د. جهاد عودة
تُصنع معظم التقنيات من الفولاذ والخرسانة والمواد الكيميائية والبلاستيك ، والتي تتحلل بمرور الوقت ويمكن أن تنتج آثارًا جانبية بيئية وصحية ضارة. وبالتالي سيكون من المفيد بناء تقنيات باستخدام مواد قابلة للتجديد الذاتي ومتوافقة حيويًا ، والتي يكون المرشحون المثاليون لها هم أنفسهم أنظمة حية. وهكذا ، يقدم لنا العلم طريقة تصمم آلات بيولوجية بالكامل من الألف إلى الياء: تصمم أجهزة الكمبيوتر تلقائيًا آلات جديدة في المحاكاة ، ثم يتم بناء أفضل التصميمات من خلال الجمع بين الأنسجة البيولوجية المختلفة معًا. ونشير هنا إلى أن الآخرين قد يستخدمون هذا النهج لتصميم مجموعة متنوعة من الآلات الحية لتوصيل الأدوية بأمان داخل جسم الإنسان ، أو المساعدة في العلاج البيئي ، أو توسيع فهمنا للأشكال والوظائف المتنوعة التي قد تتبناها الحياة. تقوم طرق الذكاء الاصطناعي تلقائيًا بتصميم أشكال الحياة المتنوعة للمرشح في المحاكاة لأداء بعض الوظائف المطلوبة ، ثم يتم إنشاء تصميمات قابلة للتحويل باستخدام مجموعة أدوات البناء القائمة على الخلية لتحقيق الأنظمة الحية مع السلوكيات المتوقعة.
#ما هي الصورة الكبيرة هنا - هل يتعلق الأمر فقط بالروبوتات المصنوعة من خلايا الضفادع؟
السؤال الكبير هنا هو:
#كيف تتعاون الخلايا لبناء أجسام معقدة وعملية؟
#كيف يعرفون ماذا يبنون وما الإشارات التي يتبادلونها لتمكينهم من بنائها؟
هذا مهم ليس فقط لفهم تطور أشكال الجسم ووظائف الجينوم. بصرف النظر عن الأمراض المعدية ، فإن جميع مشاكل الطب الأخرى تقريبًا كا عدا الطب الحيوى تختصر في التحكم في علم التشريح. إذا تمكنا من صنع شكل بيولوجي ثلاثي الأبعاد عند الطلب ، فيمكننا إصلاح العيوب الخلقية ، وإعادة برمجة الأورام إلى الأنسجة الطبيعية أو المرض التنكسي ، وهزيمة الشيخوخة. بيولوجيا الخلايا الجذعية والتحرير الجينومي لا يعالجان هذه المشكلة بمفردهما. لا يزال من غير المعروف ما هي الخلايا القادرة على صنعه إلى جانب نمط الجسم الافتراضي الطبيعي ، وآلات المعيشة الاصطناعية يمكن من خلالها تحقيق الاكتشافات الأساسية. وقد تم صنع هذه الخلايا من خلايا الضفادع الطبيعية ، بجينوم الضفدع الطبيعي. تبدو أجسامهم وتتصرف بشكل مختلف تمامًا عن الضفادع ، ويمكن أن تفعل ذلك على الرغم من حقيقة أن هذه &الحيوانات& ليس لها تاريخ تطوري لضغط الاختيار الذي كان من شأنه أن يكافئها على هذا السلوك (إنها خلايا جلدية تم استخدامها لملايين من سنوات للجلوس بهدوء على سطح الضفدع وإبعاد مسببات الأمراض). بمجرد أن نكتشف كيف يمكن تحفيز الخلايا لبناء هياكل معينة ، فلن يكون لذلك تأثير كبير على الطب التجديدي (بناء أجزاء الجسم والحث على التجديد) فحسب ، بل ستؤدي نفس المبادئ إلى روبوتات أفضل وأنظمة اتصال وربما جديدة ومنصات الذكاء الاصطناعي. الهدف طويل المدى هنا هو معرفة كيف يمكن تحفيز العوامل الحية (الخلايا) لبناء أشياء محددة ، وكيفية استغلال مرونتها وكفاءتها للقيام بأشياء يصعب إدارتها بشكل دقيق (مثل بناء عين ، يد ، إلخ.). هذا أيضًا جزء من جهد حاسم لمستقبل المجتمع والتكنولوجيا: ترويض العواقب غير المقصودة من الظواهر المعقدة ذات النتائج الناشئة المفاجئة - لفهم كيفية إدارة أسراب ومجموعات العوامل النشطة نحو نتائج مفيدة.
#ما هي أنواع الأنسجة البيولوجية التي استخدمت لبناء كائنات مصممة بالحاسوب؟
جلد الضفدع وعضلة القلب وكلاهما مشتق من خلايا تم حصادها من أجنة Xenopus laevis لمرحلة الأريمة. تتطور هذه الأنسجة بشكل طبيعي إلى الأهداب (الشعر الملوّح الذي يسمح بالسباحة) ، ولكن تمت إزالة الأهداب من الكائن لإنتاج كائن حي يمشي (بدلاً من السباحة).
#ما هو حجم الكائنات الحية؟
يبلغ حجم الكائن حوالي 0.7 ملم. تم نحتها من كرة 10000 خلية ، وتحتوي هندستها النهائية على حوالي 5000 خلية.
#لماذا تم استخدامها؟
وتم القيام حتى الآن ببناء كائنات حية مصممة بالحاسوب والتي تمشي وتسبح وتدفع وتحمل شيئًا وتعمل معًا في مجموعات.
#لماذا تعتبر هذه كائنات حية؟
إنهم يعيشون لمدة سبعة أيام تقريبًا ، وبعد ذلك يتوقفون عن العمل (وهي ميزة إيجابية من حيث أمان بنيات البيولوجيا التركيبية). على الرغم من أنها ، مثل عدد كبير من الكائنات الحية على الأرض ، لا تحتوي على دماغ ، فإنها تظهر سلوكًا وظيفيًا ، وتكون قادرة على شفاء نفسها في حالة تلفها ، وتعمل بشكل جماعي. لا يمكنهم التكاثر ، ولكن هناك كائنات حية طبيعية لا يمكنها التكاثر (مثل البغال). تدفع آلات المعيشة الاصطناعية علماء الأحياء إلى تطوير تعريفات أعمق وأكثر صرامة لماهية الكائن الحي. إن السؤال حول ما الذي يصنعه الكائن الحي بالضبط ، ليس بالأمر السهل ؛ لكن هذه تُظهر نوع البنية والوظيفة المنسقة التي يمكن التعرف عليها على الفور على أنها تنتمي إلى كائن حي متماسك.
#هل هذه الكائنات المائية؟
تعيش الكائنات الحية في المياه العذبة القياسية ويمكن أن تعيش في درجات حرارة تتراوح من 40 درجة إلى 80 درجة فهرنهايت.
#هل تأكل الكائنات الحية؟
تأتي الكائنات الحية محملة مسبقًا بمصدرها الغذائي (رواسب الدهون والبروتينات) مما يسمح لها بالعيش لأكثر من أسبوع بقليل. ومع ذلك ، إذا نمت في وسط غني بالمغذيات لاستزراع الخلايا ، يمكن زيادة عمرها إلى أسابيع أو أشهر.
#كيف تصمم الحواسيب الكائنات؟
تقوم أجهزة الكمبيوتر بنمذجة ديناميكيات اللبنات الحيوية (الجلد وعضلة القلب) واستخدامها مثل مكعبات LEGO لبناء تشريح مختلف للكائنات الحية. يتم محاكاة سلوك كل تشريح مصمم في بيئة افتراضية قائمة على الفيزياء ويتم تخصيص درجة أداء. تبدأ الخوارزمية التطورية بمجموعة من التصاميم المجمعة عشوائيًا ، ثم تحذف بشكل متكرر أسوأها وتستبدلها بنسخ متغيرة عشوائيًا من أفضل التصاميم. إنه بقاء الأصلح داخل الكمبيوتر. ثم يتم اختيار أنسب التصاميم في الواقع الافتراضي ليتم بناؤها من أنسجة بيولوجية حقيقية.
#كيف تقارن تشابه تصميم الكمبيوتر مع الكائن الفعلي الذي تم إنشاؤه؟
تم تتبع سلوك الكائنات الحية ومقارنتها بالتصميم الافتراضي. لتحديد ما إذا كانت حركة الكائنات الحية ناتجة عن الصدفة أو بسبب الهندسة المتطورة في التصميم وموضع الأنسجة ، تم تغيير الهندسة وتوزيع الأنسجة عن طريق تدوير التصميم 180 درجة حول مستواه العرضي (قلبه على ظهره). تمت مقارنة شكل وموضع الأنسجة للكائن الحي باستخدام رؤية الكمبيوتر.
#لماذا نصنع كائنات جديدة؟
لقد استكشفت الطبيعة فقط جزءًا صغيرًا متلاشيًا من مساحة الكائنات الحية التي يمكن تجميعها من الخلايا البيولوجية. نحن بحاجة إلى فهم
(أ) ما هي أنواع الهياكل التي يمكن للخلايا أن تتعاون من أجل البناء ،
(ب) كيف تقرر ما يجب أن تصنعه ، عندما تتحرر من سياقها الطبيعي (مقدار اللدونة الموجودة) ،
(ج) ما هو ممكن بدون تحرير الجينوم ،
و (د) كيف يمكن التلاعب بالنتائج المعقدة بشكل عقلاني.
#ما هي الأسئلة الأساسية التي يجيب عليها هذا العمل؟
يسعى هذا المشروع إلى تحديد درجة التعاون الناشئ الذي يمكن أن تظهره الخلايا دون تحرير الجينوم عند تحريرها من القيود الطبيعية للجنين. بمعنى آخر ، ما هي الوظائف الأخرى الموجودة في البرنامج الفسيولوجي المشفر بواسطة جينوم الضفدع القياسي؟ تلقي المعلومات حول كيفية اتخاذ الخلايا للقرارات أثناء عملية تجميع جسم جديد الضوء على أصل تعددية الخلايا ، والقدرات الحسابية للخلايا المفردة ، واستغلال القوى الفيزيائية عن طريق التطور ، وأصل وتحديد مخطط الجسم الافتراضي الذي يتم بناؤه عادةً بواسطة الخلايا الجنينية والقدرة على الهندسة الحيوية لآلات المعيشة الجديدة ذات الوظائف المفيدة.
#لماذا تسمى الكائنات المصممة بالحاسوب كائنات قابلة لإعادة التشكيل ؟
تم تجميع خلايا الضفدع معًا لتشكيل تكوين جديد يختلف عن الضفدع. تم إعادة تكوين الخلايا التي تم تكوينها عن طريق الانتقاء الطبيعي لتصبح ضفادع بواسطة الذكاء الاصطناعي لإنشاء أشكال ووظائف جديدة. يمكن أيضًا فصل الخلايا المجمعة للكائن الناتج وإعادة تكوينها لتشكيل كائن حي جديد.
#لماذا يطلق على الكائنات المصممة بواسطة الكمبيوتر اسم Xenobots؟
جاءت الخلايا المستخدمة في بناء أول كدسات من أجنة الضفدع الأفريقي المخالب. الاسم التصنيفي لهذا الضفدع هو Xenopus laevis . Xeno تعني أيضًا آخر أو غريب مما يسلط الضوء على حقيقة أن هذه الخلايا تفعل أشياء مختلفة عن مخطط الجسم الجينومي الافتراضي.
ألا يمكن أن تبدأ هذه التركيبات في التطور خارج نطاق سيطرتنا؟
لا يوجد تطور هنا: هذه الالتزامات الضمنية ليس لها أعضاء تناسلية. إنها ببساطة تتحلل وتصبح غير وظيفية بعد حوالي سبعة أيام. ومع ذلك ، فإن الكائنات الحية (تلك التي يصنعها التزاوج الذي يوجهه الإنسان والبكتيريا والفيروسات الناتجة عن السفر البشري والتأثير على سلسلة الغذاء ، وما إلى ذلك) تتطور خارج نطاق سيطرتنا طوال الوقت ؛ أفضل طريقة للتعامل مع هذه الحقيقة في المستقبل هي فهمها وتعلم توجيهها.
#ما هي مزايا وعيوب التزامات الدين المضمونة على الروبوتات الصغيرة؟
الروبوتات الدقيقة مصنوعة من المعدن والسيراميك والبلاستيك ، لذا فهي أقوى ويمكنها ، من الناحية النظرية ، البقاء على قيد الحياة لفترة أطول. لكن الكميات الصغيرة من المعدن يمكن أن تكون ضارة جدًا بالأعضاء الداخلية ؛ التزامات الديون المضمونة متوافقة حيوياً بالكامل وقابلة للتحلل.
إذا كان الذكاء الاصطناعي قد صمم بالفعل هذه الكائنات ، فهل يستطيع الذكاء الاصطناعي الشرير (أو الجاهل) تصميم كائنات ضارة (أو ضارة عن غير قصد)؟
يبدو من غير المحتمل وجود نية للذكاء الاصطناعي في إحداث ضرر ، ولكن تصميم كائنات ذات آثار جانبية غير مقصودة هو نتيجة محتملة لهذه التقنية. لذلك نعتقد أن جميع التقنيات المصممة بالحاسوب - بما في ذلك الكائنات الحية - تتطلب التحقق البشري قبل إنشائها ماديًا ، ناهيك عن نشرها لأداء عمل مفيد. علاوة على ذلك ، يعد تنظيم مثل هذه التكنولوجيا خطوة تالية مهمة في حيز السياسة. بغض النظر ، فإن احتمال حدوث ضرر في هذه الأنواع من الإبداعات هو أقل بكثير من الجهود الحالية في علم الفيروسات وعلم الجراثيم ومساحات تحرير الجينوم.
#ألا يستطيع أحد أن يبرمج الذكاء الاصطناعي لتصميم التزامات ديناميكية مسلحة؟
من الناحية النظرية ، نعم. في الوقت الحالي ، من الصعب رؤية كيف يمكن للذكاء الاصطناعي أن يخلق كائنات ضارة بطريقة أسهل مما يمكن لعلماء أحياء موهوبين ذوي نوايا سيئة. على الرغم من ذلك ، نعتقد أنه مع نضوج هذه التكنولوجيا ، يجب أن يكون تنظيم استخدامها وإساءة استخدامها أولوية قصوى. مرة أخرى ، فإن احتمال إساءة الاستخدام أصغر بكثير مما يحدث مع عوامل التكاثر الذاتي مثل البكتيريا والفيروسات ومحركات الجينات.
