Biološki strojevi. Stvaranje robota iz tkiva čovjeka

Od ksenobotova nastalih iz embrionalnih stanica žaba do samosastavljajućih antrobotova izrađenih iz tkiva čovjeka, biološki roboti obećavaju novi pristup liječenju bolesti i značajan doprinos regenerativnoj medicini, piše Tamara Čačev. Osim za popravak oštećenja unutar organizma, mogli bi se koristiti i za razne druge svrhe poput čišćenja mora od mikroplastike, u personaliziranoj medicini, a u daljoj budućnosti možda bi mogli i ciljano hvatati stanice bakterija ili tumora u organizmu.

• Naslovna fotografija: Biološki roboti razvijeni na Sveučilištu Tufts (Tufts University / YouTube)

• Dr. sc. Tamara Čačev viša je znanstvena suradnica u Zavodu za molekularnu medicinu Instituta Ruđer Bošković. Čačev je također članica Savjeta Ideje.hr

Vjerojatno ste se na satovima biologije ponekad zapitali kako je moguće da od relativno sličnog kemijskog sastava, počevši od koda u molekuli DNA, pa sve do istih građevnih elemenata stanica, nastaje tolika raznolikost života. Kako je moguće da univerzalni principi sastavljanja organizama na Zemlji mogu stvoriti toliku začudnost boja i oblika koja se ponekad čini raskošnim razmetanjem poput paunova repa ili cvjetova orhideje, a opet su svrsishodni i omogućuju preživljavanje.

Još jedno slično pitanje ima isti korijen, a to je kako je moguće da neka stanica unutar takvog jednog višestaničnog organizma točno „zna“ gdje joj je mjesto i što joj je činiti i kako se takvo precizno prostorno i vremensko planiranje stvaranja organizma odvija iz generacije u generaciju s gotovo apsolutnom preciznošću kopiranja tamo gdje je to bitno, a opet fleksibilnošću koja nam omogućuje da ne nalikujemo jedni drugima. A opet, prevelika fleksibilnost vodi u pozicioniranje i funkcioniranje stanica na krivom mjestu i u krivo vrijeme što je zapravo opisna definicija tumorskih bolesti. Nije to prva misterija prirode koju su ljudi skloni pripisati božanskoj intervenciji i „inteligentnom dizajnu“ – jer kako bi bilo moguće stvoriti tako savršene biološke „strojeve“ čistom slučajnošću. No, evolucijske znanosti i razvojna biologija otkidaju komadić po komadić mističnog u ovim procesima i pretvaraju ih u znanstvene fakte koji nisu ništa manje zanimljivi.

Kažu da je u „inženjerskom“ mindsetu da sve mora najprije rastaviti a zatim sastaviti kako bi shvatio kako nešto funkcionira. Danas već prilično znamo o prije navedenim procesima i prelazimo u sferu ponovnog „sastavljanja“ organizama iz elementarnih građevnih blokova. No, je li dizajn nekog organizma najbolji mogući dizajn i koliko se unutar njega može improvizirati na temelju osnovnih uputa sadržanih u njegovom genomu? Ovim se pitanjima bavi sintetska biologija o kojoj sam već prethodno pisala, a najnoviji iskorak je stvaranje aktivnih živih struktura-bioloških robota, ili kako se još popularno nazivaju biobotova. Stvoriti biološkog robota znači kontrolirano i simultano usmjeravati skupine stanica (kako se to događa tijekom razvoja organizma) u prostoru, vremenu i funkciji. Ideja je stvoriti samosastavljajuće žive strukture s unaprijed definiranim dizajnom te predvidivim i programabilnim svojstvima stanica ali i višestaničnih tvorevina poput tkiva i organa. Zamislite da možete kontrolirano obnoviti neko tkivo ili organ. Ne treba puno objašnjavati koliko bi to bilo korisno za napredak medicine kada bismo uspjeli kontrolirati procese u nastanku i regeneraciji tkiva i organa. Istina, danas je mnogo napravljeno na uzgoju i transplantaciji kože, radi se i na uzgoju zamjenskih organa od kojih su neki i transplantirani u oboljele zasada bez nekog velikog uspjeha, ali s puno informacija koje nam svaki takav pokušaj pruža. No, paralelno s ovim velikim „zalogajima“ radi se i na ideji sitnih bioloških popravaka poput primjerice „čišćenja“ naših arterija od plakova kojeg bi također odrađivale male skupine programiranih stanica –biobotova.

Najraniji primjeri biorobota bili su hibridni sustavi stanica i inertnih materijala poput gelova ili 3D printanih „kostura“ koji su im služili kao svojevrsna potpora za stvaranje trodimenzionalnih oblika. Stanice u ovakvim tvorevinama mogle su biti i modificirane kako bi što bolje imitirale funkcionalnost tkiva koja su se na ovaj način željela reproducirati. Zatim su došli tzv. ksenobotovi, prvi biološki roboti koji su u potpunosti oblikovani u višestanične strukture koje su imale sposobnost autonomne pokretljivosti. Ovakav je eksperiment proveden korištenjem embrionalnih stanica vodozemaca (žabe Xenopus laevis, često korištene u embriologiji) te se pokazalo kako su takve 3D višestanične tvorevine imale sposobnost „krpanja“ oštećenja vlastite strukture, sakupljanja materijala u uzgojnom mediju te „pamćenja“ informacija iz okoline.

Ksenobotovi su bili prvi biološki roboti u potpunosti oblikovani u višestanične strukture. (Preuzeto iz Blackiston D, Lederer E, Kriegman S, Garnier S, Bongard J, Levin M. A cellular platform for the development of synthetic living machines. Sci Robot. 2021 Mar 31;6(52))

Tijekom 2022. i 2023. godine nekoliko je grupa radilo na ovoj problematici, no grupa profesora Michaela Levina s Harvard University Wyss Insitute for Biologically Inspired Engineering te Sveučilišta Tufts, koja je napravila i prethodno istraživanje na ksenobotovima, je po prvi puta stvorila nove višestanične, u potpunosti biološki samosastavljene i pokretne strukture sastavljene od stanica epitela pluća nazvane antrobotovi kako bi se potenciralo njihovo porijeklo od tkiva čovjeka. Iskorak je to u odnosu na ksenobotove s više različitih aspekata, prvenstveno zbog toga što se za vodozemce zna da imaju veću plastičnost tkiva u smislu regeneracije što nije slučaj kod sisavaca. Nadalje, antrobot se samostalno sastavlja in vitro te ne zahtijeva dodatne potpore ili interveniranje u smislu modeliranja. Nadalje, umjesto embrionalnih stanica korištene su tjelesne stanice odraslog organizma koje imaju sposobnost pokretljivosti zahvaljujući trepetljikama koje su prisutne na epitelnim stanicama pluća. Ovo je posebno značajno jer se pokazalo da i takve odrasle tjelesne stanice imaju određenu razinu plastičnosti odnosno mogućnost preoblikovanja u drugačije trodimenzionalne strukture bez potrebe interveniranja u njihov genom.

Iako se ove stanice na originalnom mjestu unutar organizma nigdje ne kreću, u kulturi stanica in vitro pokazale su sposobnost pokretljivosti. Također se pokazalo da su antrobotovi, kada su rasli na sloju neurona u kulturi, poticali njihov rast i „ zatvaranje rupa“ koje su izazvane oštećenjem tog sloja stanica, no na koji način se to događa još uvijek nije razjašnjeno. Pomislite kako bi to bilo korisno imati biobotove koji sudjeluju u popravku oštećenih živaca leđne moždine ili mrežnice. Zanimljivo je i da su  antrobotovi u kulturi bili živi od 45 do 60 dana što je prilično vremena za obavljanje potencijalnih zadaća u organizmu (sjetimo se da ni neke krvne stanice ne žive dulje), a opet nisu imortalizirani poput tumorskih stanica što bi moglo predstavljati problem za njihovu potencijalnu primjenu u terapiji ljudi.

Kako se stvaraju antrobotovi u laboratoriju? Sve započinje od jedne stanice odraslog donora. U ovim se eksperimentima radilo o stanicama s površine dušnika. Kako je prije spomenuto, ove stanice imaju trepetljike koje služe tome da se sitne čestice koje sa zrakom ulaze u dušnik izguraju van kako ne bi došle dublje u dišni u sustav. Prisjetimo se što se dogodi kada se zagrcnemo gutljajem vode, upravo u tome sudjeluju ove stanice. Za njih je već prije pokazano kako mogu stvarati višestanične strukture koje nazivamo organoidi u uvjetima in vitro. No u ovom istraživanju se otišlo korak dalje te se uspjelo postići da trepetljike ovih stanica unutar organoida budu izložene prema vanjskom okolišu. Kad je to postignuto, uočeno je da takva 3D višestanična tvorevina ima mogućnost poprimanja nekoliko različitih oblika te tipova pokretljivosti iako su u kontekstu dušnika ove stanice stacionarne. Antrobotovi su bili veličine između 30 i 500 µm što je veće od čestica koje se koriste te stoga može pridonijeti njihovoj komplementarnosti u nekoj potencijalnoj primjeni.

Umjesto embrionalnih stanica korištene su tjelesne stanice odraslog organizma koje imaju sposobnost pokretljivosti zahvaljujući trepetljikama. (Preuzeto iz Gumuskaya G, Srivastava P, Cooper BG, Lesser H, Semegran B, Garnier S, Levin M. Motile Living Biobots Self-Construct from Adult Human Somatic Progenitor Seed Cells. Adv Sci (Weinh). 2024 Jan;11(4))

Zašto se biobotovi uopće stvaraju? Smatra se da bi takvi živući strojevi mogli obavljati reparativne funkcije unutar našeg organizma te bi to bilo od velikog značaja za regenerativnu medicinu ali i kao mogući novi pristup u liječenju nekih bolesti. Ako bismo uistinu od vlastitih stanica mogli napraviti biobotove koji bi nam stoga bili imunološki prihvatljivi za primjenu unutar organizma, a koji bi u njemu mogli obaviti specifične funkcionalne zadatke, to bi otvorilo nove smjerove u razvoju novih terapija. Zamislite da postoji neki mali biobot koji može počistiti naše žile od plakova koji su osnova za nastanak najčešćih bolesti današnjice, srčanog i moždanog udara. Antrobotovi bi možda mogli očisti i višak sluzi u plućima oboljelih od cistične fibroze što je ovim osobama od presudne životne važnosti. Druga moguća primjena je stvaranje živih „materijala“ s potencijalnim primjenama koje do sada još nisu nikad viđene u živom svijetu.

Dodatnim modifikacijama antrobota mogle bi se u njih ugraditi i neke funkcionalnosti koje nisu imali u stanicama od kojih su nastali, poput proizvodnje nekih enzima, protutijela i slično. Takve programabilne 3D tvorevine sposobne ciljano djelovati mogle bi primjerice biti korisne u saniranju onečišćenja mora (npr. uklanjanje mikroplastike). Mogli bi se koristiti i u personaliziranoj medicini na način da se za odabir lijeka svakom oboljelom najprije napravi svojevrsni avatar tkiva koje treba liječiti u vidu biobota a zatim se na njemu ispita djelovanje raznih suptstanci i odabere ona koja ima najbolji učinak. U nekoj daljnjoj futurističkoj viziji ovakvi biobotovi bi mogli ciljano hvatati stanice bakterija ili tumorske stanice unutar organizma. U recentno objavljenim studijama radilo se o stanicama pluća koje imaju trepetljike te stoga i potencijal za kretanje, no ima i drugih tipova stanica s trepetljikama u organizmu. Također, mogu se koristiti i druga svojstva stanica koja bi mogla biti korisna u nekim drugim primjenama poput sposobnosti primanja signala koje imaju osjetilne stanice.

Ne treba biti naivan pa misliti kako primjena biobotova može imati samo blagotvorne učinke na čovječanstvo

Iako mislimo da stanice unutar višestaničnog organizma uvijek moraju biti tamo gdje jesu i raditi to što rade, pokazuje se da one imaju određenu dozu fleksibilnosti te u drugačijim uvjetima možda mogu pokazati i neka nova dosad nepoznata svojstva i funkcionalnosti. To je drugačija vrsta fleksibilnosti od one koju imaju tumorske stanice koje se vraćaju u svoje „djetinjstvo“ i poprimaju svojstva nediferenciranih stanica koje više baš i nemaju neko usmjereno kontrolirano funkcioniranje već im je jedini cilj neprestani rast i dioba dok ne iscrpe svog domaćina te na kraju i same umru. Neki smatraju kako je primjena ovih istraživanja još poprilično u domeni znanstvene fantastike i da tek treba vidjeti koja će biti praktična korist od biobotova. Naravno, svaki novi pokušaj u stvaranju biobotova daje nam mnoštvo novih informacija, dijelova puzzlea koji kada se sklope odjednom povežu i ostale, dotad nepovezane fragmente znanja, u kompleksniju sliku koja izranja iz tih fragmenata. Ne treba biti naivan pa misliti kako primjena biobotova može imati samo blagotvorne učinke na čovječanstvo jer je lako zamisliti i scenarij u kojem se biobotovi mogu koristiti kao biološko oružje ili se potencijalno oteti kontroli te djelovati kao novi živi entitet. No, možda je najintrigantniji koncept koji trenutno proizlazi iz ovih istraživanja ideja o fleksibilnosti stanica da stvaraju i druge trodimenzionalne funkcionalne strukture bez ikakvih intervencija u njihov genom a mimo konteksta u kojem smo ih prvotno upoznali.

• Literatura

1) Gumuskaya G, Srivastava P, Cooper BG, Lesser H, Semegran B, Garnier S, Levin M. Motile Living Biobots Self-Construct from Adult Human Somatic Progenitor Seed Cells. Adv Sci (Weinh). 2024 Jan;11(4):e2303575. doi: 10.1002/advs.202303575.

2) Kriegman S, Blackiston D, Levin M, Bongard J. Kinematic self-replication in reconfigurable organisms. Proc Natl Acad Sci U S A. 2021 Dec 7;118(49):e2112672118. doi: 10.1073/pnas.2112672118.

3) Blackiston D, Lederer E, Kriegman S, Garnier S, Bongard J, Levin M. A cellular platform for the development of synthetic living machines. Sci Robot. 2021 Mar 31;6(52):eabf1571. doi: 10.1126/scirobotics.abf1571.