Tufts Üniversitesi ve Harvard Üniversitesi Wyss Enstitüsü’ndeki bilim insanları, insan trakeal hücrelerini kullanarak, bir yüzey üzerinde hareket edebilen ve bir test kabındaki hasarlı bir bölgede nöronların çoğalmasını teşvik ettiği gösterilen, Anthrobots adı verilen küçük biyolojik robotlar geliştirdiler.
Çok hücreli robotlar kendi kendilerine bir araya gelebilecek şekilde oluşturuldu ve diğer hücreler üzerinde şaşırtıcı bir iyileştirici etki gösterdi. Boyutları sivriltilmiş bir kurşun kalem ucundan bir insan saçı genişliğine kadar değişmektedir. Bu keşif, araştırmacıların hastalık tedavisi, rejenerasyon ve iyileşme için yeni terapötik araçlar olarak hastadan türetilmiş biyobotları kullanma planının temelini oluşturuyor.
Araştırma, Vermont Üniversitesi’nden Josh Bongard ve Tufts Üniversitesi Sanat ve Bilim Fakültesi’nden Vannevar Bush Biyoloji Profesörü Michael Levin’in laboratuvarlarında daha önce yapılan çalışmalara dayanıyor. Bu araştırmacılar, kurbağa embriyo hücrelerinden Xenobot olarak bilinen ve geçiş yollarında gezinebilen, malzeme toplayabilen, bilgi kaydedebilen, yaralanmalardan sonra kendilerini iyileştirebilen ve hatta kendi başlarına birkaç döngü boyunca çoğalabilen çok hücreli biyolojik robotlar yarattılar.
Araştırmacılar o sırada bu becerilerin biyobotların bir amfibi embriyosundan oluşmasına mı bağlı olduğu yoksa biyobotların başka türlerden hücreler kullanılarak da oluşturulup oluşturulamayacağı konusunda emin değillerdi.
Advanced Science dergisinde yayınlanan bu çalışmada Levin ve doktora öğrencisi Gizem Gümüşkaya, yetişkin insan hücrelerinin herhangi bir genetik değişiklik gerektirmeden bot yapmak için kullanılabileceğini ve bu botların Xenobot’ların ötesine geçen bazı özellikler sergilediğini buldu.
Bulgu, laboratuvar tarafından ortaya atılan daha genel bir soruyu ele almaya başlıyor: vücuttaki hücrelerin bir araya gelmesini ve koordinasyonunu yöneten ilkeler nelerdir ve hücreleri kendi doğal ortamlarından çıkarmak ve onları farklı işlevleri yerine getirmesi amaçlanan farklı “vücut planları” halinde yeniden düzenlemek mümkün müdür?
Bir örnekte bilim insanları, insan hücrelerinin soluk borusunda onlarca yıl huzurlu bir şekilde var olduktan sonra yenilenmesine ve yeni yapılar ve işlevler oluşturmak için yeni yöntemler keşfetmesine izin verdi.
Gümüşkaya biyoloji alanında kariyer yapmadan önce mimarlık eğitimi almış. “Hücrelerin vücutta varsayılan özellikler oluşturmanın yanı sıra neler yapabileceğini araştırmak istedik” diye ekledi. Yeni çok hücreli yapılar, duvarlar, kemerler veya sütunlar gibi çeşitli yapısal bileşenler oluşturmak için tuğla ve taşın nasıl yerleştirilebileceğine benzer bir şekilde, hücre bağlantılarının yeniden programlanmasıyla üretilebilir.
Yeni çok hücreli yapılar oluşturabilmenin yanı sıra, hücreler bir laboratuvar kabında kültürlenen insan nöronlarının yüzeyinde farklı şekilde hareket edebildi ve hücre tabakasındaki çiziklerin bıraktığı boşlukları doldurmak için yeni nöronların oluşumunu teşvik etti.
Gümüşkaya biyoloji alanında kariyer yapmadan önce mimarlık eğitimi almış. “Hücrelerin vücutta varsayılan özellikler oluşturmanın yanı sıra neler yapabileceğini araştırmak istedik” diye ekledi. Yeni çok hücreli yapılar, duvarlar, kemerler veya sütunlar gibi çeşitli yapısal bileşenler oluşturmak için tuğla ve taşın nasıl yerleştirilebileceğine benzer bir şekilde, hücre bağlantılarının yeniden programlanmasıyla üretilebilir.
Yeni çok hücreli yapılar oluşturabilmenin yanı sıra, hücreler bir laboratuvar kabında kültürlenen insan nöronlarının yüzeyinde farklı şekilde hareket edebildi ve hücre tabakasındaki çiziklerin bıraktığı boşlukları doldurmak için yeni nöronların oluşumunu teşvik etti.
Levin’e göre, DNA’larını değiştirmeden, normal hasta trakeal hücreleri bağımsız olarak göç edebilir ve bir yaralanma bölgesi üzerinde nöron oluşumunu teşvik edebilir; bu hem ilgi çekici hem de tamamen beklenmedik bir durumdur. “İyileşme mekanizmasını incelerken, bu yapıların potansiyel kullanım alanlarını da göz önünde bulunduruyoruz.
Bir hastanın kendi hücrelerinden, bir bağışıklık tepkisini tetikleme tehlikesi olmadan ya da bağışıklık sistemini baskılayıcı ilaçlara ihtiyaç duymadan tedavi edici robotlar yaratma kapasitesi, insan hücrelerini kullanmanın bir avantajıdır. İşlevleri tamamlandığında basitçe vücuda geri alınabilirler çünkü bozulmadan önce sadece birkaç hafta dayanırlar.
Ayrıca, Antrobotlar vücut dışında hayatta kalamazlar; son derece özel laboratuvar koşullarıyla sınırlıdırlar ve laboratuvar dışında maruz kalma veya kazara yayılma şansı yoktur. Ayrıca üremezler ve herhangi bir genetik değişiklik, ekleme veya çıkarma yapmazlar, bu nedenle şu anda yürürlükte olan korumaları aşarak evrim geçirme şansları yoktur.
Antrobotlar Nasıl Ortaya Çıkıyor?
Yetişkin bir donör, her bir Antrobotu doğuran tek hücreyi sağlar. Saç benzeri çıkıntılara benzeyen ve ileri geri salınan kirpikler, soluk borusunun yüzeyinden çıkan hücreleri kaplar. Siller, trakeal hücrelerin akciğerin hava yollarına giren mikroskobik parçacıkları dışarı atmasına yardımcı olur.
Öksürdüğümüzde ya da boğazımızdaki fazla sıvı ve kalıntıları temizlemek için boğazımızı temizlediğimizde, hepimiz kirpikli hücrelerin faaliyetine katılmış oluruz. Önceki araştırmalar, laboratuvarda yetiştirme sırasında hücrelerin organoid olarak bilinen mikroskobik çok hücreli küreler halinde kendiliğinden bir araya geldiğini göstermiştir.
Araştırmacılar organoidler üzerinde, kirpiklerin dışa doğru bakmasını teşvik eden büyüme koşulları yarattılar. Birkaç gün içinde kürek işlevi gören kirpikler tarafından itilerek hareket etmeye başladılar. Biyorobotik platformun fark ettikleri ilk önemli özelliği, şekil ve hareket çeşitliliğiydi. Levin’e göre, Antrobotlara başka özellikler (çeşitli hücreler tarafından sağlananlar gibi) eklenebilirse, çevrelerine tepki vermeleri, bedensel faaliyetlere seyahat etmeleri ve bunları gerçekleştirmeleri ya da bir laboratuvarda yapay dokuların geliştirilmesine yardımcı olmaları sağlanabilir.
Grup, New Jersey Teknoloji Enstitüsü’nden Simon Garnier’in yardımıyla yapılan birçok Antrobot türünü tanımladı.
Boyutları 30 ila 500 mikrometre (bir insan saçı kalınlığından sivriltilmiş bir kurşun kalem ucuna kadar) arasında değişen botların, şekilleri ve hareketleri açısından birkaç farklı kategoriye uyduklarını ve nanoteknoloji ile daha karmaşık tasarımlı makineler arasında önemli bir boşlukta yer aldıklarını fark ettiler.
Bazıları küre şeklinde ve tamamen kirpiklerle kaplıyken, diğerlerinin kirpik örtüsü daha yamalı, düzensiz veya futbol topu şeklindeydi ya da sadece bir tarafı kaplıydı. Daireler çizerek hareket ettiler, düz çizgiler halinde hareket ettiler, karışık hareketler yaptılar ya da öylece oturup kıpırdandılar. Küresel ve tamamen kirpiklerle kaplı olanlar tipik olarak kıpırdayanlardı.
Düzensiz kirpik dağılımına sahip olan Antrobotlar, daha uzun mesafeler için düz veya kavisli desenlerde seyahat etmeyi tercih etmiştir. Deneysel ortamlarda, doğal olarak biyolojik olarak parçalanmadan önce tipik olarak 45-60 gün yaşadılar.
Onları icat eden kişi olan Gumuskaya, “Laboratuvar kabında, antrobotlar kendi kendilerine bir araya geliyorlar” dedi. “Xenobot’lardan farklı olarak cımbız ya da neştere ihtiyaç duymadan şekillendirilebilirler ve embriyonik hücreler yerine yetişkin hücreler – hatta yaşlı hastalardan alınanlar – kullanılabilir. Tamamen ölçeklenebilir olması, bu botlardan eşzamanlı sürüler oluşturmamıza olanak tanıyor ki bu da tedavi edici bir araç yaratmada sağlam bir ilk adım.”
Levin ve Gumuskaya, botların yaraları nasıl iyileştirebileceğini incelemek için bir laboratuvar testi geliştirdi çünkü nihai hedefleri tıbbi kullanımlı Antrobotlar üretmek. Modelde, insan nöronları iki boyutlu olarak büyütüldü ve sadece ince bir metal çubukla katman çizilerek hücrelerden yoksun açık bir “yara” üretildi.
“Süper robotlar”, küçük bir yere hapsedildiklerinde doğal olarak oluşan bir Antrobot kümesidir ve boşluğun yoğun bir konsantrasyona maruz kalmasını sağlamak için yaratılmışlardır. Çemberler ve kıpır kıpırlar süper robotların çoğunluğunu oluşturduğundan, açık yaradan çok fazla uzaklaşmayacaklardı.
Değiştirilmemiş Antrobotlar tarafından plaka üzerinde kalan sağlıklı hücreler kadar kalın bir nöron köprüsü oluşturuldu ve herkesi şaşkına çevirdi. Botların nöral büyümeyi teşvik etmesine yardımcı olmak için Antrobot hücrelerinin genetik değişikliklerinin gerekli olacağı tahmin edilebilir. Antrobotların bulunmadığı yarada nöronlar çoğalmadı. Anthrobot düzeneği, en azından laboratuvar kabının yoğun 2D dünyasında canlı beyin dokusunun etkili onarımını destekledi.
Araştırmacılar, daha fazla bot geliştirilmesinin, ateroskleroz hastalarının arterlerindeki plak birikimini gidermek, omurilik veya retina sinirindeki hasarı onarmak, mikropları veya kanser hücrelerini tanımlamak veya belirli dokulara ilaç uygulamak gibi alternatif kullanımlarla sonuçlanabileceğine inanıyor.
Teorik olarak, Antrobotlar hem pro-rejeneratif ilaçlar bırakabilir hem de doku iyileşmesine yardımcı olabilir.
Gumuskaya’ya göre, hücrelerin kendilerini daha büyük yapılar halinde bir araya getirmeye yatkın oldukları bazı temel yollar vardır. Gumuskaya, “Hücreler katmanlar oluşturabilir, katlanabilir, küreler yapabilir, kendilerini türlerine göre ayırabilir, birbirleriyle kaynaşabilir ve hatta hareket edebilirler” dedi.
“Hücrelerin birbirleriyle etkileşime girme ve dinamik olarak karmaşık yapılar inşa etme kabiliyetlerinin yanı sıra her bir hücrenin hareketlilik, kimyasal salgı, sinyal tanıma ve daha fazlası gibi çeşitli faaliyetlerle programlanmış olması, onları cansız tuğlalardan iki önemli şekilde ayırıyor. Doğada gözlemlenenlerden farklı yeni biyolojik vücut tasarımları ve işlevleri üretmek için bu bileşenleri nasıl karıştıracağımıza dair anlayışımız hala gelişmektedir.”
Bilim insanları, hücresel birleşmenin doğal olarak esnek kurallarını kullanarak botları inşa edebiliyor, ancak aynı zamanda doğal vücut planlarının nasıl bir araya geldiği, çevre ve genomun dokuları, organları ve uzuvları oluşturmak için nasıl etkileşime girdiği ve rejeneratif tedavilerin bunları geri kazanmaya nasıl yardımcı olabileceği hakkında daha fazla bilgi edinebiliyorlar.
Kaynak: techxplore
