Laboratuvarda Doğan Yaşam: Kendi Zihnine Sahip İlk Canlı Robotlar mı?
Nöron içeren ksenobotlar olan nörobotlar, kendi kendine organize olan sinir sistemleri ve gelişmiş davranışlar sergileyerek biyolojinin işlevsel yapıları nasıl oluşturduğuna dair yeni bilgiler ortaya koyuyor.
2020 yılında Tufts Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, kurbağa hücrelerini kullanarak ksenobot olarak bilinen minik canlı yapılar geliştirdiler. Bu mikroskobik organizmalar suda hareket edebiliyor, kendilerini onarabiliyor ve hatta yeni ksenobotlar oluşturmak için gevşek hücreleri bir araya getirebiliyorlardı.
Tufts ve Wyss Enstitüsü’ndeki bilim insanları, bu biyolojik makinelere sinir hücreleri ekleyerek bu çalışmayı daha da ileriye taşıdılar. Nörobot olarak adlandırılan geliştirilmiş versiyonlar, farklı şekiller alabiliyor ve yeni hareket modelleri sergileyebiliyor.
Michael Levin (Vannevar Bush Biyoloji Profesörü) ve Wyss Enstitüsü’nden Haleh Fotowat liderliğindeki araştırma, hücre gruplarının alışılmadık koşullar altında kendilerini karmaşık yapılara nasıl organize ettiklerini anlamaya yönelik daha geniş bir çabanın parçasıdır. Bu bilgi, sentetik biyoloji ve rejeneratif tıpta ilerlemeleri destekleyebilir. Nörobotların incelenmesi, sinir sistemlerinin nasıl oluştuğunu yönlendiren temel kuralları ortaya çıkarabilir ve bu da bilim insanlarının yeni biyolojik yapılar tasarlamasına veya hasarlı dokuları onarmasına yardımcı olabilir.
Kurbağa Hücrelerinden Canlı Sistemler Oluşturma
Ekip, Afrika pençeli kurbağası Xenopus laevis’in erken embriyolarından alınan hücrelerle başladı. Bu embriyolardan alınan öncü deri hücreleri izole edilip bir kaba yerleştirildiğinde, doğal olarak sili adı verilen küçük kıl benzeri çıkıntılarla kaplı küçük, yuvarlak yapılar halinde bir araya gelirler.
Çok kirpikli hücreleri vurgulamak için boyanmış bir nörobot—botun çevresinde küçük kıl benzeri kirpik demetleri—ve merkezde görülen nöronal dendrit ve akson uzantıları. (Fotoğraf: Haleh Fotowat)
Bu kirpiklerin koordineli hareketi, bir tür biyobot olan ksenobotların suda yüzmesini sağlar. Tamamen biyolojiktirler ve iskele veya genetik modifikasyon olmadan oluşturulurlar. Bu organizmalar kendilerini iyileştirebilir ve orijinal embriyonik hücrelerde depolanan besinleri kullanarak yaklaşık 9 ila 10 gün hayatta kalabilirler. Araştırmacılar zaten yapılarını ve davranışlarını incelemişlerdi ve özellikle bu sistemlerin sinirsel organizasyonlarını şekillendiren evrimsel bir geçmişleri olmadığı için, nöron eklemenin onları nasıl değiştireceğini görmek istediler.
Nöron Ekleme: Nörobot Oluşturma
Nörobot üretmek için bilim insanları, daha sonra nöronlara dönüşen sinir öncü hücre kümelerini, küresel yapılar hala gelişmekte olduğu kısa bir aşamada, oluşan biyobotların merkezine yerleştirdiler. Yerleştirilen hücreler olgunlaştı ve iç kısımda ve yüzeye doğru akson ve dendrit olarak bilinen dallanan yapılar oluşturdu.
Tufts’taki Allen Keşif Merkezi’nin direktörü Levin, “Bu biyobotlara sinir sistemi oluşturmak için gerekli ham maddeleri sağlarsak ne olacağını öğrenmek istedik” dedi. Nörobotların, nöronların kendilerini nasıl organize ettiklerini ve hareketi nasıl etkilediklerini incelemek için yeni bir yol sunduğunu açıkladı. Levin, “Bu yaklaşım farklı çünkü artık davranış sergileyebilen biyolojik bir vücuda sahip bir sisteme sahipsiniz” dedi.
Fotowat, çalışmanın aynı zamanda sinir sistemlerinin nasıl oluştuğunun ardındaki temel prensipleri ortaya çıkarmayı amaçladığını söyledi. “Zebrafish gibi mevcut hayvanlardaki nöronal davranışı ve davranışa nasıl yol açtıklarını anlamaya çalıştım, ancak nörobotlar tersine mühendislikle ilgili. Bir sinir sistemini sıfırdan inşa edebilir miyiz? Nöronları tamamen yeni bir bağlama yerleştirirseniz ne olur? Organize olmaları ve ağlar oluşturmaları için temel, doğuştan gelen kurallar nelerdir?”
Sinir Aktivitesi ve Yapısal Değişiklikler
Mikroskopi, nörobotlar içindeki nöronların, aksonlar ve dendritler de dahil olmak üzere doğal sinir sistemlerinde bulunan temel özellikleri geliştirdiğini gösterdi. Araştırmacılar ayrıca, nöronların iletişim kurduğu sinapslarla bağlantılı protein belirteçleri de tespit etti. Kalsiyum görüntüleme kullanarak, bu nöronların elektriksel olarak aktif olduğunu ve basit sinir ağları içinde işlev gördüğünü doğruladılar.
Çok kirpikli hücreleri vurgulamak için boyanmış bir nörobot—botun çevresinde küçük kıl benzeri kirpik demetleri ve merkezde görülen nöronal dendrit ve akson uzantıları. (Fotoğraf: Haleh Fotowat)
Nöronların eklenmesi, gözle görülür değişikliklere yol açtı. Nörobotlar, genel olarak nöron içermeyen muadillerine göre daha büyük ve daha uzundu. Hareketleri de daha karmaşık hale geldi. Her iki tür de yüzebilse de, nörobotlar daha aktifti ve basit yollar yerine tekrarlayan hareket kalıpları sergiledi.
Sinir aktivitesinin davranışı nasıl etkilediğini incelemek için bilim insanları, nörobotları beyin aktivitesini etkilediği ve nöbetleri tetiklediği bilinen bir ilaç olan pentilenetetrazol’e maruz bıraktılar. İlaç, nörobotların hareketini nöron içermeyen biyobotlardan farklı şekilde değiştirdi; bu da yeni oluşan sinir ağlarının davranışı aktif olarak şekillendirdiğini gösteriyor. Bu sonuç, basit, kendi kendine organize olan sinir sistemlerinin bile bu canlı yapıların hareketini nasıl etkileyebileceğini gösteriyor.
Beklenmedik Genetik Aktivite ve Gelecek Olasılıkları
Fotowat, “Biyolojiyle yeni bir şey inşa etmeye çalışıyorsanız, öncelikle hücrelerin sorunları nasıl çözdüğünü öğrenmeliyiz” dedi.
Araştırmacılar ayrıca beklenmedik gen aktivitesi de gözlemlediler. Başlıca beyin reseptörleriyle bağlantılı genlere ek olarak, gözlerde bulunan ışığa duyarlı hücrelerle ilişkili olanlar da dahil olmak üzere, görsel işlemeyle ilgili genlerin aktivasyonunu buldular. Bu, nörobotların sonunda ışığa tepki verebileceği olasılığını ortaya koyuyor.
Levin, “Bilmiyoruz, ancak hipotezim şu ki, bu nörobotlar, ileride yeni işlevler için yararlı olabilecek genomun bazı kısımlarını yukarı doğru düzenliyorlar,” dedi. “Daha uzun yaşasalar, o zaman fotoreseptörler de geliştirirler miydi? Aktif olarak üzerinde çalıştığımız büyüleyici bir soru.”
Kaynak: https://scitechdaily.com
Programlanabilir Moleküller: Kanser Hücrelerini Avlayan “Canlı” Nanorobotlar