现代人类已经存在超过20万年，每一代新生命都从一个单一细胞开始，分裂、改变形状与功能，并组织成组织、器官和肢体。这一过程以惊人的保真度重复了数十亿次，形成了相同的身体结构。
塔夫茨大学的研究人员一直在探索指导单个细胞创建人类架构的“代码”，并为再生医学奠定基础。随着对这一代码的深入了解，他们还研究如何利用人体细胞构建具有全新形态和能力的活体结构，而无需进行基因改造。
为了破解这一代码，他们从人体中提取了一个细胞，并让其在一个全新的环境中生长，以观察自我组织规则的表现。
2023年，生物学范内瓦·布什教授迈克尔·莱文（Michael Levin）和当时的博士生候选人吉泽姆·古穆斯卡娅（Gizem Gumuskaya，AG23）创造了Anthrobots——一种由单个人体气管细胞生长而成的微小多细胞生物体。它们被组装成新的形态，如球形、椭圆形，表面全部或部分覆盖纤毛，能够游动并修复培养皿中神经元的“伤口”。
在最近发表于《先进科学》（Advanced Science）期刊的一项新研究中，古穆斯卡娅和莱文揭示了Anthrobots细胞内部在其创建新生命结构时发生的变化。研究人员发现，当人体细胞摆脱了进化赋予的任务后，会回溯到表达古老的基因——这些基因可以追溯到单细胞生物的祖先，以及胚胎基因，包括那些引导细胞和组织出现对称性、分层和折叠的基因。
尽管没有使用合成生物学电路或基因工程等干预手段，这些细胞在承担创造微小机器人而非完整人类的新任务时，改变了超过9000个基因的表达——几乎占整个基因组的一半。
除了创造新的合成结构，了解人体细胞如何形成新形状还可以为发育性疾病（如出生缺陷）提供洞见。莱文和他的实验室希望更好地理解自我组装的规则，以便未来可以帮助预防出生缺陷、培育用于再生医学的新组织和器官，甚至从患者自身细胞中创造出像Anthrobots这样的微小功能性生物体，用于治疗疾病和修复损伤，同时避免触发免疫系统反应。
细胞硬件与软件
“Anthrobots由成人捐赠者的细胞制成，因此看到这些细胞也在表达胚胎基因是非常令人惊讶的。”古穆斯卡娅说道。
这些基因包括帮助完成胚胎中胚层-外胚层转变的基因——这一过程将外层细胞转化为中层细胞，最终形成内部组织和器官，还包括生成前后轴（头至尾）和背腹轴（背至腹）模式的基因。
然而，涉及左右模式的胚胎基因并未出现——这类基因负责创建镜像对称，例如身体两侧的手臂、眼睛、腿、肺和肾脏。
“Anthrobots大多是球形的，因此目前很难说这些胚胎基因在它们身体构造中各自发挥了什么作用，”迈克尔·莱文指出。
即使研究人员用刀切开Anthrobots并制造出伤口，它们也表现出一种功能性形状记忆，能够恢复到原始形态。
莱文指出，新兴的体型形成模型表明，基因决定了细胞的“硬件”——制造受体、酶、离子泵等——而这些硬件的涌现特性，例如电场、化学信号和成型组织所经历的生物力学力量，则充当“软件指令”，引导身体进入最终形态。他表示，软件可以根据初始条件和环境而改变，从而反过来影响硬件。
研究人员还基于DNA修饰和损伤的积累来追踪Anthrobots中的生物钟逆转现象。DNA上甲基化学基团的添加是一个可测量的数量，它贡献了我们的“表观遗传年龄”，这一年龄可能比实际年龄更老或更年轻。一位参与Anthrobot研究的捐赠者实际年龄为21岁，但其细胞的表观遗传年龄为25岁。值得注意的是，当这些细胞被用来培养Anthrobots时，其表观遗传年龄降至18.7岁。Anthrobots比其来源细胞生物年龄年轻了25%。
“这些机器人变得比它们来源的成体细胞生物年龄更年轻，这表明仅仅通过组织成新形态的过程就可以重置细胞的老化时钟，而无需任何基因重新编程，”古穆斯卡娅说道。
莱文提出了一个关于拨回生物钟的假设。“我认为细胞集体本质上是信息处理代理，”他说。“被激活的发育基因、来自新形态的物理力量以及其他自我构建的方面可以被细胞解释为胚胎发生，这与其实际年龄相冲突。因此，它们最终逆转了一些与老化相关的DNA标记，以符合其当前状态。我称之为‘年龄证据’假设。”
究竟是什么线索说服细胞回拨Anthrobots的表观遗传时钟？这些线索能否被利用来使我们自身的组织恢复活力？“我们正在研究这个问题，”莱文表示。
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