Quanta 杂志的 Michael Driver
科学家们对生命的定义并没有真正达成一致。大多数时候,我们可能会本能地认识到生活,但每当我们试图用既定的标准来确定生活时,一些顽固的反例就会破坏努力。尽管如此,如果我们不知道要寻找什么,我们真的可以在其他世界寻找生命,或者了解这个星球上生命的最初阶段吗?在这一集中,Steven Strogatz 与卡内基研究所地球与行星实验室的矿物学家、天体生物学家和高级科学家Robert Hazen以及阿尔伯塔大学化学教授Sheref Mansy进行了交谈,以了解更多关于新分类法和“细胞图灵测试”可能会帮助我们回答这个基本问题。
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罗伯特·黑森
Robert Hazen (01:38):哦,很高兴。非常感谢,史蒂夫。
Strogatz (01:40):太好了。好吧,让我们直接进入这个。为什么科学家们很难就常识上大多数人会说他们已经理解的事情达成一致?就像,我们知道植物是活的,而岩石不是。为什么很难就生命的定义达成一致?
Hazen (01:57):是的,这看起来很奇怪,不是吗?因为我们都知道有生命的东西。我们都知道没有生命的东西。然而,它是介于两者之间的灰色区域。所以当我们开始说,这是活的,这是死的,那很好。但是,当你说所有事物都必须是活的或死的时,你就是在建立一种错误的二分法。因为活着意味着什么的分类学,我认为比死或活要丰富得多。
斯特罗加茨:嗯。怎么会这样?
Hazen (02:29):嗯,想想看,你有生命的起源。所以,这是一个非常好的指标。在我们地球的历史上,曾经有一个生命存在的时刻。那是一片爆破的地表,上面布满了火山和岩浆, 根本就荒凉。连生命的立足点都没有。但渐渐地,随着地球变冷,随着海洋的形成,随着大气变得更适合某种生物,我们认为有一个过程。一个历史过程,即生命的起源,化学系统逐渐变得更加复杂,变得更加有趣。在某个时候,是的,第一个细胞可能含有蛋白质和 DNA。但在那之前必须有一些东西,你在哪里划清界限?很难说时空有一个绝对点,没有生命,下一个时空有生命。
Strogatz (03:26):有趣,有趣。所以,你的措辞方式,听起来像是化学复杂性或类似的问题。
Hazen (03:34):这是一个化学复杂性的问题。但这也是一个更基本的分类问题。你知道,人类很容易以二分法思考。好坏;黑,白;早晚。这些都是让生活变得简单的东西。这意味着我们可以非常非常快速地对事物进行分类。在人类历史的早期,这就是防御机制,因为你必须非常非常迅速地做出决定。不管你是要和那个人握手还是向他们射箭。所以我们需要做出这些决定。
但是当我们考虑自然界的更大问题时,我们不必这样做。自然世界是惊人的错综复杂。这些化学复杂系统是如何出现的,以及在什么时候一个复杂的化学系统是我们真正称之为活着的东西,一点都不明显。
Strogatz (04:24):所以,我明白你关于灰色地带的观点。我的意思是,黑色和白色通常太简单,几乎适用于任何东西。总有一些——介于两者之间的模棱两可。尽管如此,让我们说,对于美国宇航局正在运行的太空任务,也许将来会停止,我们将尝试——或者甚至在早期的任务中,当我们向火星发送探测器之类的事情时,有一个任务是去看看如果我们能探测到生命。所以,你会认为,为了客观地解决这个问题,你必须有一些标准来说明你的意思——你找到了吗?
Hazen (04:56):NASA 做到了。 NASA确实有标准。大多数情况下,它与我所说的化学特性有关。因此,有机分子,由碳骨架制成的分子,在宇宙中无处不在。任何有碳的地方,都会有一种叫做“有机化学”的东西。许多不同种类的分子,它们只是一种混乱,这些东西形成的糊状。
(05:21):但是生活非常非常特别。我认为我们可以说的一件事是,如果某物是有生命的,它将把它的能量用于制造一些非常有效的分子。并且忽略了不做任何事情的大量分子。因此,如果您有一个具有生物叠印的系统,它将显示非常特定的分子组。也许是所谓的“手性”分子,或者左旋和右旋分子,也许你会占主导地位的只是左旋分子或右旋分子。也许你只会有2、2-4-6-8的倍数的碳串,而不是所有其他奇数。也许你会有一些其他的特征,这些特征不仅仅通过随机过程形成,而是通过选择性过程形成。这就是 NASA 一直在寻找的东西。我认为这是一件明智的事情。
Strogatz (06:13):这很有趣。你说,化学选择性的想法可能是,或者至少是由美国宇航局提出的——好吧,现在,我们谈到生物特征,我不知道他们当时是否会使用这种语言.
Hazen (06:26):是的,完全正确。你正在寻找生物特征。所以我想如果你看到那些化学特性,你可以说,哇,这里发生了一些非常有趣的事情。而且它看起来不只是正常的自然过程,看起来有一些真正的功能选择。发挥作用的分子,你知道,它们代谢,或者它们,它们帮助建立强大的细胞结构或类似的东西。所以,我认为这就是他们想要的。
(06:56) 但事实是,这并不能定义生活,不是吗?它只是说,我们正在寻找我们认为是我们熟悉的那种生活的特征的东西。那里可能有多少种其他的生命?而且,这是我们不知道的。我们没有足够的信息来建立分类。可以说,这些东西是活的,这些东西是死的,而且这些东西还有一些其他有趣的化学特征,它们可能是栩栩如生的,但并不能完全让我们到达那里。
Strogatz (07:23):那么,除了功能性之外,还有哪些其他功能?
Hazen (07:27):有些化学系统可能能够精确复制自己,但它们不会经历突变和自然选择。有些化学系统可能会自我模板化,所以它们横向生长,它们变得越来越大,它们似乎在生长,但它们并不真正具有封装一个我们认为栩栩如生的单独实体的特性。但它们都是有趣的系统,它们都是化学复杂性连续体的一部分。对我来说,更有趣的挑战是开发这种分类法。
(08:02) 现在,想想林奈分类系统,你有王国,在王国之下,你有门,你有命令等等。好吧,也许在我们的化学复杂性分类中,我们会有一个非生物王国和生物王国,我们会有一个模棱两可的东西王国。然后在这之下,我们会有一大堆其他的子类别和子类型,我们会开始意识到宇宙是一个令人惊叹和美妙的地方,化学所做的就是非凡的事情,其中一些我们称之为生命。
Strogatz (08:36):所以,到目前为止,你一直在强调化学,这对我来说很有趣,因为我认为你是一个在矿物学和地质学方面拥有丰富专业知识的人。那些领域呢?在这个关于生命问题和其他有趣现象的非常广阔的画面中,这些是如何重叠的?
Hazen (08:55):这是一个非常好的问题。它涉及人性的一个更基本的方面。
是的,我受过地质学和矿物学方面的培训,所以我从地质学和矿物学或地球化学的角度来看待生命的起源。这是一个化学络合的过程。生命的起源发生在一个无生命的星球上,这意味着你拥有的是地质学和化学。你没有生命。从某种意义上说,你试图开始生活。这就是我的看法。其他人,比如 Sheref,你将要与之交谈的人,我的意思是,他有更多的生化背景。因此,他对 DNA、RNA 和信息进行了非常深入的思考,这是我们所知道的生活的另一个方面。将信息从一代传递到下一代并存储和复制。男孩,那是一个分子挑战。
(09:44) 我可以想象一些非常有趣的化学系统,其中一些甚至可能具有我们认为栩栩如生的属性,但不一定携带信息。它们只是化学系统,由于分子本身的性质,它们只是以令人着迷的方式重组自己。因此,这对我来说有很多属性,试图确定一套非常具体的标准,然后说,“这就是生命,而其他一切都不是”——这有点违背了探索自然奇迹的整个目的,它本身就是如此无限多样和复杂。自然就是自然,我们试图对其进行分类。但这并不意味着我们拥有所有这些细微差别。
Strogatz (10:31):那么,回到 NASA,您认为他们在寻找其他行星上的生命时应该寻找哪些东西?或者他们应该只是去寻找他们能想出的最光荣、最丰富、最丰富的分类法?
Hazen (10:46):啊哈!为什么不兼得?因为,你想想。我们确实有预感的一件事是可居住性。那是温度,压力,成分的范围。一个富含水的世界,一个阳光普照的世界,你必须有能量,你必须有各种其他标准,让化学系统能够做有趣的事情。如果是,如果是,一切都是熔化的,或者是蒸汽,那就太热了。如果一切都冻结了,没有任何东西移动,就像冥王星一样,那么这似乎太冷了。所以,所以我们确实认为有一些甜蜜点。我们确实认为有些东西是我们可以寻找的,比如液态水或其他一些液体,但水似乎是唯一真正能完成这项工作的。
(11:28) 我们需要寻找碳基分子,因为碳似乎是唯一一种元素,可以形成我们认为的生命结构所需的丰富多样的骨架。而且我真的不相信基于云的生命,或者,你知道的,电子生命,或者等离子中的生命或类似的东西。我的意思是,你看不到你需要的那种结构,这说明了我认为的生命系统的复杂性。所以有参数,这就是 NASA 正在寻找的。让我们寻找富含水的世界,寻找具有正确温度、压力和大气成分的世界。岩石和矿物扮演着非常有趣的角色。除了碳之外,它们还提供各种化学元素,这对于复杂的化学系统来说可能是必不可少的。
Strogatz (12:21):如果你允许我和你聊一聊,我相信你有一些个人最喜欢的事情,你希望在你完成职业生涯之前得到答案。有没有一些你想和我们分享的,最让你困惑的事情,或者是你希望看到我们得到更多线索的梦想问题?
Hazen (12:37):我很想看到从火星带回来的微生物。微生物具有不同的生物化学, 不同的遗传密码,如果这是故事的一部分,因为这表明存在所谓的第二次起源。第二次创世,在生命起源的事务中,仅仅意味着生命不止一次地出现。而且,你知道,在宇宙中,有一句古老的格言,“它是 0, 1, many。”没有生活是乏味的,但我们知道那不是真的,因为我们有一个例子。一旦你找到第二个例子,尤其是在我们的太阳系中,你就会知道生命无处不在。因为它只是——它刚刚出现,它就像在类地行星上形成玄武岩一样自然。生命只是另一个不可避免地发生的化学过程
(13:24) 我们不知道这是不是真的。这就是我很想知道的。我很想知道生活是不可避免的结果。你知道,我职业生涯的大部分时间都在研究生命起源的各个方面,这意味着我在哲学上在那个领域树立了自己的旗帜。如果生命从未发生过,或者在整个宇宙历史中只发生过一次,那么试图研究它的起源是徒劳的。如果这是一个极其罕见的偶然事件,它只能通过恰到好处的岩石、水和化学物质等等并置发生,而且它只发生在每十亿分之一的行星上,那么我们将无法重现它在实验室里。即使它很普遍,但它需要1亿年才能开始,这将是非常非常困难的,你知道,在四年的博士后奖学金中。所以我想认为生活,一旦我们弄清楚了诀窍,它就是你可以在实验室里真正做的事情。
Strogatz (14:22):是的,这是一个非常有趣的问题。我的意思是,每个想过这个奇迹的人——我记得读过弗朗西斯·克里克(Francis Crick)写的一本关于这个的书,生活本身,他在那里谈论定向全精子症。直到我读了他的书,我才认真对待,如果生命自发形成的概率足够小,我们真的可以孤独。我的意思是,有点像哥白尼的理由,我们从来没有什么特别的,我总是被引导相信,当然必须有生命——只要我们在其他太阳系中发现行星。我的意思是,认为我们是宇宙中唯一的生命实例似乎是傲慢的。但是,从逻辑上讲,正如你所说,我们不知道概率会如此之小,以至于我们可能是唯一的一个。
Hazen (15:05):史蒂夫,你说得对,我们可能是唯一的一个。或者它可能是唯一的其他生命世界,在我们的银河系中可能有数千或数百万个,但它们是如此遥远,而且它们如此不交流,我们可能永远不会知道。但我确实认为这是一个问题,如果答案是我们并不孤单,那是我们实际上希望有一天能够学到的东西。负面的东西真的很难证明。但是你需要做的就是找到另一个活生生的世界,然后我们对宇宙的运作方式有一个非常深刻的洞察力。
Strogatz (15:39):哇。这是一个宇宙思想。你知道,我对这里的生活开始得如此之快感到鼓舞。说到地质学,就像让我们把它放在地质学的角度。给我大致的数字,地球的年龄以及它开始充满生命的时间。
Hazen (15:56):当然。因此,地球在 45.67 亿年前开始形成。而且它在第一个时期不适合居住。它可能有几千万年的宜居之窗,然后是巨大的撞击,形成月球的忒伊亚撞击,然后把一切都夷为平地——整个星球被岩浆海洋包围着,发光,红色热的,必须冷却。所以那可能是 44.5 亿年前,我想,大概是这个顺序,也许最近是 4.4 年。但这是我们可以考虑的极端开始日期。我们知道,到 3.8 年,生活已经确立。我们有叠层石,我们还有其他明显存在的生命迹象。
(16:47) 所以这是一个 6 亿年的区块,但我认为生命开始的速度要快得多。但这是一种预感,我认为我们可能正在寻找数百万或数千万年的时间才能发生一个过程。如果它要发生,你知道,化学,你有一个巨大的地球表面积,你有数百万年的时间可以玩,你有各种各样的化学系统和通量。因此,地球是一个伟大的化学实验实验室。并且有数亿年的时间可以在地球的整个表面上玩耍。哇,也就是说,你可以尝试很多化学物质的组合。生命从中迸发出来。
Strogatz (17:25):你在这里给我们带来的真是美妙的景象,不仅仅是现在,地质学、矿物学和化学,而且你也将天文学带入其中,讲述了影响的故事。也许只是扩展一下?我不确定我是否听说过关于 Theia 的这个想法——你说的是月亮的起源,月亮来自哪里。
Hazen (17:44):所以月亮的起源。当地球最初形成时,它有点像太阳系的舞蹈。你拥有所有这些在重力上贪婪的物体,它们像真空吸尘器一样不断地扫荡着所有更小的世界。因此,在这场比赛中,最大的身体总是获胜。质量最大的获胜。几千万年来,地球一直在与另一个较小的天体竞争,可能与火星大小差不多,这就是我所看到的计算结果。所以这两个身体——他们会靠得很近,他们不会亲吻。但是在一个非常戏剧性的一天,一个非常戏剧性的时刻,他们发生了碰撞。
(18:28) 较小的身体,被称为忒伊亚,是希腊神话中的月亮之母。忒伊亚与地球相撞。这就是史诗般的所有成分的混合、捣碎和烘烤。剩下的一部分变成了月球,剩下的一部分变成了地球的一部分。在碰撞过程中从表面炸开的那团东西合并成月球。所以我们在天空中有这个美丽的物体。顺便说一句,那时更近了。月亮大概只有几万里外,这意味着它在天空中看起来非常非常大,潮汐效应很大。但渐渐地,月亮一直在后退——甚至今天也是如此。这改变了地球的整个表面状况。在那次碰撞之后,地球立即无法居住。但后来事情安定下来了。海洋,早有大潮,明月照天,年年退去,在那几千万年或几亿年的某处,生命开始流行。
Strogatz (19:40):谢谢你,鲍勃,这太有趣了。我的意思是,真的很令人兴奋,实际上,想想它们之间的相互作用——好吧,我很想说出我们在学校学习的科目的名称:天文学、地质学、矿物学、化学、生物学,但是你说的方式,真的只是一个美丽的大故事,我不知道如何总结。你打算说什么?我那句话的结尾是什么?
Hazen (20:02):史蒂夫,这是一个统一的知识网络。这是一种了解科学的方式,这是人类看待自然世界的最非凡方式。不要将化学、地质学、物理学或天文学、生物学视为独立的事物。但它是一个相互关联的网络,我们在其中看到了这个惊人的进化过程,行星和卫星的进化,太阳系的进化,然后是生命的起源和进化。
Strogatz (20:30):谢谢你,Bob,非常感谢你今天加入我们。
Hazen :谢谢你,史蒂夫。
播音员(20:37):想知道在数学、物理、计算机科学和生物学的前沿发生了什么吗?与Quanta Magazine纠缠不清,这是一份由 Simons Foundation 支持的独立编辑出版物。我们的使命是通过公共服务新闻阐明基础科学和数学研究。请访问quantamagazine.org访问我们。
Strogatz (21:02):所以,正如我们刚刚听到的,Bob Hazen 质疑对生命进行严格定义的有用性,而是更愿意识别显示复杂行为的有趣化学系统的特征。我们的下一位客人花了很多时间思考模仿生命的细胞。在思考生命是什么时,他同意进化是一件令人满足的事情。繁殖能力也是如此。但这些标准并没有完全捕捉到我们谈论生活时的意思。对他来说,更广泛地理解生命是什么包括有机体随着时间的推移持续存在并与其他生物相互作用的能力。 Sheref Mansy 是阿尔伯塔大学化学系的化学教授。他现在加入我。欢迎。
谢里夫·曼西
Sheref Mansy (21:49):谢谢你邀请我。
Strogatz (21:50):真的很开心。我很高兴听到你的工作,我不得不说,我觉得这很吸引人。好的,让我们从试图定义生活这个棘手的问题开始。我在其他采访中听说你说你对试图定义生活的这个问题有矛盾的情绪。你是什么意思?
Mansy (22:09):我的意思是,我理解批评,当人们说它可能甚至不值得花时间去解释我们对生活的意义。我曾经,你知道,我在这个领域的一些同事有时会说一些有点挑衅的话,比如,你知道,生命是一个只属于诗人的术语,科学家没有使用它的业务。这些事情当然会让人分心。但与此同时,我发现世界各地的科学家都在试图建造一些东西,但我们甚至不能说我们正在试图建造的是什么,这真的很奇怪。在这种情况下,您如何取得进展?
Strogatz (22:44):嗯,这有什么难的?我的意思是,也许你可以向我们解释一下。因为,你知道,一般人会想,“我认出了一些东西,这个——我们说话时我面前的桌子,那不是活的。”
Mansy (22:55):我认为最大的问题是,每次有人提出生命的定义时,总会有人跳出来举个例子,说明我们清楚地认为活着但不符合定义,或者甚至反过来,你知道的,看起来符合定义但并不存在的东西。所以,你知道,你可以想到一些经典的例子,比如骡子。你知道,有这么多人,你会问,为什么你的办公桌没有生命?他们会说,“嗯,它不会繁殖,你知道,生物能够繁殖。”但是我们有活物的例子,比如骡子,很明显每个人都认为它是活的,但无法生育。
(23:30) 然后你也可以玩相反的游戏,你知道的。所以,盐晶体,你知道,那里有很多晶体学家。而且,晶体学家用来生长更多晶体的技巧之一是粉碎旧晶体,并使用旧晶体的小块来播种新晶体的生长。即使只用盐你也可以做到这一点,你不需要用蛋白质做到这一点。这是复制的一个例子。但是,你知道,没有人会被这个欺骗,对吧?没有人会混淆复制盐晶体是有生命的。
Strogatz (23:57):对,对。所以设置一个清晰的边界可能不是很有用。或者阐明生活的必要和充分条件,因为我们似乎可以不断寻找例外。但是,另一方面,就像你说的那样,感觉很难在其他地方寻找生命,就像我们试图在其他星球上寻找生命一样,如果我们不知道我们在寻找什么。因此,为此,您已经提到了这一点,这个长期坚持的标准。想知道你是否可以为我们打开包装。
Mansy (24:27):你知道,基本上,所有事物都趋于无序,对吧?这有点像热力学第二定律。生物是不平衡的化学系统。因此,如果它们不存在,它们只会腐烂回到它们无序的组成部分。这基本上就是我们所说的死亡,你知道吗?平衡本质上等于死亡。
(24:46):那么这些过程是什么?生命背后的化学和物理本质上总是能够使其脱离平衡并随着时间的推移持续保持这种状态,这种高度有序的、热力学上不利的状态,随着时间的推移?显然,这不是永远的,不幸的是,我们确实在某一时刻死去。但这是一个方面,你知道,我想你可以称之为新陈代谢。但我认为很多时候,即使在那里,当人们使用新陈代谢这个词时,他们并没有真正考虑这个角度。他们更多地考虑,你知道,分子 A 被转化为分子 B,然后被转化为分子 C。他们似乎并没有真正考虑生物学用来保持自己远离的那种技巧是什么并随着时间的推移保持这种高度有序的状态。
Strogatz (25:30):所以我真的很想了解您过去几年在您的实验室所做的一些工作,关于我们可以称之为细胞图灵测试的内容。你怎么看?我的意思是,给我们背景。图灵测试是什么?它当时想做什么?然后让我们谈谈,你知道的,你将它适应生活的世界。
曼西(25:50):当然。我的意思是,我应该说我不是第一个提出这个想法的人。有一篇论文——你知道,我只是在强调我所有可怕的记忆,我想是在《自然生物技术》或《自然》中,有很多英国科学家聚集在一起说,这可能是一种方式我们可以解决缺乏生命定义的问题,以帮助我们取得进步。他们在这篇论文中提出了细胞图灵测试。这只是我看到的那些东西之一,我想,你知道,我认为我实际上能够在实验室中将这些部分放在一起,并尝试在那里建立一个模型系统。
(26:23) 所以基本上,整个想法是,你知道,人工智能领域也存在同样的问题,我不从事人工智能,所以你可能比我说得更好能够。但基本上,这是同一类问题——根据我的理解,是同一类问题。你知道,如果我们一开始就无法定义智能,我们如何判断机器或计算机程序是否正在显示智能?他们和我们在我的领域有同样愚蠢的论点,你知道,在什么是正确的定义以及我们应该做的实验类型上来回争论。所以图灵本质上提出的是,让我们忘记这场愚蠢的斗争,并提出一个功能测试。如果你通过了这个测试,那么你知道,我们还没有定义智力,但你至少朝着正确的方向前进。
(27:09) 所以,我总是给出一种非常现代的,我希望,现代的看法。你知道的,想象一下你正在使用手机,与朋友聊天或与朋友发短信,而你的朋友已被计算机程序取代。您是否能够弄清楚或意识到您不再与朋友聊天?因此,如果您无法区分您的朋友和替代您朋友的计算机程序,那么他们基本上已经通过了。你已经通过了图灵测试,机器或者程序已经通过了。就这样,它成功地欺骗了你,让你以为你在和你的朋友聊天。所以我们,这是你避免提出定义的一种方式。
(27:48) 而相反的情况也很有启发性,对吧?因为如果它失败了,不管它为什么失败,你知道,响应时间有点奇怪,词汇和你朋友说话的方式不同,那么你必须回到绘图板上开发一个更好的程序或更好的机器。
(28:02) 基本上,这就是我们几个项目的灵感来源。我们刚刚看到,我们能不能制造出可以与自然活细胞进行相同类型的化学通讯的人造细胞,并且做得很好,以至于它们可以欺骗自然细胞,使其认为它们正在与邻居说话反对我们在实验室建造的东西。
Strogatz (28:22):这真是一个奇妙、非常优雅的想法。但是——让活细胞被这些人造细胞愚弄,这真是一个有趣的想法。所以,我的意思是,听起来你已经朝着这个方向做了一系列的实验。其中一些是什么?
Mansy (28:36):所以,很多细菌——我们从细菌开始,我们认为这将是最容易做的事情,而且它也更接近我过去所做的事情的类型。所以细菌,它们进行化学交流。他们中的许多人利用这些称为酰基高丝氨酸内酯的小分子。所以我们认为,你知道,这些途径是众所周知的。人们设计了细菌以使用这些相同的已知途径相互交谈。所以我们认为,你知道,我们应该能够在人造细胞中重建这些相同的东西。所以这基本上是目标。
(29:07) 如您所知,事实证明,科学总是比我们预期的更具挑战性。从我们的人造细胞到天然细胞的化学信号的合成和释放并不困难。我认为我们在这方面从未失败过。每次我们试图在我们的人造细胞中重建一个已知系统时,它总是奏效的。困难的部分是能够通过它们分泌的分子来感知活细胞。对于为什么这很困难,我没有一个很好的答案。但你知道,我想,我们是糟糕的喜剧演员,但我想,正如许多情侣会说的那样,你知道,说话比倾听或倾听你的伴侣容易得多。所以我认为这些人造细胞也是如此。设计这些东西说比听更容易。
(29:50) 但我们基本上从来没有失败过,你知道,通过合成或释放分子让人造细胞说话。让他们听到要困难得多,我们能够重建的最好的系统是从费氏弧菌中提取的系统。 So it’s just, you know, a marine organism that naturally bioluminesces . And that was the pathway that we were able to fully reconstitute. But basically, in the ends, we were able to put these pieces inside of lipid vesicles to mimic, sort of morphologically somewhat, a cell. And if you take something like Vibrio fischeri , which naturally luminesces when it talks to each other, so when they reach a certain cell density, they know they’ve reached that density through communication with each other, they luminesce. So it’s a very simple kind of qualitative test. And so if we take this bacteria, and we grow them to half the density that they need to be to luminesce, and then we dump in our artificial cells to make up for the missing natural cells, they light up. We did do, you know, fancier experiments than that, but that was probably the most satisfying experiment, because at least visually, we could see right away that we were on the right track.
Strogatz (30:59): Okay. And the main point that you mentioned, I think, was that when there was a high enough density of them, they could act as surrogates for the bacteria, that — I mean, they could fool the bacteria into thinking that the quorum had been achieved, and therefore the living ones would light up. But these cells, these artificial cells, tell me more about them. They’re lipid vesicles. Do they have anything inside them?
Mansy (31:22): Yes. So they are lipid vesicles, fat molecules. They have an internal, let’s say lumen or internal aqueous space. And inside of there, we put the DNA constructs that we’ve engineered, you know. I don’t want to make it sound too fancy, because these are not huge genomes, but we do put, you know, engineered pieces of DNA inside that encodes for the function that we are — we’ve set out to achieve, which in this case was sensing, synthesizing and releasing chemical messages. Then we have to also put in the machinery that’s necessary for transcription and translation. So it’s to convert the information in DNA to RNA, and then that information, of course, into protein, which, you know, will have the enzymatic activity that we require for our cells. In these specific experiments of the cellular Turing test, we did use transcription and translation machinery that came from extracts of E. coli . So these are somewhat ill-defined mixtures.
Strogatz (32:15): Oh, yeah. That’s beautiful. I really like what you were just saying there. And I think that’s a very deep point that doesn’t get emphasized enough, the communal aspect of early life. We have spoken with other guests about the possibility of the massive horizontal gene transfer in very early life. I don’t know, maybe I’m getting carried away, but I like your thought that communication is really early and deep in the story of life, maybe deeper even than, than what we think of as evolution today, for the most part.
Mansy (32:15): And our system was incapable of growing and dividing, all it could do was essentially, you know, listen and speak. That’s all we programmed it to do. To give it more, you know, to endow it with more functionality would certainly take a lot more effort. But nevertheless, you know, I mean, I would say for this one specific task, which I think is a quite important aspect of life, by the way, something that doesn’t often pop up in definitions of life, this ability to organize and communicate with your neighbors. You know, my guess is this came really, really early. So I don’t think that we hit upon some sort of trick here. I mean, I think we are looking at something that is important, because we tend to look at life as really just these individual units, you know, can I build an actual, you know, one single cell or something along those lines, but I don’t think that’s how life works at all. You know, I mean, it is a community affair. Evolution, by definition basically, is a community type of process. If we find life on another planet, we’re not going to find just, like, one organism or one cell. I mean, these things don’t make sense, right? That’s not how biology works.
(33:46) I mean, I have to admit, in my head, I hadn’t really thought of it in exactly that way. I tend, I mean, I guess, you know, we all come at these things with our own biases. And mine, typically, is that I think that a lot of the stuff that we see as coming at different times, probably pieces of it were there from the beginning and emerged together. Because I tend to look at biology as being so incredibly complex. I don’t, I guess I just don’t see biology modular, the way I think a lot of people who try to engineer, you know, in the field of synthetic biology, they’re always trying to sort of put together, and they love using the analogies of Lego pieces and things like that. Which of course, in some ways we incorporate some of the stuff that they do. But I don’t really see biology as being modular. I see it as a very messy, intricate, you know, network of things that probably reflects its origins, you know, probably lots of these different processes that were necessary had to come up around the same time. Otherwise, it just wouldn’t have survived.
Strogatz (34:39): So on this early question that we were posing, about what is life, it sounds like you already hinted at this in a remark you made a few minutes ago that you would not have considered your, your artificial cells to be alive, but they had some of the functionality, right? You say, they had some of the important functions, but you pointed out, they couldn’t reproduce. What else could they not do?
Mansy (35:02): The thing that I find the most frustrating about these systems that we’ve built is they can basically listen once and then respond, or speak once. They’re, they’re not able to engage in a longer conversation, let’s say. And that is something that frustrates me. That reflects, in large part, what I was talking about before, this concept of persistence over time. It lacks a supporting metabolism to sustain this activity, to have turnover, you know, to degrade the molecules that were being used for talking and synthesize new ones. And just being able to sense once and respond once, to me, is not sufficient. If you want to make something that better mimics life, it’s got to persist for longer than that. And if you wanted to use this as a platform, you know, for some sort of technology, I think it would need to survive more than a couple of hours.
Strogatz (35:52): So that gets us into something that I was hoping we could explore together, about this idea that you mentioned, a platform. Please tell us about some of these fascinating studies that you and your group did recently with artificial cells trying to interact with neurons.
Mansy (36:07): If you think about communication, chemical communication, I mean, I would imagine that lots of people, the first thing that pops to their mind, is signal transduction through neurons. And of course, that’s — that’s true, right? And so for us, for a long time, even when we were working on a cellular Turing test, we really liked this idea. Could we build — I mean, I would not call it an artificial neuron, because it’s way too far from that, but something that can engage in communication with neurons? And that’s not just fun intellectually, but I think that also has possibilities for technologies, right? I mean, there are lots of diseases, neurodegenerative diseases like Parkinson’s disease, where essentially, your neurotransmitters like dopamine are not being produced as you get older. And, you know, if you built artificial cells that can sense the concentrations of dopamine, for example, and then synthesize more dopamine whenever the levels get too low, you know, that sounds like a fantastic therapy. You wouldn’t have to sort of flood the patients with tons of drug molecules that may or may not cross the blood-brain barrier and get to where you want to go. You could have artificial cells that are targeted to different parts of the body. Again, there’s a lot of work to get there.
(37:13) And then very locally, you know, whenever the concentrations drop below what’s needed, they can replenish the supplies. They sound really attractive. But again, I think this persistence problem, that, while I find it interesting from a more, let’s say, intellectual perspective on what is life, has very practical implications as well. I mean, what’s the point of taking an artificial cell into your body if it just, you know, falls apart almost immediately?
Strogatz (37:36): As you say, if this artificial cell could exist and thrive for a certain amount of time, and do smart things like sense whether a cancer cell is present, and if so what molecules, what chemotherapeutic agents to dump on that one — we’re not there yet, it sounds like, but that’s the vision, right? That’s the dream, maybe?
Mansy (37:56): Yes, yes, yes, yes. I mean, to be able to encode multiple outputs, obviously, you know, and to increase the capacity for synthesis so that you can actually carry out whatever, you know, the synthesis for whatever drug molecules you need, that I think would just be insanely satisfying.
Strogatz (38:11): And an interesting example of how fundamental thinking about research, like, you might be really driven by your curiosity about origin of life, or thinking about this deep question of what does it mean to be alive or not alive? And then, out of that pure curiosity-driven research comes these fantastic biomedical applications. It’s not far-fetched, I think.
Mansy (38:31): For a long time, I mean, I would run into colleagues that did neurobiology, and this kept popping up over and over again. So we built artificial cells because of the difficulty in sensing stuff. We had them sense the same sort of molecule that would have been secreted from bacteria. So in that sense, the listening component was, you know, listening to bacteria talk. But in response, it could talk to neurons, and so what we actually did was, they were neural stem cells. And this was done in collaboration with three different biology labs, because I have no experience with eukaryotic biology or doing any sort of tissue culture stuff. So this, you know, took a dedicated Ph.D. student, his name is Duhan Toparlak. Basically, these artificial cells could synthesize and release brain-derived neurotrophic factor, which is a neurotrophic factor, as the name suggests, that impacts the differentiation of neurons into, from immature to, let’s say, mature neural cells. So we took these neural stem cells, we incubated them with our artificial cells, we added the molecule that bacteria would secrete, we didn’t actually mix bacteria with the neurons. So it was sensing this molecule in the environment and in response, synthesized and released something that guided, in some sense, the differentiation of neural stem cells. So that’s what we did. It, in some sense, sounds like we did less in some ways than we did with the cellular Turing test. But it took four or five years actually, to get that to work.
Strogatz (40:05): I see. So really, what’s going on in the experiment is there’s artificial cells, there’s neural stem cells, and there’s you dumping in the thing that’s telling these artificial cells, “hey, say something. Say something helpful to make the neurons grow and differentiate.”
Mansy (40:22): Exactly.
Strogatz : And you did it. I mean, sounds like this was a hard experiment from the way you’re describing it.
Mansy : Yeah, painful process. But in the end, we got it to work.
Strogatz : Well, thank you, Sheref. This was super interesting, and I really appreciate your taking the time to talk to us today.
Mansy : It was a lot of fun. Thank you for having me.
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