“ไบโอบอท” หุ่นยนต์ที่สร้างจากเซลล์สิ่งมีชีวิต
ช่วยเปิดมิติใหม่ด้านการแพทย์-แก้ปัญหามลพิษ
หุ่นยนต์ที่ทำจากเซลล์ทำให้เส้นแบ่งระหว่างสิ่งมีชีวิตกับเครื่องจักรพร่ามัว ไบโอบอท ที่สร้างจากเนื้อเยื่อมีชีวิตสามารถใช้ได้ทั้งในด้านการแพทย์และการทำความสะอาดมลภาวะ รวมทั้งยังช่วยในการพัฒนาในด้านอื่น ๆ อีกมากมาย
ดั๊ก แบล็กนิสตัน นักชีววิทยาที่ Tufts University ในเมืองเมดฟอร์ด รัฐแมสซาชูเซตส์ ที่มุ่งมั่นวิจัยในด้านการปรับเปลี่ยนเซลล์ให้มีรูปแบบเฉพาะ เพื่อสร้างเครื่องจักรชีวภาพขึ้นมาเพื่อประโยชน์ทางการแพทย์ และในด้านอื่น ๆ โดยเขากล่าวว่า เซลล์สามารถกลายเป็นส่วนประกอบสำหรับเครื่องจักรใหม่ๆ และถูกตั้งโปรแกรมให้ทำงานที่เป็นประโยชน์ได้
ซึ่งที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์สามารถประกอบเซลล์ให้เป็นหุ่นยนต์ที่มีชีวิต หรือ เป็นบอทตัวเล็ก ๆ เหล่านี้มีขนาดใหญ่พอ ๆ กับเม็ดทรายหยาบ “ถ้าคุณนำเมล็ดฝิ่นมาผ่าครึ่งสองครั้ง นั่นคือขนาดของมัน”
บอทเหล่านี้สามารถเคลื่อนไหวได้ด้วยตัวเองและรักษาตัวเองหลังจากได้รับบาดเจ็บเล็กน้อย และบอทเหล่านี้สามารถทำงานให้เสร็จสิ้นได้ เช่น การทำงานร่วมกันเพื่อผลักวัตถุจากที่หนึ่งไปอีกที่หนึ่ง ในช่วงปลายเดือนพฤศจิกายน 2564 ทีมงานของเขาได้แสดงให้เห็นว่าหุ่นยนต์สามารถจำลองหรือทำสำเนาของตัวเองได้แล้ว หุ่นยนต์เหล่านี้สร้างจากเซลล์ของกบกรงเล็บแอฟริกันหรือXenopus laevisนักวิทยาศาสตร์เรียกสิ่งสร้างสรรค์ของพวกเขาว่า “สิ่งมีชีวิตที่ออกแบบด้วยคอมพิวเตอร์” อุปกรณ์ดังกล่าวเรียกว่าซีโนบอท (ZEE-noh-bahtz)
[ซีโนบอท (Xenobots) เลียนแบบสิ่งมีชีวิต ในภาพหยดที่ใหญ่กว่า (ขวา) เป็นหนึ่งในสิ่งมีชีวิตที่ออกแบบโดยคอมพิวเตอร์ หยดกลมเล็กๆ (ซ้าย) คือลูกหลานของมัน ซึ่งเป็นกลุ่มของเซลล์ต้นกำเนิดที่สามารถเติบโตเป็นสิ่งมีชีวิตใหม่ได้]
โดยในปัจจุบัน มีนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรที่วิจัยในด้านนี้เพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งกำลังค้นหาวิธีการใหม่ๆ ในการสร้างสิ่งต่าง ๆ ด้วยเซลล์ บางกลุ่มรวมเซลล์ที่มีชีวิตเข้ากับส่วนประกอบเทียม เพื่อสร้างอุปกรณ์ “ไบโอไฮบริด” บางคนใช้กล้ามเนื้อหรือเนื้อเยื่อหัวใจเพื่อสร้างเครื่องจักรที่เคลื่อนที่ได้ด้วยตัวเอง บอทบางตัวสามารถออกแบบวัสดุสังเคราะห์เพื่อทดสอบยาหรือยาใหม่ๆ ได้ เครื่องจักรเกิดใหม่อื่นๆ ยังมีการเลียนแบบการทำงานของเซลล์ แม้ว่าไม่ได้ใช้เนื้อเยื่อที่มีชีวิตก็ตาม
ทำไมต้องสร้างเครื่องจักรที่มีชีวิต?
Mattia Gazzola วิศวกรเครื่องกลที่ University of Illinois Urbana-Champaign หรือ UIUC กล่าวว่า มีเหตุผลหลายประการในการสร้างเซลล์ขึ้นมา เหตุผลหนึ่งคือเพื่อศึกษาชีวิตด้วยตัวมันเอง “หากคุณกำลังคิดที่จะทำความเข้าใจว่าสิ่งมีชีวิตทำงานอย่างไร ก็สมเหตุสมผลแล้วที่จะเริ่มต้นด้วยเซลล์” อีกเหตุผลหนึ่ง คือ การตรวจสอบว่ายาหรือสารเคมีอื่นๆ สามารถช่วยหรือทำร้ายผู้คนได้อย่างไร
เหตุผลที่สาม คือ การสร้างอุปกรณ์ที่เลียนแบบลักษณะของสิ่งมีชีวิต เพื่อปรับปรุงวัสดุอย่างเช่นคอนกรีตและโลหะไม่สามารถทำซ้ำหรือซ่อมแซมตัวเองได้ และไม่สลายตัวอย่างรวดเร็วในสิ่งแวดล้อม แต่เซลล์ทำได้พวกมันต่ออายุ เพิ่มจำนวนเองได้ และมักจะสามารถรักษาตัวเองได้ พวกเขาจะทำงานต่อไปตราบเท่าที่ยังมีอาหารเป็นเชื้อเพลิง
“ลองจินตนาการว่าคุณสามารถสร้างโครงสร้างที่สามารถเติบโตหรือรักษาตัวเองได้ จะทำให้ทุกสิ่งที่อยู่รอบตัวเราเปลี่ยนแปลงได้มาขนาดใหน”
ด้าน Ritu Raman วิศวกรเครื่องกลที่ Massachusetts Institute of Technology หรือ MIT กล่าวว่า โครงการเหล่านี้แสดงให้เห็นว่านักวิทยาศาสตร์สามารถเรียนรู้จากระบบที่ทำงานได้ดีในธรรมชาติได้ ร่างกายมนุษย์เป็น “เครื่องจักรทางชีวภาพ” ที่ขับเคลื่อนโดยชิ้นส่วนที่มีชีวิต เซลล์ต่างๆ ที่รู้วิธีสัมผัสสภาพแวดล้อม ทำงานร่วมกัน และตอบสนองต่อโลกรอบตัว หากนักวิทยาศาสตร์เรียนรู้จากวัสดุชีวภาพได้ พวกเขาก็สามารถสร้างระบบเทียมที่มีลักษณะเดียวกันได้
เธอมองเห็นศักยภาพการใช้งานมากมาย หุ่นยนต์ที่มีชีวิตสามารถช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีการที่ร่างกายตั้งโปรแกรมเซลล์ให้ทำงาน วันหนึ่งหุ่นยนต์เหล่านี้อาจจะสามารถค้นหาและทำความสะอาดมลพิษได้ พวกมันอาจถูกนำมาใช้ปลูกเนื้อเยื่อทดแทน แม้กระทั่งอวัยวะ ที่สามารถช่วยเหลือผู้ที่ได้รับบาดเจ็บหรือเป็นโรคเฉพาะได้
ในห้องทดลองของเธอที่ MIT Raman ใช้เนื้อเยื่อของกล้ามเนื้อที่มีชีวิต เพื่อสร้างตัวกระตุ้น อุปกรณ์เหล่านี้คืออุปกรณ์ที่ใช้พลังงานที่สะสมไว้ เพื่อทำให้สิ่งต่างๆ และการเคลื่อนไหว “เซลล์เป็นตัวกระตุ้นที่ยอดเยี่ยม” เธอกล่าว “พวกมันประหยัดพลังงานและสามารถสร้างการเคลื่อนไหวได้”
ออกแบบด้วยคอมพิวเตอร์ และสร้างจากเซลล์กบ
สำหรับ Blackiston ในรัฐอิลลินอยส์ กลุ่มของเขาเริ่มต้นด้วยการรวบรวมสเต็มเซลล์จากกบ เซลล์เหล่านี้เป็นเหมือนกระดานชนวนว่างเปล่า พวกมันสามารถพัฒนาเป็นเซลล์ได้เกือบทุกชนิดในร่างกาย ในจานทดลอง เซลล์เหล่านี้จะเติบโตร่วมกันเป็นเนื้อเยื่อ นักวิทยาศาสตร์ได้ใช้เครื่องมือเล็กๆ ในการสร้างก้อนกลมๆ ที่กำลังเติบโตเหล่านี้ให้เป็นรูปทรงและโครงสร้าง พวกเขาปฏิบัติตามแผนที่จัดทำโดยโปรแกรมคอมพิวเตอร์จากนักวิทยาศาสตร์ชาวเวอร์มอนต์ พวกเขายังเพิ่มเซลล์ที่จะเติบโตเป็นเนื้อเยื่อหัวใจ เมื่อเซลล์หัวใจเริ่มเต้นด้วยตัวเอง บอทจะสามารถเคลื่อนไหวได้
หลังจากที่เซลล์ทั้งหมดมารวมกันเป็นโครงสร้างเดียวกัน นักวิทยาศาสตร์ก็เริ่มทำการทดสอบมัน ตามที่ AI คาดการณ์ไว้ การออกแบบบางส่วนสามารถเคลื่อนไหวได้ด้วยตัวเอง สามารถเปลี่ยนทิศทางได้ และสามารถผลักวัตถุขนาดเล็กไปรอบๆ ได้ ไม่ใช่ว่าทุกการออกแบบจะได้ผล Blackiston กล่าว เซลล์ที่มีชีวิตสามารถจู้จี้จุกจิกได้ แต่ความสำเร็จนั้นน่าตื่นเต้นมาก การทดลองแสดงให้เห็นว่าสามารถสร้างหุ่นยนต์ด้วยเซลล์ได้
“เราเปลี่ยนเซลล์ต่างๆ ให้กลายเป็นสิ่งใหม่ๆ ที่ไม่เคยมีมาก่อน ซึ่งเป็นหุ่นยนต์ตัวแรกที่สร้างขึ้นจากเซลล์ทั้งหมด ” Blackiston กล่าว “จากนั้น ความคิดก็ระเบิด” ในเดือนมกราคม 2020 พวกเขาแบ่งปันผลลัพธ์ในการรายงานการประชุมของ National Academy of Sciences
ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา ทางกลุ่มก็ได้ปรับปรุงวิธีการของตน ในเดือนมีนาคม 2021 พวกเขาได้สาธิตวิธีสร้างฝูงซีโนบอททั้งหมด พวกเขายังเพิ่มเซลล์ที่มีขนเล็กๆ ที่เรียกว่า cilia ซึ่งช่วยให้บอทว่ายน้ำในของเหลวได้ และในเดือนพฤศจิกายน 2021 พวกเขารายงานผลลัพธ์ที่แสดงว่าซีโนบอทสามารถทำซ้ำได้ Blackiston กล่าวว่า ในอนาคต กลุ่มของเขาต้องการสร้างบอทจากเซลล์ประเภทอื่นๆ รวมถึงเซลล์มนุษย์ด้วย
“เมื่อคุณมีชุด LEGO ที่ยอดเยี่ยมสำหรับใช้สร้างแล้ว” เขากล่าว “คุณสามารถสร้างมันได้มากขึ้น”
บอทกำลังเคลื่อนไหว
ในขณะที่ Bashir นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ ก็กำลังศึกษาด้านการเคลื่อนไหวของซีโนบอทเช่นกัน แต่ต้องทำงานกับบล็อคส่วนประกอบประเภทอื่น “ฉันสนใจในการออกแบบอุปกรณ์ที่ช่วยในการเคลื่อนไหวมาก” Bashir กล่าว “การเคลื่อนไหวเป็นฟังก์ชั่นพื้นฐาน และเครื่องจักรมักจะแปลงพลังงานเป็นการเคลื่อนไหว”
หลายปีก่อน กลุ่มของ Bashir ทำงานร่วมกับ Taher Saif เพื่อนร่วมงาน UIUC เพื่อพัฒนาหุ่นยนต์ “ไบโอไฮบริด” ในปี 2012 พวกเขาสาธิตหุ่นยนต์เดินที่ขับเคลื่อนโดยการเต้นของเซลล์หัวใจ ต่อมาเป็น เครื่องช่วยเดิน ด้วยการพิมพ์ 3 มิติที่ใช้กล้ามเนื้อโครงร่าง
ในปี 2014 ทีมงานของ Saif ได้สร้างอุปกรณ์ที่สามารถว่ายน้ำได้ พวกเขามีชิ้นส่วนสังเคราะห์ที่ทำจากวัสดุอ่อนที่เรียกว่าซิลิโคนโพลีเมอร์ พวกมันถูกขับเคลื่อนด้วยพลังจากการเต้นของเซลล์หัวใจที่สร้างจากสเต็มเซลล์จากหนู
ล่าสุดในปี 2019 ทีมของ Saif ได้ร่วมมือกับ Gazzola ที่รัฐอิลลินอยส์ เขาสร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์เพื่อค้นหาการออกแบบหุ่นยนต์ไฮบริดชีวภาพที่ดีที่สุด ทีมนี้สร้างนักว่ายน้ำที่ขับเคลื่อนโดยเซลล์กล้ามเนื้อ แต่ควบคุมโดยเซลล์ที่เรียกว่าเซลล์ประสาทสั่งการ เซลล์ทั้งสองชุดเติบโตจากสเต็มเซลล์จากหนู เมื่อเซลล์ประสาทตรวจพบแสง พวกมันจะส่งสัญญาณไปยังเซลล์กล้ามเนื้อให้หดตัว และนั่นทำให้มันสามารถว่ายน้ำได้ นักวิจัยได้แบ่งปันผลงานของพวกเขาในรายงานการประชุมของ National Academy of Sciences
เมื่อต้นปีที่แล้ว กลุ่มของ Bashir และ Gazzola ได้เปิดตัวการออกแบบใหม่สำหรับเครื่องช่วยเดินแบบไบโอไฮบริด เช่นเดียวกับบอทก่อนหน้านี้ มันขับเคลื่อนที่โดยเซลล์กล้ามเนื้อ ต่างจากรุ่นก่อนๆ ตรงที่สามารถบังคับทิศทางได้
“ครั้งแรกที่คุณเห็นสิ่งนี้ เราไม่สามารถหยุดดูวิดีโอของสิ่งนี้ที่กำลังเดินอยู่บนจานเพาะเชื้อได้” Bashir กล่าว “การเคลื่อนไหวเป็นการสำแดงพื้นฐานของสิ่งมีชีวิต พวกมันคือเครื่องจักรที่มีชีวิต”
Raman ที่ MIT ยังศึกษาวิธีใหม่ๆ ในการทำให้ไบโอบอทเคลื่อนไหวอีกด้วย สำหรับวิศวกรเช่นเธอ นั่นหมายถึงการเรียนรู้กำลังนั่นคือการกระทำ เช่น การผลักหรือการดึง ที่ทำให้บางสิ่งบางอย่างเคลื่อนไหว ห้องปฏิบัติการของเธอมุ่งเน้นไปที่การทำความเข้าใจไม่เพียงแต่ว่าเซลล์สร้างแรงได้อย่างไร แต่ยังรวมไปถึงแรงเท่าใดและหุ่นยนต์จะใช้แรงนี้ได้อย่างไร
เธอยังคิดถึงวิธีอื่นที่เซลล์เหล่านี้อาจมีพฤติกรรม ไบโอบอท อาจถูกตั้งโปรแกรมให้เปลี่ยนสีหากสัมผัสได้ถึงสารเคมีบางชนิด เป็นต้น หรือเปลี่ยนรูปร่าง พวกมันอาจถูกตั้งโปรแกรมให้ส่งสัญญาณไฟฟ้าเพื่อการสื่อสารได้อีกด้วย
Raman กล่าวว่า “มีการตอบสนองเอาต์พุตที่หลากหลาย นอกเหนือจากการเคลื่อนที่ไปมา ซึ่งระบบทางชีววิทยาสามารถทำได้” คำถามก็คือ นักวิทยาศาสตร์จะสร้างสิ่งเหล่านั้นขึ้นมาได้อย่างไร?
เครื่องจักรที่มีชีวิตช่วยให้นักวิทยาศาสตร์คอบคำถามพื้นฐานเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของสิ่งมีชีวิตได้ เธอกล่าว ในขณะเดียวกัน Raman ต้องการใช้ ไบโอบอท เพื่อสร้างอุปกรณ์ที่สามารถช่วยเหลือผู้คนได้ “ห้องปฏิบัติการของฉันครึ่งหนึ่งมุ่งเน้นไปที่การใช้งานทางการแพทย์มากกว่า” เธอกล่าว “และอีกครึ่งหนึ่งมุ่งเน้นไปที่หุ่นยนต์”
อนาคตบอทชีวภาพ
วิศวกรที่พัฒนาไบโอบอทเผชิญกับความท้าทายมากมาย Raman กล่าวว่า ประการหนึ่งเกี่ยวข้องกับชีววิทยา นักวิจัยไม่ทราบกฎธรรมชาติทั้งหมดในการออกแบบสิ่งมีชีวิต แต่วิศวกรกำลังพยายามสร้างเครื่องจักรใหม่ตามกฎเหล่านั้น “หากวิศวกรต้องการสร้าง ไบโอบอท ที่ดีขึ้น พวกเขาจำเป็นต้องรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับพิมพ์เขียวทางชีวภาพของสิ่งมีชีวิต
ความท้าทายอีกประการหนึ่ง คือ นักวิจัยยังไม่รู้ว่าเซลล์ และระบบใดจะดีที่สุดสำหรับการใช้งานเฉพาะอย่าง ในบางกรณี คำตอบก็ค่อนข้างชัดเจน หากวิศวกรต้องการเครื่องจักรที่สามารถทำงานในร่างกายมนุษย์ได้ พวกเขาก็มักจะต้องการใช้เซลล์ของมนุษย์ หากพวกเขาต้องการส่งเครื่องจักรที่มีชีวิตไปยังก้นมหาสมุทรหรืออวกาศ เซลล์ของมนุษย์ (หรือแม้แต่สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม) อาจไม่มีประโยชน์มากนัก “เราทำได้ไม่ดีนักที่นั่น” เธอกล่าว “ถ้าเราสร้างเซลล์ที่คล้ายกับของมนุษย์ต่อไป พวกมันก็จะใช้ได้ไม่ดีที่นั่นเช่นกัน”
สถานการณ์อื่นๆ ยังไม่ชัดเจนนัก ตัวอย่างเช่น ในการค้นหาเครื่องทำความสะอาดมลพิษที่ดีที่สุด นักวิทยาศาสตร์จะต้องทดสอบบอทต่างๆ เพื่อดูว่าพวกมันว่ายน้ำ อยู่รอด และเจริญเติบโตในสภาพแวดล้อมที่เป็นพิษได้ดีเพียงใด
นอกจากนี้ Bashir ยังได้เน้นย้ำถึงภาวะแทรกซ้อนอีกประการหนึ่ง เนื่องจากพวกมันสร้างจากเซลล์ที่มีชีวิต เครื่องจักรเหล่านี้จึงตั้งคำถามว่า สิ่งมีชีวิตหมายความว่าอย่างไร “พวกมันดูเหมือนสิ่งมีชีวิต แม้ว่าพวกมันจะไม่ได้เป็นตัวแทนของชีวิตก็ตาม” เขากล่าว เครื่องจักรไม่สามารถเรียนรู้หรือปรับตัวได้ และไม่สามารถสืบพันธุ์ได้ เมื่อซีโนบอทหมดอาหารที่เก็บอยู่ในเซลล์ พวกมันจะตายและสลายตัว
แต่ไบโอบอทในอนาคตอาจจะสามารถเรียนรู้และปรับตัวได้ และเมื่อ AI มีพลังมากขึ้น คอมพิวเตอร์ก็อาจออกแบบสิ่งมีชีวิตใหม่ๆ ที่ดูสมจริงอย่างแท้จริง ซึ่ง Blackiston กล่าวว่า เราสามารถเร่งการวิวัฒนาการได้ “คอมพิวเตอร์ควรสามารถออกแบบชีวิตได้หรือไม่” เขาถาม. “แล้วมันจะได้อะไรล่ะ” ผู้คนยังต้องถามอีกว่า “เราสบายใจกับเรื่องนั้นไหม? เราต้องการให้ Google ออกแบบรูปแบบชีวิตหรือไม่”
การสนทนาเกี่ยวกับสิ่งที่ผู้คนควรทำและไม่ควรทำจะเป็นส่วนสำคัญของการวิจัยในอนาคต Bashir กล่าว
การสร้างกฎเกณฑ์เกี่ยวกับเซลล์ที่จะใช้และสิ่งที่ต้องทำกับเซลล์เหล่านั้นจะมีความสำคัญต่อการสร้างอุปกรณ์ที่เป็นประโยชน์ “มันมีชีวิตเหรอ? แล้วมันคือชีวิตหรือเปล่า?” เขาถาม. “เราต้องคิดเกี่ยวกับเรื่องนั้นจริงๆ และเราต้องระมัดระวัง”
{ วิดีโอสั้นนี้แสดงไบโอบอททรงกลม 12 ตัวที่กำลังรวบรวมสเต็มเซลล์ที่หลุดลอยจากสภาพแวดล้อมของพวกมัน }
ที่มา : https://www.snexplores.org/article/xenobots-biohybrids-living-robots-cell-machine
