美國科學(xué)家創(chuàng)造出了一種名為Xenobot的生物機(jī)器人

以美國佛蒙特大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系教授舒亞·邦加德為通訊作者的研究團(tuán)隊(duì)，日前在《美國科學(xué)院院報(bào)》在線發(fā)表一篇最新研究結(jié)果，提出可創(chuàng)建一種可編程生物，被命名為Xenobot（異形機(jī)器人），也可稱為生物機(jī)器人。

邦加德等人的研究發(fā)表后，引發(fā)了很多質(zhì)疑。那么，他們的工作到底是做什么呢？

1.Xenobot是怎么造出來的？

邦加德對這種人造生命做了定義：“它們既不是傳統(tǒng)的機(jī)器人，也不是已知的動物物種。這是一種活的、可編程的有機(jī)體?！?/p>

不是傳統(tǒng)的機(jī)器人，即不是機(jī)械裝置的機(jī)器人，而是不到1毫米的生物機(jī)器人，即微型生物機(jī)器人，比微生物大得多，也比一些寄生蟲大。只不過，它是人造的。其他的微生物，如細(xì)菌、病毒、衣原體、支原體等，還有動植物和人，都是地球上自然演化和存在的生物。

Xenobot的合成首先是獲取了非洲爪蛙的心臟細(xì)胞和表皮細(xì)胞兩種細(xì)胞，但都是從爪蛙胚胎干細(xì)胞中分化獲取的。

研究人員在顯微鏡下先將胚胎細(xì)胞切開，細(xì)胞被切開的兩個部分，單獨(dú)進(jìn)行培養(yǎng)。而后將兩種細(xì)胞拼湊在一起，采用的是細(xì)胞的自然傾斜度相互黏附方式。研究人員再觀察它們獨(dú)特的結(jié)構(gòu)（包括細(xì)胞排列和斑點(diǎn)的整體形狀）如何與行為對應(yīng)。

將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送給佛蒙特大學(xué)的計(jì)算機(jī)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)，后者利用超級計(jì)算機(jī)集群Deep Green對異形機(jī)器人的數(shù)字化版本構(gòu)建了一個模擬環(huán)境，并且利用了生命演化的自然選擇的過程。根據(jù)這個模型，在模擬中完成特定任務(wù)的Xenobot被認(rèn)為是“合適的”，從而創(chuàng)造出新一代“進(jìn)化的”Xenobot。研究人員還按照超級計(jì)算機(jī)模擬出來的設(shè)計(jì)，用鑷子和電極對這個重塑的細(xì)胞進(jìn)行“雕琢”。重塑的細(xì)胞形狀各異，有的是楔形，有的是拱形。

由于Xenobot是由非洲爪蛙心臟細(xì)胞（收縮細(xì)胞）和表皮細(xì)胞（被動細(xì)胞）結(jié)合而成，因而具有自然生命的多種生命特質(zhì)，如可以在水性介質(zhì)中移動、具有自我修復(fù)能力、可自行生物降解。最厲害的是，即便把生物機(jī)器人切成兩半，它不僅能把自己縫合起來，還能繼續(xù)活動，有點(diǎn)兒像蠑螈的自我修復(fù)功能。而且，它們不只能直線行進(jìn)，也能轉(zhuǎn)圈。如果把這個機(jī)器人翻轉(zhuǎn)過來，它就像烏龜背朝下一樣，失去了移動能力。

目前，這種生物機(jī)器人可以用來清理海洋中的微塑料污染，作為可生物降解的藥物輸送機(jī)器人等，而且，未來的作用也將是無限的，例如，作為手術(shù)助手疏通血管等。

2.世界上已有多個人造活體生命

不過，Xenobot并非世界上第一個人造的活體生命，此前早就有純粹生物合成的人造生命問世了。

早在1995年，美國的克雷格·文特爾就和另一位生物學(xué)家漢密爾頓·史密斯造出了首個有人造基因組（染色體組）的細(xì)菌，這是一種不依靠上一代繁衍的存活生物，也是人造生命的雛形。

2010年5月20日，文特爾私立研究所的一個由46名科學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)又研發(fā)出了地球上首例人造細(xì)胞，是一個山羊支原體細(xì)胞，細(xì)胞中的遺傳物質(zhì)是依照另一個物種蕈狀支原體的基因組人工合成的，產(chǎn)生的人造細(xì)胞表現(xiàn)出的是后者的生命特性，取名為辛西婭（Synthia，意為“合成體”）。

辛西婭這種微生物由藍(lán)色細(xì)胞組成，能夠生長、繁殖，細(xì)胞分裂了逾10億次，能產(chǎn)生一代又一代的人造生命。植入的DNA片段包含約850個基因，而人類基因組共有約2萬個基因。

研究員建構(gòu)的染色體中的基因，由108萬對“字母”組成，并在合成基因留下“水印”，包括46名科學(xué)家和研究員的名字、研究所的網(wǎng)址，以及愛爾蘭作家詹姆斯·喬伊斯的名句“生存、犯錯、倒下、戰(zhàn)勝，用生命創(chuàng)造生命”。2010年5月21日出版的《科學(xué)》雜志發(fā)表了這一研究。

文特爾等人選取一種名為絲狀支原體的細(xì)菌，將它的染色體解碼。然后利用化學(xué)方法一點(diǎn)一點(diǎn)地重新排列DNA。此后將重組的DNA碎片放入酵母液中，令其慢慢地重新聚合。再把人造DNA放入另外一個受體細(xì)菌中。通過生長和分離，受體細(xì)菌產(chǎn)生兩個細(xì)胞，一個帶有人造DNA，另外一個帶有天然DNA。在培養(yǎng)皿中加入抗生素，把帶有天然DNA的細(xì)胞殺死，只留下人造DNA不斷增生。幾個小時之內(nèi)，受體細(xì)菌內(nèi)原有DNA的所有痕跡全部消失，人造細(xì)胞不斷繁殖，新的生命誕生。

合成這樣的人造生命有什么用呢？文特爾的回答是，先合成出可供生命存在的最小數(shù)量的基因，然后通過向其中彌補(bǔ)其他基因，制造一系列新的微生物，如可生產(chǎn)生物燃料的細(xì)菌、有用的藥品、可以從空氣中吸收二氧化碳和其他污染物的細(xì)菌或是制造合成疫苗所需的蛋白質(zhì)。

此后，2018年8月2日，英國《自然》同時在線發(fā)表了美國和中國研究人員的2篇論文，都是將酵母染色體融合的成果。中國的研究人員創(chuàng)造了一種新的人工合成的酵母，僅含1條巨大的線型染色體酵母SY14菌株，不同于野生型的有16條染色體的酵母。

此次人工合成的酵母是真核生物。動物、植物、真菌等都屬于真核生物，其基因組既豐富又復(fù)雜，通常會包含數(shù)億至數(shù)十億堿基對信息，合成并不容易。但細(xì)菌、病毒等原核生物的基因組相對簡單，合成比較容易。因此，合成真核生物基因組在技術(shù)是上了一個臺階，有更大的作用。

釀酒酵母是第一個被全基因組測序的真核生物，大尺度的設(shè)計(jì)和重建酵母基因組是對目前酵母領(lǐng)域知識貯備的真實(shí)性、完整性和準(zhǔn)確性的一個直接考驗(yàn)。人工合成酵母，一方面可以幫助人類更深刻地理解一些基礎(chǔ)生物學(xué)的問題，另一方面可以通過基因組重排系統(tǒng)，使酵母實(shí)現(xiàn)快速進(jìn)化，獲得在醫(yī)藥、能源、環(huán)境、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域有重要應(yīng)用潛力的菌株。

3.合成人造生物的利弊

此次的Xenobot和之前的辛西婭、人造酵母都是人工合成的活體生命，只不過辛西婭較簡單一些，是依據(jù)原核生物合成的，而人造酵母是合成真核生物。Xenobot也是利用真核生物模型合成，而且動用了生命演化模式和計(jì)算機(jī)編程功能結(jié)合合成。Xenobot的體積比過去創(chuàng)造的人造生命大了很多，接近1毫米，而支原體只有0.1-0.3微米，酵母則有2-10微米，因此，Xenobot能完成的工作和功能也會遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于支原體和酵母。

但是，它們是否會對人類社會造成威脅，成為生物武器呢？這可能是人們感到恐懼的原因。早在2010年文特爾等創(chuàng)造出辛西婭時，美國就進(jìn)行過多個領(lǐng)域和部門的聽證會，要求文特爾等人全面解釋人造生命的正反兩方面意義和應(yīng)用。聽證會對合成新生命提出了13個方面的問題，其中包括為什么要合成人造細(xì)胞（生命）；人造生命的潛在用途是什么；合成生物的風(fēng)險(xiǎn)有哪些；有什么準(zhǔn)備好的保護(hù)、控制措施以防止人工生命偶然地向環(huán)境釋放等。

針對人工合成新生命的安全問題，文特爾等人表示，合成生物學(xué)與很多基因組技術(shù)一樣，既能產(chǎn)生有益的生物工程微生物，也有可能創(chuàng)造對人類及環(huán)境有害的微生物，這類技術(shù)當(dāng)然可能被擁有廣泛資源的邪惡者所利用。

不過，自然本身就是一名已經(jīng)存在的專家，它也在創(chuàng)造可對人類造成極大危害的微生物。人工合成新生命并不一定會把人類帶到比現(xiàn)有技術(shù)或自然本身更接近傷害的道路。對此，需要的是嚴(yán)格管理。

實(shí)際上，現(xiàn)在的Xenobot被設(shè)計(jì)出來后，既可以看到其有巨大的用途，也應(yīng)看到在應(yīng)用當(dāng)中可能對人和自然環(huán)境產(chǎn)生危害，關(guān)鍵是需要立法管理，以保證在應(yīng)用Xenobot時，必須有配套的法規(guī)約束。

生命的多種形式

人造生命與自然生命最大的區(qū)別在于，前者是“如其所能的生命”（life as it could be），而后者則是“如吾所識的生命”（life as we know it）。如吾所識的生命就是今天人們已經(jīng)認(rèn)識的各種動物、植物和微生物；如其所能的生命包括可能存在于其他星球但尚未被發(fā)現(xiàn)，以及人類創(chuàng)造出來的數(shù)字生命、虛擬生命和人造生命（物）。

美國著名科學(xué)作家、生物化學(xué)家阿莫西夫?qū)ψ匀簧袔追N劃分。一是以氟化硅酮為介質(zhì)的氟化硅酮生物；二是以硫?yàn)榻橘|(zhì)的氟化硫生物；三是以水為介質(zhì)的核酸/蛋白質(zhì)(以氧為基礎(chǔ)的)生物；四是以氨為介質(zhì)的核酸/蛋白質(zhì)(以氮為基礎(chǔ)的)生物；五是以甲烷為介質(zhì)的類脂化合物生物；六是以氫為介質(zhì)的類脂化合物生物。

盡管現(xiàn)在美國科學(xué)家創(chuàng)造的Xenobot是微型生物機(jī)器人，但其大部分是根據(jù)第四種自然生命的原則來創(chuàng)造的，即以氨為介質(zhì)的核酸/蛋白質(zhì)(以氮為基礎(chǔ)的)生命。所以它與自然生命有相似之處。