세포는 자체적으로 'Xenobot'으로 형성됩니다

Xenobots는 발달 생물학에서 거꾸로 기존의 관점을 뒤집고 있습니다. 그들은 개구리 게놈이 개구리 몸체로 자신을 증식, 차별화 및 배열하는 방법에 대해 세포를 고유하게 지시하지 않는다고 제안합니다. 오히려 그것은 게놈 프로그래밍이 허용하는 과정의 가능한 결과 중 하나 일뿐입니다.

이 작품에 관여하지 않은 Tel Aviv University의 Eva Jablonka의 진화론자 인 Eva Jablonka에게 Xenobots는 새로운 유형의 생물에 지나지 않습니다. 하나는“발달 적으로 그리고 진화론 적으로 속한 것보다는 그것이하는 일에 의해 정의 된 것”입니다. 그녀는 그 발견이 다세포 수명의 기원을 밝힐 수 있다고 생각합니다.

레빈은 그의 세포 봇이 세포와 발달이 어떻게 작동하는지에 대해 심오한 것을 공개한다고 믿는다. 결과는 개별 세포가 구축 할 수있는 신체 팔레트를 생성하는 일종의 의사 결정 능력을 가지고 있음을 암시하는 것으로 보인다. 유전자 수준 위에서 작동하는 규칙은 생물학적 형태를 지정하는 것으로 보이며, Xenobots에 구체화 된 방식은 그들이 작동 방식에 대해 무언가를 알려줄 수 있습니다. 스페인 폼페우 파브라 대학교 (Pompeu Fabra University)의 복잡한 시스템 이론가 인 리카드 솔레 (Ricard Solé)는 새로운 실험은“개발을 심문하기위한 완전히 새로운 창을 열고, 더 일반적으로 복잡한 삶의 새로운 형태”라고 말했다.

확실히 개구리에 관한 것이 아닙니다. Jablonka는“Xenobots에서 본 조직이 다세포 동물 조직의 기본 상태라면 인간 세포가 같은 방식으로 행동 할 것으로 예상합니다. 언젠가, 우리 가이 규칙의 효과를 배우고 안내 할 수 있다면, 레빈은 사지의 재생과 같이 세포가 스스로 관리 할 수없는 것들을 달성 할 수 있다고 생각합니다.

세포는 자체 용액을 찾습니다

오늘 발표 된 논문에 설명 된 실험은 놀랍도록 간단했습니다. Levin 's Lab의 Emma Lederer와 함께 같은 연구원 팀은 이미 상피 세포에 전문화 된 개구리 배아를 개발하여 세포를 제거하여 배아의 나머지 부분없이 클러스터를 스스로 개발하도록 남겨 두었습니다. 이는 일반적으로“올바른”장소에서“올바른”유형이되도록 셀을 안내하는 신호를 제공합니다.

세포가 처음으로 한 일은 눈에 띄지 않았다 :그들은 수십 개의 세포 또는 수백으로 구성된 공에 모였습니다. 이러한 종류의 행동은 이미 잘 알려져 있었고 피부 세포가 조직 손상 후 표면적을 최대한 작게 만드는 경향을 반영하여 상처가 치유되는 데 도움이됩니다.

그런 다음 상황이 이상해졌습니다. 개구리 피부는 일반적으로 촉촉한 점액 층으로 덮여 있습니다. 점액이 피부를 고르게 덮도록하기 위해 피부 세포에는 섬모라고 불리는 헤어 같은 돌기가 거의 없어서 움직일 수 있습니다. 우리는 또한 폐와 호흡기의 안감에 그들을 가지고 있습니다. 이곳에서 구타 운동은 점액에서 먼지를 쓸어 버릴 수 있습니다.

그러나 개구리 피부 세포 클러스터는 다른 목적으로 섬모를 빨리 사용하기 시작했습니다. 클러스터에 미드 라인이 형성되었습니다. 레빈이 말했다

Xenobot은 중간 선을 어디에서 그리는지 어떻게 결정합니까? 그리고 이것을하는 것이 유용하다는 것을“말하는 것”조차도 무엇을 말합니까? 아직 명확하지 않습니다.

그러나 이러한 단체는 단지 움직이지 않습니다. 그들은 그들의 환경에 반응하는 것처럼 보입니다. 레빈은“때로는 때때로 똑바로 갈 것입니다. “물에 입자가 있으면 동그라미가됩니다. 그들은 미로를 할 것입니다 - 그들은 아무것도 부딪 치지 않고 코너를 잡을 수 있습니다.”

그는 덧붙였다.“아직도 우리가 아직 인식하지 못하는 많은 일을 할 것이라고 확신합니다.”

Jablonka는 대부분의 동물 발달 생물 학자들이 이와 같은 실험의 결과에 놀라지 않을 것이라고 생각합니다. 그러나 그것을 찾지 못한 것에 대해 스스로를 시작할 것입니다. “그들은 아마도‘물론! 우리는 왜 전에이 간단한 실험을하지 않았습니까?”라고 그녀는 말했습니다. Solé는 다른 사람들이 비슷한 관찰에 실수로 우연히 발견했을 수도 있지만“실수 또는 단순히 불가능하다고 생각했습니다.”라고 의심합니다.

Jablonka는 대부분의 발달 연구는 전체 유기체 나 일부가 정상 또는 가벼운 조작 조건 하에서 어떻게 자라는지를 밝히는 것을 목표로하기 때문에 간과되었을 수도 있다고 말했다. 그러나 레빈의 작품은 새로운 목표를 가지고있다. 그녀는 다음과 같이 말합니다.

Xenobots는 일반적으로 약 일주일 동안 살고 있으며, 그들이 온 수정란에서 나온 영양소에 서서 살고 있습니다. 그러나 드문 경우에는 올바른 영양소로“먹이”함으로써 레빈의 팀은 Xenobots를 90 일 이상 활성화시킬 수있었습니다. 더 많은 사람들은 동일하게 유지되지 않고 새로운 개발 경로에있는 것처럼 대상이 알려지지 않은 것처럼 변하기 시작합니다. 그들의 화신은 배아에서 올챙이로 자라면서 개구리처럼 보이지 않습니다.

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초기 수제 Xenobot에 대한 언론 보도는 살아있는 물질로 만든 미니어처 로봇에 대한 아이디어에 대해 걱정하고 걱정했습니다. 그들은 자신의 마음을 사육하고 발전시킬 수 있습니까? 사실, 가능성은 원격으로 원격으로 가능성이 없었습니다. 세포는 영양 매체에서 살아남을 수 있었지만 새로운 Xenobots로 복제 할 수는 없었습니다. 그리고 그들은 마음처럼 작용할 수있는 신경 세포가 없었습니다.

그러나 Xenobots에는 신경계가 없어도 세포가 서로 통신 할 수 없다는 의미는 아닙니다.  한 세포는 다른 세포의 표면 단백질을 고수하는 화학 물질을 방출하여 수용자 내에서 생화학 적 과정을 유발할 수 있습니다. 이러한 유형의 세포 신호 전달은 배아 발달 과정에서 지속적으로 발생하며, 이웃 세포가 서로의 운명을 제어하는 ​​한 가지 방법입니다. 각 세포의 조직 유형은 궁극적으로됩니다. 접착제 단백질은 세포가 서로 부착하고 기계적 힘과 변형을 감지 할 수있게한다. 배아를 개발할 때 이와 같은 기계적 신호도 올바른 조직 유형이되도록 안내 할 수 있습니다.

레빈은 세포도 일반적으로 전기적으로 전달한다고 생각합니다. 이것은 신경 세포의 특성 일뿐 아니라 그것을 잘 활용하기 위해 전문화되었을 수도 있습니다. Xenobot에서는“칼슘 신호 네트워크가 있습니다.”라고 Levin은 말했다. "이 피부 세포는 뇌의 신경 네트워크에서 찾을 수있는 것과 동일한 전기적 특성을 사용하고 있습니다."

예를 들어, 3 개의 Xenobots가 연속으로 간격을두고 그 중 하나가 꼬집음으로 인해 활성화되면, 몇 초 안에 다른 두 개에 나타나는 칼슘의 맥박을 방출합니다.

그는 세포 간 커뮤니케이션이 형태를 각인하는 일종의 코드를 만들고, 세포는 때때로 자신의 유전자와 독립적으로 자신을 배열하는 방법을 결정할 수 있다고 생각합니다. 다시 말해, 유전자는 생산을 제어하기위한 효소 및 조절 회로 형태로 하드웨어를 제공합니다. 그러나 유전자 입력 자체는 세포 공동체의 집단적 행동을 명시하지 않습니다.

대신, Levin은 IT가 행동의 레퍼토리를 생성하는 경향의 앙상블로 세포를 프로그램한다고 생각합니다. 배아 생성의 정상적인 조건 하에서, 이러한 행동은 우리가 알고있는 유기체를 형성하는 특정 경로를 따릅니다. 그러나 세포에 매우 다른 상황을 주면 다른 행동과 새로운 출현 모양이 나타날 것입니다.

레빈은“게놈이 세포에 제공하는 것은 목표 지향적 활동을 수행 할 수있는 메커니즘이다.

선천적 인 드라이브 생존

레빈과 그의 동료들이 자신이 본 것으로 생각되는 그러한 목표 중 하나는 인포 탁시 (InfoTaxis)로 알려져 있습니다. 세포는 이웃으로부터 얻은 정보의 양을 극대화하기위한 세포를 추진합니다. 세포는 또한 예상치 못한 것을 만날 가능성 인“놀라움”을 최소화하려고 할 수도 있습니다. 레빈은 그렇게하는 가장 좋은 방법은 자신의 사본으로 자신을 둘러싸고 있다고 말합니다. 다른 목표는 클러스터의 표면적 최소화와 같은 순수한 역학 및 기하학을 기반으로합니다.

그는 이러한 목표를 추구하기위한 게놈 프로그램은 매우 고대라고 말합니다. 실제로, 세포가 함께 일하는 방법을 알아 내기 전의 조상 행동으로의 복귀는 암에서 나올 수 있습니다. 세포는 협력에 앞서 확산을 설정하는 잠재적으로 치명적인 조직 모드를 채택합니다.

그것이 옳다면, 자연 유기체의 다양한 신체 모양과 기능은 게놈에 작성된 특정 발달 프로그램의 결과가 아니라, 게놈과 환경 모두에서 나올 수있는 이러한 단일 세포 행동의 강점과 경향에 맞는 결과입니다.

Jablonka는 Xenobots에 표시되는 행동이 아마도 "다세포 동물 세포 집합의 가장 기본적인 자기 조직과 같은 것"이라고 추측합니다. 즉, 형태에 대한 제약과 환경이 제공하는 자원과 기회가 최소화 될 때 발생하는 일입니다. 그녀는“생물학적, 다세포 시스템의 물리학에 대해 알려줍니다. 이런 이유로, 그녀는이 작품이 진화 역사에서 다세포의 출현에 대한 단서를 가질 수 있다고 생각합니다.

Solé는 그것에 동의합니다. "합성 복잡성 연구에서 우리의 꿈 중 하나는 우리가 볼 수있는 실제 생명 형태의 레퍼토리를 넘어서 대안을 탐구 할 수 있다는 것입니다." 약 5 억 5 천만 년 전에 캄브리아기 시대 이전에 진화하기 시작한 단순한 동물의 화석 흔적은 단일 세포 유기체의 상호 작용을 통해 다세포 성이 어떻게 생겼는지에 대한 모호한 힌트 만 제공합니다.

세포는 게놈이 그들을 처방하는 것이 아니라 성장과 형태에 대한 솔루션을 집합 적으로 "계산"하도록 프로그램 될 수있다. 그것은 조직에서 세포의 집단적 목표가 교란에 탄력적이라는 것을 의미하기 때문에 진화 용어로는 의미가있다. 세포가 자발적으로 올바른 코스로 되돌아 가기 때문에 모든 부상이나 조직이 직면 할 수있는 모든 부상에 대해 우발 계획을 게놈으로 강화 할 필요가 없습니다. Levin은“당신이 가진 것은 매우 구체적인 대규모 목표를 가진 기관과 조직이며, 당신이 그것들을 벗어나려고하면 다시 돌아올 것입니다.”라고 Levin은 말했습니다.

Xenobots가 손상으로부터 재생 될 수 있다는 사실에 의해 방해에 대한 이러한 견고성이 발생하는 것으로 보인다. Levin은“이 새로운 몸을 개발 한 후에는 그것을 유지할 수있는 능력이 있습니다. 한 실험에서 Xenobot은 거의 2 개로 절단되었고, 그 삐걱 거리는 반쪽은 힌지처럼 열렸습니다. 그 자체로 왼쪽으로 힌지가 다시 닫히고 두 조각이 원래 모양을 재건했습니다. 이러한 움직임에는 힌지 관절에 상당한 힘이 적용되어야합니다. 상황 피부 세포는 일반적으로 발생하지 않지만 분명히 적응할 수 있습니다.

지도없이 탐색

Xenobots가 실제로 새롭고 뚜렷한 발달 경로에 있는지 여부는이 시점에서 여전히 불분명합니다. 미시간 주립 대학의 미생물학자인 Christoph Adami는 예를 들어, Xenobots의 섬모 개발은 새로운“결정”이 아니라 세포 클러스터에 작용하는 기계적 힘에 대한 자동 반응을 반영 할 수 있다고 제안합니다. 그는 아마도 유전자 발현의 변화를 추적함으로써 더 많은 작업이 일어나고있는 일을 확립하기 위해 필요하다고 생각합니다.

그러나 레빈은 세포가 총체적으로 결정하고 목표를 기억하는 아이디어는 그와 그의 동료들이 이전에 Xenopus 에서 수행 한 실험에 의해 뒷받침된다고 말했다. 올챙이. 개구리가 되려면 올챙이가 얼굴을 재 배열해야합니다. 게놈은 모든 얼굴 특징에 대해 일련의 세포 운동 세트를 강화하는 것으로 생각되었다. 레빈은“이 이야기에 대해 의문을 가졌습니다. 그래서 우리는 피카소 올챙이라고 부르는 것을 만들었습니다. 전기 신호를 조작함으로써 우리는 모든 것이 잘못된 위치에있는 올챙이를 만들었습니다. 감자 씨처럼 완전히 엉망이되었습니다.”

그럼에도 불구하고 올바른 특징 의이 추상 재 배열로 인해 정상적인 개구리가 나타났습니다. Levin은“변태 중에 장기는 정상적인 개구리 얼굴에 적합한 장소에 정착 할 때까지 일반적으로 취하지 않는 특이한 길을 섭취합니다. 마치 개발 유기체가 대상 디자인, 글로벌 계획을 가지고있는 것처럼, 모든 시작 구성에서 달성 할 수 있습니다. 이것은 세포가 각 단계마다“순서를 따르는”관점과는 다릅니다. Levin은“시스템이 구축해야 할 것에 대한 대규모지도를 저장하는 방법이 있습니다. 그러나 그지도는 게놈이 아니라 세포 자체에 대한 일종의 집단 기억에 있습니다.

그러나 셀을 완전히 재구성하면 맵을 변경할 수 있습니다. 다음 단계는 새로운 맵을 만드는 규칙이 무엇인지 알아내는 것입니다. 따라서 우리는 그것을 제어하고 원하는 것을 구축 할 수 있습니다. Adami는“우리는 개발 프로그램의 소성에 대해 거의 알지 못합니다. “우리의 생각은 벌레, 파리 및 성게와 같은 잘 연구 된 유기체와 유전자에 의해 형성되었습니다. 그러나 모든 팁에는 고대 잠재적 경로의 빙산이있을 것입니다.”

기본적으로 Levin은 세포가 평평한 층으로 곱하고 퍼지도록 유도하거나 밀도가 높은 덩어리로 모이거나 장기 같은 구조를 만들거나 모바일“봇”으로 자라는 요인을 구체적으로 유도하는 요인을 아직 아무도 모른다고 말합니다. 이제 과제는 규칙을 발견하고 원하는 결과에 적용하는 방법을 배우는 것입니다. "우리는 세포 자체가 어떻게 구축 해야하는지를 인코딩 한 다음 그 대상 형태를 다시 작성하는 방법을 배워야합니다."

그는 결과에 조직과 사지를 재생할 가능성이 포함될 수 있다고 생각합니다. Axolotls와 같은 일부 양서류는 능숙하지만 우리가 할 수없는 트릭입니다. "나에게 이것은 우리가 곧 타격을 입을 재생 의학의 문제에 대한 답이다"고 그는 말했다. 우리는 세포에서 유전자를 전환하고 분자를 조작하는 데 매우 능숙하지만, 다이얼을 돌려 손가락, 눈 또는 사지를 만드는 방법을 모릅니다. 레빈은“가장 낮은 유전자 수준을 조작하여 3D 해부학을 어떻게 변화시키는지는 전혀 분명하지 않다”고 말했다. "우리는 세포 자체가 어떻게 구축 해야하는지 인코딩하는 방법을 배운 다음 그 대상 형태를 다시 작성하고 세포가 자신의 일을하도록해야합니다."

세포가 신체 계획으로가는 길을 찾을 가능성은 최근에 일부 바다 슬러그가 기생충에 심하게 감염 될 때, 그들의 머리가 자체 유발 된 쇠약을 통해 신체에서 분리 된 다음 몇 주 안에 새로운 신체를 재발하게한다는 보고서와 함께 극적으로 설명되었습니다. 이것을 극단적 인 재생 사례로보고 싶어하지만 그 관점은 몇 가지 심오한 질문이 걸려 있습니다.

"먼저, 재생성을 시도하는 해부학에 대한 정보는 어디에서 왔습니까?" 레빈이 물었다. "‘게놈’이라고 말하기는 쉽지만 이제 우리는 Xenobots에서 극심한 가소성이 있다는 것을 알고 있으며 세포는 실제로 매우 다른 몸을 기꺼이 만들 수 있습니다."

두 번째 질문은 재생이 언제 멈출 때를 아는 방법이라고 그는 말했다. "세포는 '올바른'최종 모양이 언제 생성되었는지 어떻게 알 수 있고, 리모델링과 성장을 중단 할 수 있습니까?" 그는 물었다. 대답은 암 세포의 불완전 성을 이해하는 데 중요합니다.

레빈의 그룹은 현재 배아 세포의 다양성이 부족한 성인 인간 세포가 기회가 주어지면“봇”으로 조립하는 유사한 능력을 나타내는 지에 대해 연구하고 있습니다. 예비 결과는 그들이 그렇게한다고 제안했다

유기체, 살아있는 기계 또는 둘 다?

Levin과 그의 동료들은 논문에서 Xenobots의 잠재력을 미세한 프로브로 사용하거나 떼에 배치되어 물이 많은 환경 청소와 같은 집단 작업을 수행 할 수있는“살아있는 기계”로 논의합니다. 그러나 아 다미는 결절 팀이 이것을 시작하기에 충분히 이해하고 있다고 확신합니다. "그들은 당신이 이러한 것들을 디자인하고, 프로그램 할 수 있다는 것을 보여주지 않았으며, 기계적 제약을 풀어 주면 '정상적인'것이 아닌 모든 일을하고 있음을 보여주었습니다."

그러나 레빈은 무자비하고 근본적인 과학을위한 Xenobots의 파급 효과가 궁극적으로 생체 의학 또는 생물 공학 응용 분야를 넘어서, 그 부분에 구체적으로 인코딩되지 않은 출현 설계를 나타내는 모든 집단 시스템으로 갈 수 있다고 생각합니다.

레빈은“이것은 생물학보다 더 크다고 생각한다. “우리는 대규모 목표가 어디에서 왔는지에 대한 과학이 필요합니다. 우리는 사물 인터넷, Swarm Robotics, 심지어 기업 및 회사로 둘러싸여있을 것입니다. 우리는 그들의 목표가 어디에서 왔는지 모르고, 목표를 예측하는 데 능숙하지 않으며 우리는 그들을 프로그래밍하는 데 능숙하지 않습니다.”

Solé는 더 넓은 비전을 공유합니다. "이 작업은 특히 자기 조직의 생성 잠재력에 대해 얼마나 많이 밝히는 지에 대해 주목할 만하다"고 그는 말했다. 그는 자연이 끝없는 형태를 만드는 방법에 대한 우리의 견해를 넓힐 수 있다고 생각합니다. 어쩌면 동물, 심지어 인간조차도 돌로 쓰여진 실체가 아니거나 오히려 DNA로 작성된 실체가 아니지만 세포가 결정을 내릴 수있는 한 가지 결과 일뿐입니다.

그러나 Xenobots는“유기체”입니까? 반드시 레빈은 말한다 - 우리가 단어의 올바른 의미를 채택한다면. 명확한 경계를 갖고 잘 정의 된 집단적, 목표 지향적 활동을 갖는 세포 모음은“자기”로 간주 될 수 있습니다. Xenobots가 서로 만나고 일시적으로 붙어 있으면 합쳐지지 않습니다. 그들은 그들의이기를 유지하고 존중합니다. 레빈은“세계 다른 지역에서 그들을 구분하고 일관된 기능적 행동을 가질 수있는 자연 경계를 가지고있다”고 말했다. "그것은 유기체라는 의미의 핵심입니다."

Jablonka는“그들은 유기체입니다. Xenobots는 아마도 번식 할 수 없지만 노새도 할 수 없다는 것은 사실입니다. 더욱이,“Xenobot은 조각과 두 개의 작은 것을 형성하기 위해 유도 될 수 있습니다.”라고 그녀는 말했습니다.“일부 세포는 운동성과 비전자로 분열되어 차별화 될 것입니다.”라고 그녀는 말했습니다. 그렇다면 Xenobots는 일종의 진화를 겪을 수도 있습니다. 어떤 경우에는 누가 그들이 될 수 있는지 아는 사람은 누구입니까?