כבר לא מדע בדיוני? מדענים טוענים שהצליחו לייצר מכונות ביולוגיות מתאים אנושיים
מסע מופלא (1966) הוא סרט אמריקאי על צוות רופאים שמוקטנים לגודל זערורי ומוזרקים לגופו של מדען כדי להציל אותו מקריש דם. רובוטים מיקרוסקופיים שישוטטו בגופנו ויתקנו מפגעים הם אחת ההבטחות החדשניות של מדעי החיים והרפואה. התקווה היא שרובוטים כאלה יוכלו, למשל, לשנע תרופות נגד סרטן ישירות לתאים, לפנות מכלי הדם שומנים ששוקעים בהם וגורמים להצרה שלהם ולסתימתם, או לסייע ברפואה רגנרטיבית.
לאחרונה חוקרים הנדסו מתאים אנושיים מכונות ביולוגיות מיקרוסקופיות בצורת כדור או אליפסה, שיכולות לנוע. הם כינו אותן אַנתרובוטים – שילוב של המילה היוונית אַנתרופוס, שפירושה אדם, והמילה רובוט, מכונה שמהונדסת למלא פקודות.
זו לא הפעם הראשונה שמדענים הצליחו להנדס ביובוטים – רובוטים ביולוגיים שעשויים מתאים של בעלי חיים. קבוצת החוקרים יצרה בעבר ביובוטים מתאי גזע עובריים של צפרדע רפואית מצויה (Xenopus laevis). לרובוטים הללו הם קראו קסנובוטים, על שם הצפרדע, והם הביובוטים הראשונים שנוצרו מתאים בלבד ולא מחיבור של תאים עם חומרים סינתטיים. כדי ליצור אותם, המדענים השתמשו בתוכנת בינה מלאכותית שחזתה מבנים אפשריים של הרכב התאים ובעזרתה הצליחו להנדס קסנובוטים שיכולים לנוע בצורות שונות. הקסנובוטים נעו בחופשיות בצלחת הפטרי במעבדה, ואף התגלה במפתיע שהם מסוגלים להתרבות ולהעמיד צאצאים שממשיכים את תהליך הרבייה.
התאים בתרבית התארגנו בשלוש צורות של אנתרובוטים בקוטר 30 עד 500 מיקרון. אנתרובוט בן שבעה ימים מכוסה בריסונים | מתוך Gizem Gumuskaya et al
השערות שמניעות את הגוף
החוקרים תהו אם היכולות של הקסנובוטים נובעות מתכונות שייחודיות לתאי הגזע של דו-חיים, או שאפשר ליצור ביובוטים גם מסוגים אחרים של תאים, למשל תאים של יונקים ואפילו בני אדם. במחקר הנוכחי הם הראו שגם תאים מדרכי הנשימה של אדם בוגר מסוגלים לאמץ במעבדה צורות חדשות ויכולות תנועה דומות, בזכות הרִיסוֹנים (Cilia) – האברונים המיקרוסקופיים דמויי השערות שנמצאים על פני תאי האפיתל שמרפדים את איברי מערכת הנשימה.
הריסונים שימשו את החוקרים שעיצבו את הקסנובוטים כדי להקנות להם יכולת תנועה. ריסונים נמצאים בתאים של מרבית היצורים החיים שהם בעלי גרעין תא (איקריוטים), ולכן אפשר למצוא אותן בצפרדעים וגם בבני אדם. בדרכי הנשימה שלנו, הריסונים מסלקים בתנועתם ריר, חיידקים, נגיפים וגורמים זרים ומונעים מהם להגיע לריאות.
כל אנתרובוט התחיל את חייו בתור תא בודד וישב בתוך ג'ל שדימה את הסביבה החוץ תאית של דרכי הנשימה בגוף. כשנוצר, הריסונים שלו פנו לחלקו הפנימי של הלומן, החלל הפנימי של דרכי הנשימה. התא גדל והתרבה ואחרי שבועיים התאים הועברו לסביבה פחות צמיגית למשך שבוע נוסף, כדי לקבל את הצורה הרצויה של אנתרובוט, שבה הריסונים פונים כלפי החלק החוץ-תאי, הנגדי ללומן, שבמקרה הזה הוא הג׳ל שבצלחת המעבדה. התאים בתרבית התארגנו בשלוש צורות של אנתרובוטים, הקוטר שלהם נע בין 30 ל-500 מיקרון (מיקרון הוא אלפית המילימטר) והם חיו 60-45 ימים.
סרטון המציג אנתרובוטים בתנועה:
צעד קטן לאנתרובוט, צעד גדול לאנושות
הרחבת היכולות המדעיות על ידי יצירת צורות חדשות מתאים שמקורם בגוף האדם היא רק מטרה אחת במחקר האנתרובוטים. הכוונה היא להשתמש במחקרים כאלה לתועלת רפואית. לכן, אחרי שהשלב הראשון של יצירת האנתרובוטים הצליח, החוקרים העמידו בפני הרובוטים הביולוגיים החדשים סדרה של מבחני יכולת.
המבחן הראשון היה מבחן תנועה. כפי שהחוקרים ציפו, כשהריסונים שעטפו את השכבה החיצונית של האנתרובוטים נעו בנוזל החוץ תאי, הם פעלו כמשוטים, והאנתרובוטים שנוצרו שחו בתרבית במעבדה בקווים ישרים או במעגלים. אולם אחת משלוש הצורות של האנתרובוטים לא נעה כלל, או שנעה מעט מאוד.
במבחן השני החוקרים ניתחו את הקשר בין הסימטריה של האנתרובוטים שיכלו לנוע, לבין אופן התנועה שלהם. הסימטריה הזאת קשורה למיקום ולפיזור של הריסונים על פני האנתרובוטים. החוקרים מצאו שאנתרובוטים עם סימטריה דו-צדדית נעים בקו ישר, ואנתרובוטים בלי סימטריה ברורה נוטים לנוע במעגלים.
כדי לדעת אם האנתרובוטים יכולים לנוע בסביבה חוץ-תאית שונה מזו של תאים בדרכי הנשימה, כמו זו שבה החוקרים גידלו את האנתרובוטים, הם ערכו לאנתרובוטים מבחן תנועה נוסף – הפעם בתרבית של תאי עצב. הם השתמשו במבחן השריטה, שאיתו קובעים מאפיינים בסיסיים של תנועת התאים: הם עשו שריטה ברקמה, אפשרו לאנתרובוטים לנוע בחופשיות וראו שהם מסוגלים לנוע על גבי תרבית של תאי העצב למרות השריטה, במיוחד האנתרובוטים מהסוג שנע במעגלים.
התקווה היא שנוכל בעתיד להשתמש בביובוטים בהנדסה או התחדשות של רקמות. המבחן הרביעי והמעניין מכולם בדק אם האנתרובוטים יכולים לא רק לנוע בתרבית תאים פגומה אלא גם לתקן אותה. החוקרים צופפו אנתרובוטים רבים בתרבית מוגבלת בשטחה. בתוך 72 שעות האנתרובוטים המצופפים – סופרבוטים, כמו שקראו להם החוקרים – גישרו על הקרעים ברקמה, בדומה לנמלים שיוצרות גשרים בטבע כדי לעבור על פני תהום. אותם גשרים הגבירו את התחדשות התאים מתחתם, אבל עדיין לא ברור איך זה קרה ומה תרומתם של האנתרובוטים לכך.
סרטון המדגים את תנועת האנתרובוט על גבי שריטה:
רובוטים או יצורים חיים?
התפתחויות טכנולוגיות ומדעיות בעשורים האחרונים מאפשרות לחוקרים לייצר מכונות זעירות ורובוטים שיהיו מסוגלים לנוע בתוך הגוף באופן חופשי או בעזרת אמצעים חיצוניים כמו דימות תהודה מגנטית. הרובוטים הללו הם בגודל שנע בין מיקרונים בודדים עד כמה מילימטרים. הם מורכבים ממתכות, חומרים סינתטיים או חומרים ביולוגיים כמו הביובוטים – או משילוב שלהם. הנדסתם, ובעיקר הנדסת ביובוטים, מאתגרת את ההגדרה של חיים. מה מבדיל ביובוטים מרובוטים רגילים?
כמה מחקרים קדמו להנדסת האנתרובוטים: מחקרים על הקסנובוטים, שהם הרובוטים הראשונים שהונדסו מתאים של בעלי חיים. מחקרים נוספים שסללו את הדרך נעשו על מחלות זיהומיות בדרכי הנשימה. במיוחד תרם לתגלית מחקר שעסק בסיסטיק פיברוזיס – מחלה תורשתית שגורמת להצטברות ריר בדרכי הנשימה ולחסימתן. פרוטוקול הניסוי שלו היה הבסיס לתהליך הנדסת האנתרובוטים במעבדה. אבל המחקר הזה לא בדק תנועה עצמית של המבנים. אחד החוקרים, וולטר פינקביינר (Finkbeiner), הסביר בריאיון לכתב העת סיינטיפיק אמריקן ש"מטרתם הייתה לפתח אורגנואיד, מערכת תאים תלת-ממדית שבמקרה הזה מדמה את תפקוד דרכי הנשימה כדי לבדוק טיפולים פוטנציאליים לסיסטיק פיברוזיס".
האם אפשר לכנות את האנתרובוטים "רובוטים ביולוגיים"? האם הם נבדלים באופן מהותי מאורגנואיד כזה? יוצרי האנתרובוטים ביקשו לחקור את היכולת של תאי גוף בוגרים להתארגן בצורות חדשות. אם אפשר ליצור מתאים בוגרים בעלי צורה מוגדרת מבנים חדשים, אפשר לנצל את הידע הזה להנדסת רקמות ואיברים. עוד ביקשו יוצרי האנתרובוטים לראות איך ביובוטים נעים, כדי ליצור בעתיד ביובוטים שישמשו ברפואה, אולם עדיין לא ידוע אם התאים יכולים להתארגן, לנוע באופן עצמאי אל עבר יעד רצוי ולבצע פעולה חיונית – או שהם נעים רק כפועל יוצא של תכונותיהם ושל תנועת הריסונים בנוזל.
כשהמחקרים הראשונים על קסנובוטים התפרסמו, נשמעה ביקורת ציבורית על ההשלכות האתיות של יצירת מכונות חיות. היו שהשוו את יצירת הקסנובוטים למפלצת של פרנקנשטיין וטענו שלא נכון "לשחק בתפקיד אלוהים". האם מדובר ביצור חי מסוג חדש, או שהאנתרובוטים יתגלו בסופו של דבר כמכונה רובוטית ככל המכונות? נראה שעוד מוקדם לענות על כך.
סרטון שעוקב אחר עיצוב ובנייה של הקסנובוטים באותה מעבדה (20 דקות)
