Z žabích buněk staví živé roboty, tzv. xenoboty

Datum 02.07.2020

Vědci z americké univerzity ve Vermontu použili živé žabí buňky k vytvoření zcela nových forem života. Tyto nové živé stroje nejsou tradičním robotem ani známým druhem zvířat. Je to nová třída artefaktů: živý, programovatelný organismus.

„Tito milimetroví xenoboti jsou nové živé stroje,“ říká Joshua Bongard, počítačový vědec a odborník na robotiku na univerzitě ve Vermontu, který vedl nový výzkum. „Nejedná se o tradičního robota ani o známý druh zvířete. Je to nová třída artefaktu: živý, programovatelný organismus.“

Tato nová stvoření byla navržena na superpočítači na Univerzitě ve Vermontu a poté byla testována biology na Tuftově univerzitě.

„Dokážeme si představit mnoho užitečných aplikací těchto živých robotů, které jiné stroje nedokážou,“ říká spoluzakladatel Michael Levin, který na Tufts řídí Centrum pro regenerativní a vývojovou biologii, „jako je vyhledávání nebezpečných sloučenin nebo radioaktivní kontaminace, shromažďování mikroplastů v oceánech, nebo pohyb v našich tepnách k odstraňování cholesterolových nánosů.“

Živé systémy na míru

Lidé manipulují s organismy už dlouhou dobu, genetická editace se stává rozšířenou a několik umělých organismů bylo v posledních několika letech také vytvořeno. Tento výzkum však vůbec poprvé „vytvořil zcela od základů nové biologické stroje“, píše tým ve své nové studii.

Po měsících práce na superpočítači Deep Green, použil vědecký tým evoluční algoritmus k vytvoření tisíců návrhů nejlepších kandidátů na nové formy života. Při pokusu o splnění úkolu určeného vědci – jako je pohyb v jednom směru – by počítač znovu a znovu sestavil několik stovek simulovaných buněk do nesčetných forem a tvarů těla. Vzhledem k tomu, že programy běžely na základě základních pravidel o biofyzice toho, co dokáže jediná žabí kůže a srdeční buňky, byly úspěšnější simulované organismy uchovány a vylepšeny. Po stovkách nezávislých výpočtech algoritmu byly pro testování vybrány ty nejslibnější návrhy.

Poté tým v Tuftově univerzitě přenesl návrhy v počítači do života. Nejprve shromáždili kmenové buňky z embryí bezjazyčných vodních afrických žab – Drápatek vodních, latinsky Xenopus laevis – odsud pochází název “xenobot.” Tyto byly rozděleny do jednotlivých buněk a ponechány inkubovat. Poté se pomocí malých kleští a ještě menších elektrod buňky rozřežou a spojí se pod mikroskopem tak, aby se přesně přiblížily vzorům navrhnutým počítačem.

Buňky, sestavené do formy, které nebyly v přírodě nikdy vidět, začaly spolupracovat. Kožní buňky vytvořily pasivnější architekturu, zatímco buňkám srdečního svalu s kontrakcemi byl přikázán pohyb dopředu tak, že vytvářely organizovaný pohyb podle návrhu počítače. Spontánní samooragnizující se vzory pak umožnily robotům samostatný pohyb. Ukázalo se, že tyto rekonfigurovatelné organismy se mohou pohybovat soudržným způsobem – a prozkoumávat své kapalné prostředí několik dnů nebo i týdnů, poháněné jen zásobami embryonální energie.

Živé technologie

Mnoho technologií je vyrobeno z oceli, betonu nebo plastu. To je může učinit silnými a flexibilními. Mohou však také vytvářet ekologické a lidské zdravotní problémy, jako je rostoucí výskyt znečištění mikroplasty v oceánech a toxicita mnoha syntetických materiálů a elektroniky.

“Nevýhodou živé tkáně je, že je slabá a degraduje,” říká Bongard. “Proto používáme ocel. Ale organismy mají 4,5 miliardy let praxe v regeneraci a fungování po dobu několika let.” A když přestanou pracovat a umřou, obvykle se ekologicky rozpadnou. “Tyto xenoboty jsou plně biologicky rozložitelné,” řekla Bongardová, “když je po sedmi dnech jejich práce dokončena, stávají se z nich odumřelé kožní buňky.”

Prolomení kódu

Levin i Bongard říkají, že potenciál toho, co se učí o tom, jak buňky komunikují a spojují, sahá hluboko do počítačové vědy i našeho chápání života.

„Velkou otázkou v biologii je porozumět algoritmům, které určují formu a funkci,“ říká Levin. “Genom kóduje proteiny, ale transformační aplikace čekají na objev, jak tento hardware umožňuje buňkám spolupracovat při vytváření funkčních anatomií za velmi odlišných podmínek.”

“Aby se organismus vyvíjel a fungoval, probíhá nejen mezi neurony, ale i mezi buňkami neustále sdílení informací a spolupráce. Tyto vlastnosti jsou formovány bioelektrickými, biochemickými a biomechanickými procesy, které běží na hardwaru specifikovaném DNA,“ říká Levin, „a tyto procesy lze konfigurovat a umožnit tak vznik nových živých forem.“

„Jak jsme ukázali, tyto žabí buňky lze ‘přemluvit’ tak, aby vytvořily zajímavé živé formy, které jsou zcela odlišné od toho, jaká byla jejich výchozí anatomie,“ říká Levin.

Spolu s dalšími vědci a s podporou programu DARPA věří, že navrhování xenobotů je malým krokem k prolomení toho, co sám nazývá „morfogenetický kód“, a poskytuje hlubší pohled na celkový způsob řízení organismů – a na to, jak vypočítávají a ukládají informace na základě své historie a prostředí.

Obavy z výzkumu

Mnoho lidí se obává důsledků rychlých technologických změn a složitých biologických manipulací. „Ten strach není nepřiměřený,“ říká Levin. „Když si začneme pohrávat se složitými systémy, kterým nerozumíme, dostaneme nezamýšlené důsledky.“

Spousta složitých systémů, jako mravenčí kolonie, začíná jednoduchou jednotkou – mravencem, od něhož nemůžeme předpovídat tvar mravenčí kolonie nebo způsob, jak mohou pomocí propojených těl stavět mosty nad vodou.

„Pokud má lidstvo v budoucnosti přežít, musíme lépe porozumět tomu, jak složité vlastnosti se dokáží vynořit z jednoduchých pravidel,“ říká Levin. „Věda se příliš soustředí k porozumění pravidel na základní úrovni. Musíme také rozumět pravidlům na vysoké úrovni,“ říká. „Pokud byste chtěli mraveniště se dvěma komíny místo jednoho, jak můžete změnit mravence? Nemáme tušení.“

„Myslím, že je naprosto nezbytné, aby společnost do budoucna lépe zvládla systémy, kde je výsledek velmi složitý,“ říká Levin. „Prvním krokem k tomu je prozkoumat, jak živé systémy rozhodují o tom, jaké by mělo být celkové chování a jak můžeme manipulovaty s částmi tak, abychom dosáhli takového chování, jaké chceme?“

„Jinými slovy, tato studie je přímým příspěvkem k tomu, jak zvládnout to, čeho se lidé bojí, což je nezamýšlených důsledků,“ říká Levin

„Chceme pochopit hlouběji vrozenou tvořivost života – a jak ji můžeme nasměrovat k novým formám,“ říká Josh Bongard z Univerzity ve Vermontu.

 

Výstava Volty 700 x 200 px

Napsat komentář