צפרדע מסוג Xenopus / צילום: Shutterstock
מה היה קורה אם בני האדם היו מהנדסים יצור חי מתאים בודדים? יצור חדש, שאיננו זהה לשום יצור אחר שהטבע ברא. ומה אם היינו אומרים לכם שיצורים חיים כאלה כבר קיימים במעבדה בארה"ב, והם גם יודעים לבנות עוד יצורים בדיוק כמוהם, אם נותנים להם את אבני הבניין הנכונות? נעים להכיר, קסנובוטים.
בעודנו מטרידים את עצמנו בשאלה אם בינה מלאכותית עלולה להפוך בעתיד לתודעה חיה, שאלת גבולות החיים מאותגרת מכיוון אחר. כמה תאים שהורכבו יחדיו על ידי בן אנוש ופינצטה ממש קטנה מציגים יכולות שאנחנו בדרך כלל מזהים עם חיים, כמו תנועה, ריפוי עצמי ו(סוג של) התרבות. הם עושים זאת במשך כמה שבועות, בעודם מעכלים את המזון שצרכו, וכאשר הם מסיימים לעכל אותו, הם מתים. אם נותנים להם עוד מזון, הם יכולים לחיות כמה חודשים.
"אני לא יכול לחשוב על שום הגדרה של חיים שהם לא עונים עליה", אומר פרופ' מייק לוין מאוניברסיטת טאפטס בארה"ב, אחד מארבעת החוקרים שהיו החלוצים בתכנות ובבנייה של הקסנובוטים. "כשאני מראה לחוקרים אחרים את הקסנובוטים בסרטון, הם בטוחים שזה אורגניזם שאספתי באגם כלשהו. הם בהלם כשהם מגלים שאלה תאים שהרכבנו במעבדה".
הצפרדע שהתחילה הכול
מקור התאים האלה הוא צפרדע מסוג Xenopus, ומכאן גם השם של הקסנובוטים, אבל לא מזיק שזהו שם שמרמז גם על היותם יצורים זרים ומוזרים.
החוקרים נוטלים את התאים מהצפרדע, מגדלים אותם במבנה אחר לגמרי מזה של צפרדע, ומעניקים להם תכונות גנטיות והנדסיות כך שיוכלו לבצע פונקציה מסוימת. כך, קסנובוטים הם בו זמנית רובוטים ותאים חיים. ואולי הם בעצם יצורים חיים, אבל מלאכותיים.
עד היום הצליחו החוקרים לתכנן קסנובוטים שיכולים לזוז באמצעות מנגנון דומה לזה שבו פועם הלב. הפעימות שלהם מניידות אותם ממקום למקום, והחוקרים יכולים לתכנן במידת מה את מסלול התנועה שלהם. קסנובוטים אחרים תוכננו כך שיגדלו שערות - תנועת השערות במים מאפשרת להם לזוז. אפשר גם לתכנן אותם כך שיזוזו ויסחבו דברים, ינקו משטח ויערמו את הלכלוך לערימות מסודרות.
לצד לוין, צוות החוקרים החלוצים כולל את ד"ר דאגלס בלקיסטון, גם הוא מטאפטס, פרופ' סם קריגמן מאוניברסיטת נורת'ווסטרן ופרופ' ג'וש בונגרד מאוניברסיטת ורמונט. בראיון שנעשה במייל, הם מספרים כיצד יצרו את הקסנובוטים ומה עשויה להיות התרומה המדעית שלהם.
השראה מזחלים ופרפרים
איך בכלל נולד הרעיון לבנות קסנובוט? בלקסיטון, חוקר בעלי חיים, מספר: "בדוקטורט שלי התמקצעתי בזחלים ובפרפרים. הבנתי שהזיכרון של הזחל שורד גם כשהוא מתפרק לגמרי ומארגן את עצמו מחדש כדי להפוך לפרפר. אחר כך, בפוסט-דוקטורט שלי, השתלנו תאי גזע בצפרדעים והחזרנו להם את הראייה.
"שני הניסיונות האלה הובילו אותי לשאלה: אם אפשר לפרק ולהרכיב מערכות חיות, ולשמור על הפונקציונליות שלהן, האם גם אפשר להרכיב מערכות חיות מן היסוד? אם כן, בוודאי נוכל לפצח כמה סודות של מערכות חיות, שיעזרו לנו בריפוי ובשחזור יכולות של בני אדם ובעלי חיים. ובינתיים, עד שנייצר מערכות חיות של ממש, נוכל אולי לגרום לתאים 'לעבוד' בשבילנו ולפתור כל מיני בעיות שהעולם סובל מהן".
הקסנובוטים הם למעשה תאי צפרדע שבתוך צלחת פטרי מורכבים ידנית באמצעות פינצטה, או מרכיבים את עצמם, לאיבר רב־תאי עם פונקציונליות מסוימת, אבל הוא לא דומה בשום צורה לצפרדע.
יש בכך משהו מטריד, או מגמיש מחשבה, תלוי באופן שבוחרים להסתכל על זה, כפי שכתב פיליפ בול באתר Aeon בעקבות החשיפה שלו לקסנובוטים. הרי לכל תאי הצפרדע יש DNA של צפרדע, וכפי שהתרגלנו לחשוב, יש להם תוכנית גנטית שיכולה להפוך אותם אך ורק לצפרדע. אבל אולי לא? נראה שהתוכנית הגנטית שאיתה הצפרדעים באות לעולם יכולה להתממש בכל מיני דרכים, בהתאם לממשק שלה עם הסביבה. ואם כך, האם גם בני אדם הם רק דרך אחת שבה יכולים להתארגן התאים שלהם? האם בעתיד יוכלו להפוך תאים של בני אנוש ליצורים אחרים?
למעשה, אומרים החוקרים, היינו אמורים לחשוב על זה כבר מזמן. הרי גם זחלים ופרפרים הם מורפולוגיות שונות לגמרי של אותה גנטיקה של פרפר. גם ראשנים וצפרדעים הם מורפולוגיות שונות של אותה גנטיקה של צפרדע. אז מדוע שלא יהיו מורפולוגיות נוספות לאותה תוכנית גנטית? יכול להיות שהסביבה פשוט עדיין לא הצדיקה את היווצרותן.
בעתיד, ייתכן שנוכל להשתמש בקסנובוטים כדי להבין טוב יותר כיצד האבולוציה פועלת. לדוגמה, אם נבין איך מגנטיקה דומה מתפתחים יצורים שנראים אחרת לגמרי אלה מאלה, אולי גם נבין איך ייתכן שאנחנו חולקים המון גנים עם יצורים שונים מאיתנו, ואיך הסביבה משפיעה על ההתפתחות הזאת.
"אנחנו מתחילים פה מההתחלה, מתאים ספורים, ויש לנו היתרון של הבינה המלאכותית, שיכולה ליצור תהליך התפתחותי מואץ בסביבה מבוקרת", מסביר בונגרד. "האם בתנאים כאלה היצורים יתפתחו כפי שהאבולוציה שאנחנו מכירים היום מנבאת? אנחנו מאוד סקרנים לראות".
התאים כקוביות לגו
הקסנובוטים שנבנו עד היום הם בגודל של פחות ממילימטר והם כוללים כמה אלפי תאים. בדרך כלל, הם מורכבים מתאי גזע של צפרדע שמוינו לתאי עור, לתאים שיכולים להצמיח שערות ולתא שריר לב, שהוא בעל יכולת התנועה. לפעמים מוסיפים להם גם מולקולת RNA, שניתן לתכנן אותה כך שתגיב לסביבה. לדוגמה, אפשר לבנות קסנובוט שזוהר או זז בתגובה לחשיפה לאור בתדר מסוים. בניסויים המתקדמים ביותר, הוסיפו להם גם תאים המאפשרים חישה.
"כשאני בונה קסנובוט", אומר בלקיסטון, "אני חושב על התאים השונים כאילו הם קוביות לגו. אנחנו משתמשים תחילה במעין סימולטור שיכול לבדוק מה יקרה אם נשלב אותם - האם הם יוכלו לבצע פעולות מסוימות כמו לנוע בקו ישר או לפנות אשפה".
המודל הממוחשב מנסה להביא בחשבון את כל התכונות של התא, את כל התכונות של הסביבה ואת כל הממשקים ביניהם. "אנחנו משלבים במעבדה את התאים בהתאם למודל מהמחשב, בתהליך שמאפשר לנו שליטה בגודל, בסוג התאים ובצורה שלהם. כשאנחנו מייצרים את הבוט, אנחנו רואים אם הוא באמת עושה את מה שהאלגוריתם שלנו ניבא שהוא יעשה. אם לא, צריך לעשות שינויים באלגוריתם. אבל רוב מה שאנחנו עושים במעבדה פועל! התאים מתנהגים בדיוק כפי שהמודל ניבא".
בונגרד מספר שבלקיסטון התחיל את הפרויקט כאשר הראה שהוא יכול לשנות את מיקום התאים החיים של עובר צפרדע בכל מיני דרכים, ועדיין לקבל צפרדע בוגרת עם מגוון היכולות הדרושות כדי להיות צפרדע. זה גרם לקבוצה לשאול: מה יקרה אם נוסיף לתהליך הזה בינה מלאכותית, וננסה לנבא איך שינויים שונים שנעשה בתאי הצפרדע ישפיעו על הפונקציונליות שלה, ואז נבדוק זאת מול המציאות?"
לדבריו, קבוצת החוקרים הגיעה היום למצב שבו הבינה המלאכותית מתכנתת את הקסנובוטים, אבל לא באמצעות שינוי הגנום שלהם, כפי שעושות קבוצות חוקרים אחרות בתחום הביולוגיה הסינתטית, אלא באמצעות שינוי המבנה המרחבי שלהם.
נחילים שינקו את הגוף
בעבר ראינו הדגמות של תאי שריר לב אנושיים, שפועמים בתוך צלוחית ואפילו זזים, אבל נראה שהקסנובוטים עלו שלב. "לבבות פועמים בצלוחית נוצרו בדרך כלל על גבי פיגום לא אורגני, בעוד שקסנובוטים יכולים גם לבנות את עצמם", אומר לוין. "הם אינם מקבלים אנרגיה מבחוץ כדי לנוע. הם מניעים את עצמם ושולטים בעצמם".
התאים מכלים את מצבור השומנים והחלבונים שלהם. כשהמאגרים אוזלים, התאים מתים ומתפרקים. "ברור לחלוטין שהקסנובוטים חיים כי ברור לחלוטין מתי הם מתים", הוא אומר. אם לא מאכילים אותם, הם יכולים לשרוד כמה שבועות. אם שמים בסביבתם חומרי הזנה, הם יכולים לשרוד עד כמה חודשים.
בלקיסטון מציין הבדל נוסף בין אותם תאי שריר בצלוחית לקסנובוטים: "ה־RNA מאפשר לנו עקרונית לשנות את התנהגות התאים בלי לשנות את הגנטיקה שלהם. אנחנו כרגע לא מומחים ב־RNA, אבל אנחנו מתכננים להשתלב בתחום הביולוגיה הסינתטית, שבו מדענים מייצרים גנטיקה מאוד מורכבת שיכולה לבצע ממש פעילות חישובית". כך, התאים הללו יכולים בעתיד להפוך למעין מחשבים ביולוגיים.
מהם השימושים העתידיים האפשריים בקסנובוטים?
בלקיסטון: "בתור התחלה, אנחנו לומדים אילו תאים יכולים לתקשר עם תאים שכנים, ואילו אינם יכולים לעשות זאת. כבר אמרנו שהמודלים שלנו יכולים לנבא את התנהגות הקסנובוטים לא רע. אבל לפעמים הם מתנהגים בצורה לא צפויה, וזה עוזר לנו להבין מה השתבש בתקשורת שלהם, ואיך התקשורת מושפעת מהאופן שבו בנינו אותם. אולי זה יעזור לנו להבין מחלות של בני אדם, המושפעות מכך שתאים אינם זזים למקום הנכון בתהליך התפתחותם".
בונגרד: "ניקוי של רכיבים מיקרו־פלסטיים ממקורות מים זו אפשרות אחת. בעתיד אנחנו מדברים על נחילים של קסנובוטים שיוכלו לעבוד בשיתוף פעולה. זו טכנולוגיה שאינה מוסיפה זיהום חדש לים, כי בעצם מדובר בתא צפרדע שמתכלה לגמרי אחרי השימוש.
"באותה מידה אפשר לחשוב על ניקוי של מצבורי שומן החוסמים כלי דם. התאים הם קטנים מספיק, מתכלים מספיק, ויעילותם בהזזת חומרים ממקום למקום כבר הוכחה". במקרה כזה יהיה צורך לייצר אותם מתאי אדם ולא מתאי צפרדע, ואולי מהתאים של כל אחד מאיתנו, כדי לא לעורר תגובה חיסונית".
אפשר לדמיין עתיד שבו כולנו נעבור מעת לעת ביופסיית עור, ומהתאים שלנו יוכנו המוני קסנובוטים קטנטנים, שיוכלו לשמש לניקוי חלקים שונים בגוף (אם אפשר לנקות את העורקים, אז מדוע לא את השיניים?), ואולי גם להולכת תרופות, תיקון רקמות פגועות, סילוק גורמי דלקת מיותרים או לוחמה בפולשים.
מהו בעל חיים
בעתיד הרחוק יותר, אומר בלקיסטון, "החלומות שלי עבור הקסנובוטים ממוקדים בעיקר באופן שבו הם ילמדו אותנו על בינה מלאכותית. לדוגמה, בעוד שנים לא רבות כבר נוכל כנראה לבנות איברים חדשים להשתלה מתאי ג זע. מה היה קורה אם היינו יכולים להשתמש בבינה מלאכותית כדי לקחת את כל הנתונים על המטופל ולבנות לב שמתאים לו אפילו יותר מהמקור? ואז עולות השאלות: האם נרגיש בנוח עם שיפור כזה של גוף האדם? מיהם האנשים שתהיה להם גישה לטכנולוגיה הזאת? האם היא תיצור פערים ענקיים בין עשירים לעניים?".
החלומות של בונגרד נמצאים במקום אחר. "אני מקווה שמחקר כזה ייתן לאנשים אופטימיות לגבי העתיד", הוא אומר. "באיזה מובן? במובן שרוב הבעיות החברתיות שלנו מגיעות מכך שאנחנו חושבים שאין לנו אפשרות לשנות יחידים או חברות. אבל כל דבר חי מסוגל לשינוי יוצא דופן, והקסנובוטים מזכירים לנו שאפשר לשנות ולהשתנות באופנים עמוקים ומפתיעים".
בסופו של דבר, האם אתם מרגישים שיצרתם כאן חיים?
בלקיסטון: "אפילו תא יחיד הוא חי, ולכן השאלה אינה האם הקסנובוטים הם חיים, אלא האם הם בעל חיים.
"כרגע אני חושב שלא. הם פשוט תאים, כמו תאי ביופסיה. אבל אני חושב שכשמתחילים להתעסק בתאי מוח עם יכולות כאלה, התשובה כבר פחות ברורה, ויש חוקרים שעושים את זה. אני בטוח שהשאלות 'מהו בעל חיים' ו'מאיזה רגע יש לתאי מוח תודעה' יגיעו לשיח הציבורי בשנים הקרובות מאוד".