Team bygger de første levende robotter

En bog er lavet af træ. Men det er ikke et træ. De døde celler er blevet genbrugt til at tjene et andet behov.

Nu har et team af videnskabsmænd genbrugt levende celler – skrabet fra frøembryoner – og samlet dem til helt nye livsformer. Disse millimeter brede "xenobots" kan bevæge sig mod et mål, måske hente en nyttelast (som en medicin, der skal bæres til et bestemt sted inde i en patient) - og helbrede sig selv efter at være blevet skåret.

"Dette er nye levende maskiner, " siger Joshua Bongard, en datalog og robotekspert ved University of Vermont, der var med til at lede den nye forskning. "De er hverken en traditionel robot eller en kendt dyreart. Det er en ny klasse af artefakter:en levende, programmerbar organisme."

De nye væsner blev designet på en supercomputer på UVM - og derefter samlet og testet af biologer ved Tufts University. "Vi kan forestille os mange nyttige anvendelser af disse levende robotter, som andre maskiner ikke kan, " siger medleder Michael Levin, der leder Center for Regenerativ og Udviklingsbiologi på Tufts, "som at søge efter grimme forbindelser eller radioaktiv forurening, indsamling af mikroplast i havene, rejser i arterier for at skrabe plak ud."

Resultaterne af den nye forskning blev offentliggjort 13. januar i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Skræddersyede levende systemer

Folk har manipuleret organismer til gavn for mennesker siden i det mindste landbrugets begyndelse, genetisk redigering er ved at blive udbredt, og nogle få kunstige organismer er blevet manuelt samlet i de sidste par år - kopiering af kropsformer af kendte dyr.

Men denne forskning, for første gang nogensinde, "designer fuldstændig biologiske maskiner fra bunden, " skriver holdet i deres nye undersøgelse.

Med måneders behandlingstid på Deep Green supercomputerklyngen ved UVM's Vermont Advanced Computing Core, holdet – inklusive hovedforfatter og doktorand Sam Kriegman – brugte en evolutionær algoritme til at skabe tusindvis af kandidatdesigns til de nye livsformer. I et forsøg på at udføre en opgave, som videnskabsmændene havde tildelt – som at bevæge sig i én retning – ville computeren, igen og igen, gensamle et par hundrede simulerede celler i utallige former og kropsformer. Mens programmerne kørte - drevet af grundlæggende regler om biofysikken for, hvad enkelt frøhud og hjerteceller kan gøre - blev de mere succesrige simulerede organismer holdt og forfinet, mens mislykkede designs blev smidt ud. Efter hundrede uafhængige kørsler af algoritmen, de mest lovende designs blev udvalgt til test.

Så holdet på Tufts, ledet af Levin og med nøglearbejde af mikrokirurg Douglas Blackiston – overførte in silico-designerne til livet. Først samlede de stamceller, høstet fra embryoner fra afrikanske frøer, arten Xenopus laevis . (Deraf navnet "xenobots.") Disse blev adskilt i enkeltceller og efterladt til inkubation. Derefter, ved hjælp af en lille pincet og en endnu mindre elektrode, cellerne blev skåret og sammenføjet under et mikroskop til en tæt tilnærmelse af design specificeret af computeren.

Samlet til kropsformer, der aldrig er set i naturen, cellerne begyndte at arbejde sammen. Hudcellerne dannede en mere passiv arkitektur, mens de engang tilfældige sammentrækninger af hjertemuskelceller blev sat i gang med at skabe en ordnet fremadrettet bevægelse som guidet af computerens design, og hjulpet af spontane selvorganiserende mønstre - så robotterne kan bevæge sig på egen hånd.

Disse rekonfigurerbare organismer viste sig at være i stand til at bevæge sig på en sammenhængende måde - og udforske deres vandmiljø i dage eller uger, drevet af embryonale energilagre. Vendt om, imidlertid, de fejlede, som biller vendt om på ryggen.

Senere test viste, at grupper af xenobots ville bevæge sig rundt i cirkler, skubbe pellets ind på et centralt sted - spontant og kollektivt. Andre blev bygget med et hul gennem midten for at reducere modstand. I simulerede versioner af disse, forskerne var i stand til at genbruge dette hul som en pose til at bære en genstand. "Det er et skridt hen imod at bruge computerdesignede organismer til intelligent medicinafgivelse, siger Bongard, en professor i UVM's Institut for Datalogi og Center for komplekse systemer.

Levende teknologier

Mange teknologier er lavet af stål, beton eller plast. Det kan gøre dem stærke eller fleksible. Men de kan også skabe økologiske og menneskelige sundhedsproblemer, som den voksende plage af plastikforurening i havene og toksiciteten af ​​mange syntetiske materialer og elektronik. Ulempen ved levende væv er, at det er svagt, og det nedbrydes, " siger Bongard. "Det er derfor, vi bruger stål. Men organismer har 4,5 milliarder års øvelse i at regenerere sig selv og fortsætte i årtier." Og når de holder op med at virke - døden - falder de normalt uskadeligt fra hinanden. "Disse xenobots er fuldt bionedbrydelige, " Sig Bongard, "når de er færdige med deres arbejde efter syv dage, de er bare døde hudceller."

Din bærbare computer er en kraftfuld teknologi. Men prøv at skære det i to. Fungerer ikke så godt. I de nye forsøg, videnskabsmændene skar xenobotterne og så, hvad der skete. "Vi skar robotten næsten i halve, og den syr sig selv op igen og fortsætter, " siger Bongard. "Og det er noget, man ikke kan med typiske maskiner."

Knækker koden

Både Levin og Bongard siger, at potentialet i det, de har lært om, hvordan celler kommunikerer og forbinder, strækker sig dybt ind i både beregningsvidenskab og vores forståelse af livet. "Det store spørgsmål i biologi er at forstå de algoritmer, der bestemmer form og funktion, " siger Levin. "Genomet koder for proteiner, men transformative applikationer afventer vores opdagelse af, hvordan den hardware gør det muligt for celler at samarbejde om at lave funktionelle anatomier under meget forskellige forhold."

At få en organisme til at udvikle sig og fungere, der er en masse informationsdeling og samarbejde – organisk beregning – der foregår i og mellem celler hele tiden, ikke kun i neuroner. Disse nye og geometriske egenskaber er formet af bioelektriske, biokemiske, og biomekaniske processer, "der kører på DNA-specificeret hardware, Levin siger, "og disse processer er rekonfigurerbare, muliggør nye levende former."

Forskerne ser arbejdet præsenteret i deres nye PNAS undersøgelse - "En skalerbar pipeline til design af rekonfigurerbare organismer, "—som et trin i at anvende indsigt om denne bioelektriske kode til både biologi og computervidenskab. "Hvad bestemmer egentlig anatomien i forhold til hvilke celler, der samarbejder?" spørger Levin. "Du ser på de celler, vi har bygget vores xenobots med, og, genomisk, de er frøer. Det er 100 % frø-DNA - men det er ikke frøer. Så spørger du, godt, hvad er disse celler ellers i stand til at bygge?"

"Som vi har vist, disse frøceller kan lokkes til at lave interessante levende former, der er helt anderledes end deres standardanatomi, " siger Levin. Han og de andre videnskabsmænd i UVM- og Tufts-teamet – med støtte fra DARPAs Lifelong Learning Machines-program og National Science Foundation – mener, at bygningen af ​​xenobots er et lille skridt i retning af at knække det, han kalder den "morfogenetiske kode, " at give et dybere overblik over den overordnede måde, organismer er organiseret på - og hvordan de beregner og lagrer information baseret på deres historie og miljø.

Future shocks

Many people worry about the implications of rapid technological change and complex biological manipulations. "That fear is not unreasonable, " Levin says. "When we start to mess around with complex systems that we don't understand, we're going to get unintended consequences." A lot of complex systems, like an ant colony, begin with a simple unit—an ant—from which it would be impossible to predict the shape of their colony or how they can build bridges over water with their interlinked bodies.

"If humanity is going to survive into the future, we need to better understand how complex properties, somehow, emerge from simple rules, " says Levin. Much of science is focused on "controlling the low-level rules. We also need to understand the high-level rules, " he says. "If you wanted an anthill with two chimneys instead of one, how do you modify the ants? We'd have no idea."

"I think it's an absolute necessity for society going forward to get a better handle on systems where the outcome is very complex, " Levin says. "A first step towards doing that is to explore:how do living systems decide what an overall behavior should be and how do we manipulate the pieces to get the behaviors we want?"

Med andre ord, "this study is a direct contribution to getting a handle on what people are afraid of, which is unintended consequences, " Levin says—whether in the rapid arrival of self-driving cars, changing gene drives to wipe out whole lineages of viruses, or the many other complex and autonomous systems that will increasingly shape the human experience.

"There's all of this innate creativity in life, " says UVM's Josh Bongard. "We want to understand that more deeply—and how we can direct and push it toward new forms."