개구리 세포를 이용해 만든 살아있는 로봇-20201.13

개구리 세포를 이용해 만든 살아있는 로봇

책은 나무로 만들어졌다. 하지만 나무가 아니다. 죽은 세포들은 다른 필요에 의해서 용도 변경되었다.

이제 과학자들이 개구리 배아에서 긁어낸 살아있는 세포를 재활용하여 완전히 새로운 생명체로 조립했다.  
1mm 폭의 "제노봇(xenobots)"는 페이로드(payload, 환자 내부의 특정 장소로 운반해야 하는 약처럼)를 갖고 목표물을 향해 이동할 수 있고, 잘린 경우에도 스스로 치료할 수 있다.

버몬트 대학의 컴퓨터 과학자 겸 로봇 전문가인 조슈아 봉가드는
"이것은 새로운 살아있는 기계(living machines)입니다, 전통적인 로봇도 아니고 알려진 동물의 종도 아니에요. 이것은 새로운 종류의 인공물입니다. 살아있는 프로그램 가능한 유기체인 것이죠"

이 새로운 생명체들은 버몬트 대학의 슈퍼 컴퓨터로 설계하였고 터프츠 대학의 생물학자들에 의해 조립되었다.

"우리는 다른 기계들이 할 수 없는 이 살아있는 로봇들의 많은 유용한 응용을 상상할 수 있습니다"고 Tufts의 재생 및 개발 생물학 센터의 책임자인 Michael Levin은 말한다. "우리는 위험한 화합물이나 방사능 오염을 찾아내고, 해양의 미세플라스틱을 모으고, 동맥을 여행하는 것이 가능할 것입니다."

놀랍고 새로운 연구 결과는 2020년1월 13일 국립과학원(the National Academy of Sciences) 회보에 발표되었다.

리빙 시스템

사람들은 농업이 시작된 이래로 자신의 이익을 위해 유기체를 조작해 오고 있고, 유전자 조작이 널리 퍼지고 있으며, 몇몇 인공 유기체들이 지난 몇 년 동안 수작업으로 조립되어 알려진 동물의 신체 형태를 모방하는 기술까지 갖게 되었다.  

그러나 이번 연구는 사상 처음으로 "완전히 생물학적 기계를 원점에서 설계"한 새로운 연구라는 점에서 시사하는 바가 커다.

버몬트 대학의 어드밴스트 컴퓨팅 코어에 있는 Deep Green 슈퍼컴퓨터 클러스터에서 수 개월간의 처리 시간을 가진 새로운 생명 양식에 대한 수천 개의 후보 디자인을 만들기 위해 진화 알고리즘(evolutionary algorithm)을 사용했다. 

특정한 방향으로 움직이는 운동을 제어할 수 있도록 시도하면서 컴퓨터로 수백 개의 시뮬레이션된 세포를 무수히 많은 형태와 신체 모양으로 재조립하였다. 프로그램이 진행되면서, 단일 개구리 피부와 심장 세포가 할 수 있는 것에 대한 생물물리학에 대한 기본적인 규칙에 따라, 더 성공적인 모의 유기체를 유지하고 다듬은 반면 실패한 설계는 버려졌다. 알고리즘을 백 번이상의 독립적으로 실행한 후, 가장 유망한 설계가 테스트를 위해 선택되었다.

그 후, 르빈이 이끄는 터프츠 팀은 마이크로서건 더글러스 블랙스톤의 핵심 작업으로 실리코 디자인을 실리카로 옮겼다. 

먼저 그들은 아프리카 개구리들의 배아에서 채취한 줄기 세포를 모았다. (xenobots라는 이름은 기억하자) 이것들은 단일 세포로 분리되어 배양하기 위해 남겨졌다. 그리고 나서, 작은 힘줄과 훨씬 더 작은 전극을 사용하여, 세포를 잘라내고 현미경 아래 결합하여 컴퓨터가 지정한 설계의 근사치를 만들었다.

자연에서는 결코 볼 수 없는 신체 형태로 조립되어, 세포들이 함께 작용하기 시작했다. 피부 세포는 좀 더 수동적인 구조를 형성했고, 심장 근육 세포의 한때 무작위적인 수축은 컴퓨터의 설계에 의해 지시되고 자발적인 자기 조직 패턴에 의해 도움을 받아 로봇들이 스스로 움직일 수 있도록 하는 작업을 하게 되었다.

이러한 재구성할 수 있는 유기체들은 일관성 있게 움직일 수 있고 배아 에너지 저장소를 통해 며칠 또는 몇 주 동안 수분이 많은 환경을 탐험할 수 있는 것으로 나타났다. 그러나 뒤집힌 그들은 쇠똥구리가 등에 엎드린 것처럼 실패했다.

이후의 실험은 제노봇 그룹이 원을 그리며 움직이면서 펠릿을 중앙 위치로 밀어 넣는다는 것을 보여주었다. 즉흥적으로 그리고 집단적으로. 다른 것들은 드래그를 줄이기 위해 중앙을 관통하는 구멍으로 지어졌다. 이것들의 시뮬레이션 버전에서, 과학자들은 물체를 성공적으로 운반하기 위해 이 구멍의 용도를 주머니로 바꿀 수 있었다. "이것은 지능적인 약물 전달을 위해 컴퓨터 설계 유기체를 사용하기 위한 단계입니다,"라고 UVM의 컴퓨터 과학과 복합 시스템 센터의 교수인 Bongard는 말한다.

리빙 테크놀로지

많은 기술은 강철, 콘크리트 또는 플라스틱으로 만들어진다. 그것은 그들을 강하게 만들거나 유연하게 만들 수 있다. 그러나 그것들은 또한 해양의 플라스틱 오염의 증가하는 재앙과 많은 합성 물질과 전자제품의 독성과 같은 생태학적 그리고 인간의 건강 문제를 일으킬 수 있다. "살아있는 조직의 단점은 그것이 약하고 약해진다는 것이다"라고 봉가드는 말한다. "그래서 강철을 쓰는 거야. 그러나 유기체는 스스로 재생하고 수십 년 동안 지속되는 45억 년의 연습을 가지고 있다." 그리고 그들이 일을 멈추면 -- 죽음-- 그들은 보통 무해하게 떨어져 나간다. "이 제노봇들은 완전히 생분해된다."라고 봉가드는 말한다. "7일 후에 일을 마치면, 그들은 죽은 피부 세포일 뿐이다."

당신의 노트북은 강력한 기술이다. 하지만 반으로 잘라봐. 그렇게 잘 되지는 않는다. 새로운 실험에서 과학자들은 제노봇을 자르고 무슨 일이 일어나는지 지켜보았다. "우리는 로봇을 거의 반으로 잘랐고 로봇은 다시 꿰매고 계속 움직입니다,"라고 봉가드는 말한다. "그리고 이건 전형적인 기계로는 할 수 없는 일이야."

크래킹 더 코드

르빈과 봉가드 둘 다 세포가 어떻게 소통하고 연결하는지에 대해 그들이 배워온 것의 잠재력은 컴퓨터 과학과 우리의 삶에 대한 이해 둘 다로 깊게 확장된다고 말한다. "생물학에서 가장 큰 문제는 형태와 기능을 결정하는 알고리즘을 이해하는 것입니다,"라고 르빈은 말한다. "게놈은 단백질을 암호화하지만, 변형 응용 프로그램들은 매우 다른 조건에서 기능적 해부학을 만들기 위해 세포가 어떻게 협력할 수 있는지를 발견하기를 기다리고 있다."

유기체가 발전하고 기능을 발휘하도록 하기 위해, 뉴런 안에서뿐만 아니라 세포 내부와 세포 사이에 항상 많은 정보 공유와 협력이 이루어지고 있다. 이러한 긴급하고 기하학적인 특성은 생물전기, 생화학, 생체역학 과정에 의해 형성되는데, "이 과정은 DNA 지정 하드웨어로 실행된다,"라고 레빈은 말한다. "그리고 이러한 과정은 재구성할 수 있고, 새로운 생활 형태를 가능하게 한다."

과학자들은 그들의 새로운 PNAS 연구에서 제시된 연구인 "재구성이 가능한 유기체를 설계하기 위한 확장 가능한 파이프라인"을 생물학과 컴퓨터 과학에 이 생물학적 전기 코드에 대한 통찰력을 적용하기 위한 한 단계로 보고 있다. "세포가 협력하는 해부학적 구조를 실제로 결정하는 것은 무엇인가?" 르빈이 묻는다. "우리가 제노봇을 만들어 온 세포를 보면, 유전학적으로 개구리들이지요. 이것은 100% 개구리 DNA 입니다. 하지만 이것들은 개구리가 아니에요. 그러면 여러분은, 음, 이 세포들이 또 무엇을 만들 수 있을까?"

"우리가 보여준 것처럼, 이 개구리 세포들은 그들의 기본 해부학과는 완전히 다른 흥미로운 생물 형태를 만들기 위해 구슬려질 수 있습니다,"라고 레빈은 말한다. 그와 함께 다른 과학자들은 DARPA의 평생학습 기계 프로그램과 국립과학재단의 지원을 받아 제노노봇을 만드는 것은 그가 말하는 "형질적 코드"를 깨기 위한 작은 단계라고 믿고 있으며, 유기체가 어떻게 조직되는지에 대한 더 깊은 관점을 제공한다. 

미래 쇼크

많은 사람들은 급속한 기술적 변화와 복잡한 생물학적 조작의 영향에 대해 걱정한다. "그 두려움은 불합리하지 않습니다,"라고 르빈은 말한다. "이해할 수 없는 복잡한 시스템을 어지럽히기 시작하면 의도하지 않은 결과가 나올 것이다." 

개미 집단과 같은 많은 복잡한 시스템들은 개미 집단으로부터 시작된다. 개미들은 개미 집단에서 서식지의 모양이나 물 위에 어떻게 다리를 건설할 수 있는지 예측하는 것이 불가능할 것이다.

르빈은

 "인류가 미래까지 살아남으려면 어떻게 해서든 복잡한 속성이 단순한 규칙에서 어떻게 나오는지 더 잘 이해할 필요가 있다"고 말한다. 많은 과학은 "저수준의 규칙을 통제하는 것"에 초점을 맞추고 있다. 우리는 또한 높은 수준의 규칙을 이해할 필요가 있다."라고 그는 말한다. "한 마리 대신 굴뚝이 두 개 달린 안틸을 원했다면 개미들은 어떻게 개조하지? 우리는 전혀 모를 것이다."

"나는 그 결과가 매우 복잡한 시스템을 더 잘 다루기 위해 앞으로 나아갈 사회가 절대적으로 필요하다고 생각한다." 

"그것을 향한 첫걸음은 어떻게 생물체계가 전반적인 행동을 결정해야 하는지 그리고 우리가 원하는 행동을 얻기 위해 어떻게 조각을 조작해야 하는지를 탐구하는 것이다."

"이 연구는 사람들이 두려워하는 것을 통제하는 데 직접적인 기여를 하는 것이며, 의도하지 않은 결과"라고 주장한다. 

 

자율주행차의 빠른 도착, 바이러스의 모든 혈통을 없애기 위한 유전자 구동력 변화, 또는 점점 더 인간을 형성하게 될 많은 복잡하고 자율적인 시스템들 경험하고 있다.

조쉬 봉가드는 "인생에는 이런 독창성이 모두 내재되어 있다"고 말한다. "우리는 이 점을 더 깊이 이해하고 싶고, 새로운 형태를 향해 어떻게 방향을 정하고 추진할 수 있는지 알고 싶다."고 하였다.