由Tufts大学的研究人员发现，当人类气管细胞被组装成名为Anthrobots的小型多细胞生物时，这些细胞会变得比原始细胞更年轻。这一发现表明，仅仅通过重新组织成新的形态，就可以重置细胞的衰老时钟，而无需进行任何基因重组。
现代人类已经存在了超过20万年，每一代都是从一个单细胞开始的——分裂、改变形状和功能，最终组织成组织、器官和肢体。尽管有一些微小的变化，但这个过程已经重复了数十亿次，并且以惊人的忠实度遵循着相同的身体计划。
Tufts大学的研究人员一直在努力理解指导单个细胞创建人体架构的代码，并为再生医学奠定基础。随着他们对这一代码的了解越来越多，他们也在研究如何构建具有全新形式和功能的人类细胞活体结构，而无需进行基因操作。
为了破解这一代码，他们从人体中取了一个细胞，并让它在一个新的环境中生长，以观察自我组织规则是如何发挥作用的。
在2023年，Michael Levin教授和他的博士生Gizem Gumuskaya创建了Anthrobots，这是一种由单个人类气管细胞生长并组装成新形态的微型多细胞生物。这些生物呈球形或椭圆形，表面全部或部分覆盖着纤毛，能够游泳并修复培养板上的神经元“伤口”。
在他们最近发表在《先进科学》杂志上的新研究中，Gumuskaya和Levin揭示了Anthrobot细胞在创造新的活体结构时内部发生了什么变化。
研究人员发现，当人类细胞脱离其进化义务时，它们会回溯到表达古老的基因，这些基因与我们的单细胞祖先共享，以及胚胎基因，包括那些指导细胞和组织的对称性、分层和折叠的基因。
有了创建微型机器人的新任务，而不是整个的人类，这些细胞改变了超过9000个基因的表达——几乎占了一半的基因组——而没有任何合成生物学电路或基因工程的干预。
除了创建新的合成结构外，理解人类细胞如何形成新的形态还可以为发育性疾病（如出生缺陷）提供启示。Levin和他的实验室希望更好地理解自组装规则，以便有一天可以帮助预防出生缺陷，为再生医学生长新的组织和器官，并从患者自己的细胞中创建像Anthrobots这样的小型功能性生物，以治疗疾病和修复损伤而不引发免疫系统反应。
细胞硬件和软件
“Anthrobots是由成体供体细胞制成的，所以看到这些细胞也表达了胚胎基因是非常令人惊讶的。”Gumuskaya说。这包括帮助形成胚胎中胚层-外胚层过渡的基因——这一过程将外层细胞转化为中间层，最终形成内部组织和器官，以及形成前后（头到尾）和背腹（背部到腹部）模式的基因。
没有出现的是涉及左右图案形成的胚胎基因——这种基因有助于创建身体两侧的镜像对称，如手臂、眼睛、腿、肺和肾脏。
“Anthrobots主要是球形的，所以在进一步研究之前很难说这些胚胎基因在它们身体构造中的具体作用。”Levin说。
即使研究人员用刀切割Anthrobots并打开一个伤口，它们也会表现出一种功能性形状记忆，使它们能够恢复到原来的形态。
Levin指出，这一新兴模型说明基因决定了细胞的硬件——制造受体、酶、离子泵等——而硬件的涌现特征，如电场、化学信号和正在形成组织所经历的生物力学力，则是指导身体最终形态的软件指令。软件可以根据起始条件和环境的变化而变化，进而影响硬件。
检测Anthrobots中的生物钟逆转依赖于跟踪DNA随年龄增长积累的修饰和损伤。DNA上添加甲基化学基团是一个可测量的数量，它贡献了我们的“表观遗传年龄”，这可能比我们的实际年龄更老或更年轻。
Anthrobot研究的一个供体是21岁，但他的细胞表观遗传年龄为25岁。令人惊讶的是，当这些细胞用于生长Anthrobots时，它们的表观遗传年龄降到了18.7岁。Anthrobots比它们的起源细胞生物学上年轻了25%。
“这些机器人比它们的成体细胞更年轻，这表明仅通过重新组织成新的形态就可以重置细胞的衰老时钟——而无需进行任何基因重组。”Gumuskaya说。
Levin提出了一个关于逆转生物钟的假设。“我认为细胞集合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以及其他自构建方面的因素可以被细胞解释为胚胎发生，这与它们的实际年龄相冲突。因此，它们最终会逆转一些DNA老化标记，使其与当前状态一致。我称之为‘年龄证据’假说。”
究竟是哪些线索说服细胞回拨Anthrobots的表观遗传时钟？能否利用这些线索来更新我们自己身体中的组织？“我们正在研究这个问题。”Levin说。
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