限，很难论述某一当然状况背后的机制，是以更多的本事改革多停留于表象模仿上，比如东谈主类通过不雅察鸟类翱游旨趣制造飞机。21 世纪后，东谈主们运行盘考当然界系统的内在规章，并尝试重新编码并欺诈它们，既保留了当然界私有的性情（如自我构建或再生材干），又将东谈主类工程遐想的想维镶嵌其中，最终催生降生物机器东谈主（biobots）这类 " 当然 - 东谈主工 " 搀杂体。

03 从"异种机器东谈主"到"东谈主类细胞机器东谈主"

Anthrobots 并非横空出世。盘考团队曾欺诈非洲爪蟾（Xenopus laevis）的胚胎细胞开发的"异种机器东谈主"（xenobots），是第一批王人备由生物细胞组成的生物机器东谈主。

在此之前，生物机器东谈主的范畴照旧存在，但许多盘考施行上是细胞与凝胶或支架的搀杂体——通过这些支架或其他援手材料，不错添加细胞并欺诈它们的生物性情，比如通过光遗传学激活它们——是以称这些生物机器东谈主是搀杂型的。基于之前坚实的实验基础，Xenobots 不错不依赖任何东谈主工支架，而是王人备由活细胞自组织形成，在培养皿中展现出自主挪动材干，并证实出一定过程的自我开拓材干。

▷Xenobots 施行上是由 Douglas Blackiston   平直在显微镜下用剖解刀"雕镂"出来的。这大要是造物主的刻刀第一次捏在东谈主类手中。图源：Douglas Blackiston

Anthrobots 当作 Xenobots 的医学应用升级版，濒临使用东谈主类胚胎细胞的伦理枷锁。盘考团队为了构建名义笼罩纤毛的球形结构，以便在生物环境中竣事自愿畅通，吸收了东谈主类气管上皮细胞（NHBE）当作替代，该类细胞自然捎带纤毛发生基因，而纤毛是股东细胞畅通的膺惩结构。

在传统培养要道中，一般将气管细胞在 Matrigel 培养基中培养 14 天，这之后得到的细胞雷同会形成腔体里面带有纤毛的球形结构，这与盘考筹备相背。为了处置这一问题，盘考东谈主员尝试通往日除 Matrigel 培养基，并将细胞团调动至低粘附环境，同期添加维甲酸（Retinoic Acid, RA），来蛊惑形球形细胞团履历"回转形成"（eversion），使纤毛暴露于外部。这么一来，细胞就不错竣事自主畅通的材干。

盘考团队记载了 Anthrobots 的畅通轨迹，并猜度打算直线性指数（Straightness Index，0-1 区间，1 为完竣直线）和旋转指数（Gyration Index），并使用无监督聚类（Ward.D2 算法），将 Anthrobots 的畅通轨迹分为四种主要畅通类型（直线、弧线、轮回、无规章畅通）。在取得以上数据后，盘考团队再将不雅察到的细胞形状数据和畅通轨迹数据取悦分析，以论述形状特征（如最泰半径、名义纤毛密度等）怎么影响东谈主类细胞机器东谈主的畅通模式。

▷Anthropods 畅通轨迹。

04 生物机器东谈主的各样性与举止模式

盘考团队通过显微成像和畅通轨迹分析发现，即使使用洽商的细胞培养要道，形成的 anthrobots 仍呈现三种形状分化：全纤毛笼罩型因纤毛扭矩互相对消，导致较小个体仅能高频震憾；局部纤毛笼罩型凭借远离称纤毛散播，使其能够定向直线位移；非对称纤毛型则因单侧纤毛束形成力矩差，呈现络续圆周畅通。

这一发现标明，形状结构平直决定了畅通模式，为进一步限定生物机器东谈主的举止提供了可能性。举例，在医疗应用中，不错吸收旋转型机器东谈主在特定区域停留更永劫期，而直线型机器东谈主用于大范围巡航。

05 组织开拓后劲：对神经细胞的影响

除了自主畅通材干外，该盘考的一个膺惩发现是 anthrobots 还可能促进神经组织开拓。在实验中，盘考团队通过机械划痕法构建东谈主类皮层神经元单层损害模子（scratch assay），然后系统不雅测到这些机器东谈主不仅能够穿越损害区域，何况促进神经元的滋长和迁徙。此外，当多个 anthrobots 团聚形成更大的结构时，它们致使不错充任"桥梁"，匡助断裂的神经细胞重新畅通。要知谈，大部分心经元在损害后无法自我开拓，并导致突触因此受损，anthrobots 这一材干为阿尔茨海默病等神经退行性疾病的调整开辟了新旅途。

现在，盘考东谈主员仍在探索这种开拓机制的具体旨趣，初步字据指向纤毛开释的细胞因子或生物电信号。诚然确凿机制尚未明确，但这一发现为生物机器东谈主在神经再生和组织开拓范畴的应用提供了膺惩依据。此外，这些盘考仍需要体内实验来考据 Anthrobots 在真的生物亭内的举止和生物相容性。

06 将来瞻望：从医疗到可络续建筑

Anthrobots 的得手记号了将来体内机器东谈主的可能标的，然则这个盘考也有一些不及之处，在使用纤毛畅通禁锢剂（Ciliobrevin D）考据畅通依赖性时，虽明确畅通是神经开拓的必要条款，却未能解析纤毛舞动的时空互助机制；此外，Anthrobots 的畅通模式仍然是自愿的，现存本事仅能通过调控基质刚度等环境参数障碍影响群体畅通趋势，仍无法竣事单细胞级别的精确定向操控。

诚然现在仍处于基础盘考阶段，但 Anthrobots 已浮现十分繁密的应用远景。短期内，它们可能能用于神经再生、药物寄递、组织工程等医疗范畴。举例，欺诈不同畅通模式的机器东谈主精确运输药物，或在体内实施局部开拓。

此外，Gumuskaya 还但愿将"生物建筑"认识引入可络续发展范畴。现在，建筑行业是寰球碳排放的膺惩开端，而生物系统具有自我构建和碳封存材干。如若能借助生物工程遐想出可自拼装、可降解的建筑材料，将极地面减少传统建筑对环境的影响。

07 挑战与伦理考量  

尽管生物机器东谈主在医疗和工程范畴展现出宽绰后劲，但也激发了一些安全和伦理问题。举例，怎么确保机器东谈主在体内的可控性？机器东谈主是否会对健康酿成潜在风险？

东谈主类细胞机器东谈主，究竟是东谈主，照旧机器？Gumuskaya 合计，现在来看，anthrobots 实质仍属东谈主类细胞生息物，是膨胀了东谈主类不错用当然材料创造的踏实形状的范围。也即是说，盘考员们并莫得捉风捕月地制造那些青蛙胚胎，而是当然形成的。但通过使用它们，咱们能够创造一种踏实的、王人备由细胞组成的形状学稳态结构。何况，Anthrobots 既不成有自我意志的挪动，也不成自我复制。

现在，盘考团队正在探索多种限定机制，举例"自毁开关"（kill switch），即在需要时使用特定分子触发机器东谈主领会。此外，anthrobots 实质上仍是东谈主类细胞的一部分，不波及外源基因裁剪，因此表面上不会激发免疫搁置反应。这种"生物兼容性"是其安全性的一个膺惩上风。

08 回来

Gizem Gumuskaya 的盘考代表了一种全新的生物制造模式，它取悦了生物学的自组织材干涉工程学的筹备导向遐想，为医学、工程、可络续发展等多个范畴提供了创新可能性。尽管这一范畴仍处于早期阶段，但跟着本事的进修，生物机器东谈主有望成为 21 世纪生物工程的立异性用具。

将来，跟着基因裁剪、合成生物学和自组织本事的进一步发展，咱们大要能看到越来越多的生物系统被遐想用于特定任务，信得过竣事"活体机器"在东谈主类社会中的应用。

参考文件

1. Gumuskaya, G., Srivastava, P., Cooper, B. G., Lesser, H., Semegran, B., Garnier, S., & Levin, M. ( 2024 ) . Motile Living Biobots Self-Construct from Adult Human Somatic Progenitor Seed Cells. Advanced Science, 11 ( 4 ) , 2303575. https://doi.org/10.1002/advs.202303575

2. Scientists Build Tiny Biological Robots from Human Cells | Tufts Now. ( 2023, November 30 ) . https://now.tufts.edu/2023/11/30/scientists-build-tiny-biological-robots-human-cells

3. Gizem Gumuskaya on Building Robots from Human Cells – Sean Carroll. ( n.d. ) . Retrieved February 12, 2025, from https://www.preposterousuniverse.com/podcast/2024/04/29/274-gizem-gumuskaya-on-building-robots-from-human-cells/

4. Kriegman S开yun体育网, Blackiston D, Levin M, Bongard J. Kinematic self-replication in reconfigurable organisms. Proc Natl Acad Sci U S A. 2021;118 ( 49 ) :e2112672118. doi:10.1073/pnas.2112672118