Książka jest zrobiona z drewna. Ale nie jest to drzewo. Martwe komórki zostały ponownie wykorzystane do innych celów.
Teraz zespół naukowców wykorzystał żywe komórki - pobrane z embrionów żab - do stworzenia zupełnie nowych form życia. Te szerokie na milimetry "ksenoboty" mogą poruszać się w kierunku celu, być może podnosić ładunek (jak lek, który musi być przeniesiony do określonego miejsca w ciele pacjenta) - i leczyć się po przecięciu.
"Są to nowe, żywe maszyny" - mówi Joshua Bongard, informatyk i specjalista od robotyki z Uniwersytetu Vermont, który współkierował nowymi badaniami. "Nie są to ani tradycyjne roboty, ani znane gatunki zwierząt. To nowa klasa artefaktów: żywy, programowalny organizm".
Nowe stworzenia zostały zaprojektowane na superkomputerze w UVM - a następnie zmontowane i przetestowane przez biologów z Tufts University. "Możemy sobie wyobrazić wiele użytecznych zastosowań tych żywych robotów, których inne maszyny nie są w stanie wykonać," mówi współprowadzący Michael Levin, który kieruje Center for Regenerative and Developmental Biology w Tufts, "takich jak wyszukiwanie paskudnych związków lub skażeń radioaktywnych, zbieranie mikroplastiku w oceanach, podróżowanie w tętnicach w celu usunięcia płytki nazębnej."
Wyniki nowych badań zostały opublikowane 13 stycznia w Proceedings of the National Academy of Sciences.
Systemy żywe na miarę
Ludzie manipulują organizmami dla ludzkiej korzyści co najmniej od zarania rolnictwa, edycja genetyczna staje się powszechna, a kilka sztucznych organizmów zostało ręcznie zmontowanych w ciągu ostatnich kilku lat - kopiując formy ciała znanych zwierząt.
Jednak to badanie po raz pierwszy w historii "projektuje całkowicie biologiczne maszyny od podstaw" - pisze zespół w swoim nowym opracowaniu.
Mając do dyspozycji miesiące czasu przetwarzania danych na klastrze superkomputerowym Deep Green w Vermont Advanced Computing Core w UVM, zespół - w tym główny autor i doktorant Sam Kriegman - wykorzystał algorytm ewolucyjny do stworzenia tysięcy projektów nowych form życia. Starając się wykonać zadanie wyznaczone przez naukowców - na przykład poruszanie się w jednym kierunku - komputer w kółko składał kilkaset symulowanych komórek w niezliczone formy i kształty ciała. W miarę jak programy działały - kierowane podstawowymi zasadami biofizyki tego, co mogą zrobić pojedyncze komórki żabiej skóry i serca - bardziej udane symulowane organizmy były zachowywane i udoskonalane, podczas gdy nieudane projekty były wyrzucane. Po stu niezależnych uruchomieniach algorytmu, najbardziej obiecujące projekty zostały wybrane do testów.
Następnie zespół z Tufts, pod kierownictwem Levina i przy kluczowej pracy mikrochirurga Douglasa Blackistona, przeniósł projekty in silico do życia. Najpierw zgromadzono komórki macierzyste, pobrane z embrionów żab afrykańskich, gatunku Xenopus laevis. (Stąd nazwa "ksenoboty".) Zostały one rozdzielone na pojedyncze komórki i pozostawione do inkubacji. Następnie, przy użyciu maleńkich kleszczy i jeszcze mniejszej elektrody, komórki zostały pocięte i połączone pod mikroskopem w sposób bardzo zbliżony do wzorów określonych przez komputer.
Zmontowane w formy ciała niespotykane w naturze, komórki zaczęły ze sobą współpracować. Komórki skóry utworzyły bardziej pasywną architekturę, podczas gdy niegdyś losowe skurcze komórek mięśnia sercowego zostały wykorzystane do pracy, tworząc uporządkowany ruch do przodu, kierowany przez projekt komputera i wspomagany przez spontaniczne samoorganizujące się wzorce - pozwalając robotom poruszać się samodzielnie.
Wykazano, że te rekonfigurowalne organizmy są w stanie poruszać się w spójny sposób i eksplorować swoje wodne środowisko przez wiele dni lub tygodni, zasilane zapasami energii z embrionu. Jednak po odwróceniu ich na drugą stronę upadały, jak żuki przewrócone na plecy.
Późniejsze testy wykazały, że grupy ksenobotów poruszały się w kółko, wpychając granulki w centralne miejsce - spontanicznie i kolektywnie. Inne zostały zbudowane z otworem przez środek, aby zmniejszyć opór powietrza. W symulowanych wersjach tych robotów naukowcy byli w stanie wykorzystać ten otwór jako worek, aby z powodzeniem przenosić przedmioty. "To krok w kierunku wykorzystania komputerowo zaprojektowanych organizmów do inteligentnego dostarczania leków," mówi Bongard, profesor z wydziału UVM. Department of Computer Science and Complex Systems Center.
Wyprodukowany organizm czworonożny, o średnicy 650-750 mikronów - nieco mniejszej niż główka szpilki. (Credit: Douglas Blackiston, Tufts University.)
Żywe technologie
Wiele technologii jest wykonanych ze stali, betonu lub plastiku. Dzięki temu mogą być mocne lub elastyczne. Ale mogą one również powodować problemy ekologiczne i zdrowotne, takie jak rosnąca plaga plastikowego zanieczyszczenia oceanów oraz toksyczność wielu syntetycznych materiałów i elektroniki. "Wadą żywych tkanek jest to, że są słabe i ulegają degradacji" - mówi Bongard. "Dlatego właśnie używamy stali. Ale organizmy mają 4,5 miliarda lat praktyki w regenerowaniu się i działaniu przez dziesiątki lat." A kiedy przestają działać - umierają - zwykle rozpadają się nieszkodliwie. "Te ksenoboty są w pełni biodegradowalne" - mówi Bongard - "kiedy po siedmiu dniach skończą swoją pracę, są już tylko martwymi komórkami skóry".
Twój laptop to potężna technologia. Ale spróbuj przeciąć go na pół. Nie działa tak dobrze. W nowych eksperymentach naukowcy przecięli ksenoboty i obserwowali, co się stało. "Pokroiliśmy robota prawie na pół, a on zszywa się z powrotem i dalej działa" - mówi Bongard. "A to jest coś, czego nie można zrobić z typowymi maszynami".
Złamanie kodu
Zarówno Levin, jak i Bongard twierdzą, że potencjał tego, czego nauczyli się o tym, jak komórki komunikują się i łączą, sięga głęboko zarówno do nauk obliczeniowych, jak i do naszego rozumienia życia. "Wielkim pytaniem w biologii jest zrozumienie algorytmów, które determinują formę i funkcję", mówi Levin. "Genom koduje białka, ale transformacyjne zastosowania czekają na nasze odkrycie, w jaki sposób ten sprzęt umożliwia komórkom współpracę w celu stworzenia funkcjonalnych anatomii w bardzo różnych warunkach".
Aby organizm mógł się rozwijać i funkcjonować, w komórkach i pomiędzy nimi cały czas, nie tylko w obrębie neuronów, zachodzi wiele wymiany informacji i współpracy - organicznych obliczeń. Te emergentne i geometryczne właściwości są kształtowane przez procesy bioelektryczne, biochemiczne i biomechaniczne, "które działają na sprzęcie określonym przez DNA", mówi Levin, "a procesy te są rekonfigurowalne, umożliwiając tworzenie nowych form życia".
Naukowcy widzą pracę przedstawioną w ich nowym badaniu PNAS - "A scalable pipeline for designing reconfigurable organisms,"- jako jeden z kroków w zastosowaniu wiedzy o tym bioelektrycznym kodzie zarówno do biologii jak i informatyki. "Co tak naprawdę determinuje anatomię, w kierunku której współpracują komórki?" pyta Levin. "Spójrzmy na komórki, z których budujemy nasze ksenoboty, a genomowo są one żabami. To 100% żabiego DNA - ale to nie są żaby. Więc pytasz, co jeszcze potrafią zbudować te komórki?"
"Jak pokazaliśmy, te żabie komórki można nakłonić do stworzenia interesujących form życia, które są całkowicie odmienne od tego, czym byłaby ich domyślna anatomia", mówi Levin. On i inni naukowcy z zespołów UVM i Tufts - przy wsparciu programu DARPA "Lifelong Learning Machines" oraz National Science Foundation - wierzą, że zbudowanie ksenobotów jest małym krokiem w kierunku złamania tego, co Levin nazywa "kodem morfogenetycznym", zapewniając głębsze spojrzenie na ogólny sposób, w jaki organizmy są zorganizowane - i jak obliczają i przechowują informacje w oparciu o ich historię i środowisko.
Przyszłe wstrząsy
Wiele osób martwi się o konsekwencje szybkich zmian technologicznych i złożonych manipulacji biologicznych. "Ten strach nie jest bezpodstawny" - mówi Levin. "Kiedy zaczynamy zadzierać ze złożonymi systemami, których nie rozumiemy, pojawią się niezamierzone konsekwencje". Wiele złożonych systemów, takich jak kolonia mrówek, zaczyna się od prostej jednostki - mrówki - z której niemożliwe byłoby przewidzenie kształtu ich kolonii lub tego, jak mogą budować mosty nad wodą za pomocą swoich połączonych ciał.
"Jeśli ludzkość ma przetrwać w przyszłości, musimy lepiej zrozumieć, w jaki sposób z prostych zasad wyłaniają się złożone właściwości" - mówi Levin. Znaczna część nauki skupia się na "kontrolowaniu reguł niskiego poziomu". Musimy również zrozumieć reguły wysokiego poziomu" - mówi. "Jeśli chcielibyśmy mieć mrowisko z dwoma kominami zamiast jednego, jak zmodyfikować mrówki? Nie mielibyśmy pojęcia."
"Myślę, że to absolutna konieczność dla społeczeństwa idącego naprzód, aby lepiej radzić sobie z systemami, w których wynik jest bardzo złożony", mówi Levin. "Pierwszym krokiem ku temu jest zbadanie: jak żywe systemy decydują, jakie powinno być ogólne zachowanie i jak manipulujemy kawałkami, aby uzyskać pożądane przez nas zachowania?".
Innymi słowy, "to badanie jest bezpośrednim wkładem w opanowanie tego, czego ludzie się boją, czyli niezamierzonych konsekwencji", mówi Levin - czy to w szybkim pojawieniu się samokierujących się samochodów, czy w zmianie napędów genów w celu wymazania całych linii wirusów, czy też w wielu innych złożonych i autonomicznych systemach, które będą coraz bardziej kształtować ludzkie doświadczenie.
"W życiu istnieje cała ta wrodzona kreatywność", mówi Josh Bongard z UVM. "Chcemy zrozumieć to głębiej - i jak możemy skierować i popchnąć go w kierunku nowych form".
**By Joshua E. Brown
**Source
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz