01 研究の背景と問題意識：「ゲノム」を一切書き換えずに新しい生物形態と機能を創れるか？
従来の合成生物学では、生物に新しい機能を持たせるためには「DNA（遺伝子配列）を編集・設計しなければならない」と信じられてきました。一方、人工生命（Soft/Hard ALife）の分野では、カール・シムズ（Karl Sims, 1994）以来、物理シミュレータ内で仮想生物の3D形態を進化させる研究が盛んでしたが、それらはプラスチックやシリコンのロボットとして印刷されるにとどまっていました。
バーモント大学の計算機科学者ジョシュ・ボンガード（Josh Bongard）と、タフツ大学の生物学者マイケル・レヴィン（Michael Levin）・ダグラス・ブラッキストンらの共同チームは、「スーパーコンピュータ上の進化的アルゴリズムで設計した3Dボクセル形状を、100%生きた細胞だけを材料として顕微鏡下で組み立てたら何が起きるか？」という前代未聞の In silico → In vivo パイプライン を構築しました。
02 核心となる設計パイプラインと3世代のブレイクスルー
1. 2020年：計算機進化設計による初代 Xenobots（PNAS 2020）
研究チームはまず、ソフトボディ物理シミュレータ（VoxCAD）上で、「受動的なボクセル（表皮細胞：水色）」と「周期的に収縮する能動ボクセル（心筋細胞：赤色）」の2種類のブロックからなる $8 \times 8 \times 7$ の3Dボクセル構造を進化的アルゴリズム（パレート最適化：移動速度の最大化 × 構造複雑性の最小化）で進化させました。
ランダムなボクセル配置から開始し、「一方向への直進移動距離」を適応度として何千世代も進化計算を実行。物理的なノイズや心筋の位相ズレに対しても頑健に前進できる「二足歩行のような推進形状」を自動抽出。
[Step 2: In vivo マイクロサージェリー実装]
アフリカツメガエル（Xenopus laevis）の胞胚から採取した多能性幹細胞を培養して球状体に凝集させた後、マイクロ鉗子と微小電極メスを用いて、AIが設計した3D形状どおりに削り出し、心筋前駆細胞を腹側に配置。
完成したミリメートルサイズの生체ロボット Xenobots（学名 Xenopus に由来） は、カエルのゲノムを1塩基も改変していないにもかかわらず、オタマジャクシにもカエルにもならない全く新しい形態のまま、数週間にわたって皿の上を自律的に歩行・遊泳し、複数の個体で周囲の微小粒子を1箇所にかき集める協調行動を示し、さらに体を半分近く切り裂かれても自力で傷口を縫い合わせて元の形に自己修復しました。
2. 2021年：運動学的自己複製（Kinematic Self-Replication, PNAS 2021）
続く2021年の研究では、繊毛（Cilia）で遊泳する表皮細胞のみからなるXenobotsをバラバラの単離細胞が漂うペトリ皿に入れると、親個体が回転しながら周囲のバラバラの細胞を押し集めて凝集塊（子供）を作り、その子供も数日後に繊毛を生やして親と同じように泳ぎ出し、さらに孫世代を作るという「運動学的自己複製（フォン・ノイマン型アセンブラの生体版）」を発見しました。しかもAIで親の形状を「パックマン型（C字型の口を持つ形状）」に最適化すると、通常は1〜2世代で止まる自己複製が4世代以上にわたって持続することが実証されました。
3. 2023年：成人ヒト細胞からの Anthrobots と神経修復（Advanced Science 2023）
2023年には、カエル胚ではなく成人ヒトの気管支上皮細胞から、外科的な削り出しすら不要で自己組織化する Anthrobots（アンソロボット） の作製に成功しました。気管の粘液を運ぶための繊毛を外側に向けて球状・楕円状に自己集合したAnthrobotsを、引っ掻き傷をつけたヒト神経細胞シート（In vitro 創傷モデル）の上に置くと、Anthrobotsが傷口に橋渡しをするように留まり、遺伝子改変や薬物投与を一切行わずに損傷したニューロンの軸索再生・修復を劇的に促進するという驚くべき機能が確認されました。
03 人工生命と生物学の常識を覆した3つの科学的意義
- 「ゲノム決定論」の打破: カエルのDNAは「カエルの体を作るプログラム」ではなく、「細胞というハードウェアの部品仕様書」にすぎません。通常の胚発生という拘束から解放してやると、細胞集団は同じゲノムのまま全く別の多細胞生命体（Xenobots）としての生き方を即興的に見つけ出します。
- 多段階の自己複製様式の存在: 地球上の生物はすべて「成長による個体内の複製」を行いますが、Xenobotsは生物界で初めて「環境中の部品をかき集めて仲間を組み立てる運動学的自己複製（Kinematic Self-Replication）」が可能であることを示しました。
- 免疫拒絶のない生分解性医療ロボットへの道: 患者自身の気管支細胞から作れるAnthrobotsは、免疫抑制剤なしで体内に投与でき、動脈プラークの除去や脊髄損傷の修復を行った後、数週間で自然に分解されて消える究極のバイオ医療デバイスとして期待されています。
04 原典・関連文献リンク
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Kriegman, S., Blackiston, D., Levin, M., & Bongard, J. (2020). A scalable pipeline for designing reconfigurable organisms. Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), 117(4), 1853–1859.
https://doi.org/10.1073/pnas.1910837117 ↗ -
Kriegman, S., Blackiston, D., Levin, M., & Bongard, J. (2021). Kinematic self-replication in reconfigurable organisms. PNAS, 118(49), e2112672118.
https://doi.org/10.1073/pnas.2112672118 ↗ -
Gumuskaya, G., Srivastava, P., Cooper, B. G., Lesser, H., Semegran, B., Garnier, S., & Levin, M. (2023). Motile Living Biobots Self-Construct from Adult Human Somatic Progenitor Seed Cells. Advanced Science, 11(4), 2303575.
https://doi.org/10.1002/advs.202303575 ↗