Een boek is gemaakt van hout. Maar het is geen boom. De dode cellen zijn hergebruikt om in een andere behoefte te voorzien.

Nu heeft een team van wetenschappers levende cellen - geschraapt uit kikkerembryo's - een nieuwe bestemming gegeven en ze samengevoegd tot geheel nieuwe levensvormen. Deze millimeter brede "xenobots" kunnen naar een doelwit gaan, misschien een lading oppakken (zoals een medicijn dat naar een specifieke plaats in een patiënt moet worden gedragen) - en zichzelf genezen nadat ze zijn gesneden.

"Dit zijn nieuwe levende machines, " zegt Joshua Bongard, een computerwetenschapper en robotica-expert aan de Universiteit van Vermont die het nieuwe onderzoek leidde. "Ze zijn noch een traditionele robot, noch een bekende diersoort. Het is een nieuwe klasse van artefacten:een levend, programmeerbaar organisme."

De nieuwe wezens zijn ontworpen op een supercomputer bij UVM en vervolgens geassembleerd en getest door biologen aan de Tufts University. "We kunnen ons veel nuttige toepassingen van deze levende robots voorstellen die andere machines niet kunnen, ", zegt co-leider Michael Levin, die het Centrum voor Regeneratieve en Ontwikkelingsbiologie bij Tufts leidt, "zoals het zoeken naar vervelende verbindingen of radioactieve besmetting, het verzamelen van microplastic in de oceanen, reizen in slagaders om plaque weg te schrapen."

De resultaten van het nieuwe onderzoek zijn op 13 januari gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

Op maat gemaakte woonsystemen

Sinds het begin van de landbouw hebben mensen organismen gemanipuleerd voor het welzijn van de mens, genetische bewerking wordt wijdverbreid, en een paar kunstmatige organismen zijn de afgelopen jaren met de hand geassembleerd - waarbij de lichaamsvormen van bekende dieren zijn gekopieerd.

Maar dit onderzoek, voor de eerste keer ooit, "ontwerpt volledig biologische machines van de grond af, ' schrijft het team in hun nieuwe studie.

Met maanden verwerkingstijd op het Deep Green supercomputercluster bij UVM's Vermont Advanced Computing Core, het team - inclusief hoofdauteur en promovendus Sam Kriegman - gebruikte een evolutionair algoritme om duizenden kandidaat-ontwerpen voor de nieuwe levensvormen te maken. Bij een poging om een ​​taak uit te voeren die door de wetenschappers is toegewezen, zoals voortbewegen in één richting, zou de computer, opnieuw en opnieuw, monteer een paar honderd gesimuleerde cellen in talloze vormen en lichaamsvormen. Terwijl de programma's liepen - gedreven door basisregels over de biofysica van wat enkele kikkerhuid en hartcellen kunnen doen - werden de meer succesvolle gesimuleerde organismen bewaard en verfijnd, terwijl mislukte ontwerpen werden weggegooid. Na honderd onafhankelijke runs van het algoritme, de meest veelbelovende ontwerpen werden geselecteerd om te testen.

Dan het team van Tufts, geleid door Levin en met sleutelwerk van microchirurg Douglas Blackiston - bracht de in silico-ontwerpen tot leven. Eerst verzamelden ze stamcellen, geoogst uit de embryo's van Afrikaanse kikkers, de soorten Xenopus laevis . (Vandaar de naam "xenobots.") Deze werden gescheiden in afzonderlijke cellen en lieten ze incuberen. Vervolgens, met behulp van een kleine pincet en een nog kleinere elektrode, de cellen werden gesneden en onder een microscoop samengevoegd tot een nauwkeurige benadering van de door de computer gespecificeerde ontwerpen.

Geassembleerd tot lichaamsvormen die nog nooit in de natuur zijn gezien, de cellen begonnen samen te werken. De huidcellen vormden een meer passieve architectuur, terwijl de eens willekeurige samentrekkingen van hartspiercellen aan het werk werden gezet om geordende voorwaartse beweging te creëren zoals geleid door het ontwerp van de computer, en geholpen door spontane zelforganiserende patronen, waardoor de robots zelfstandig kunnen bewegen.

Deze herconfigureerbare organismen bleken in staat om op een coherente manier te bewegen - en hun waterige omgeving dagen of weken te verkennen, aangedreven door embryonale energievoorraden. Omgedraaid, echter, ze faalden, als kevers op hun rug geklapt.

Latere tests toonden aan dat groepen xenobots in cirkels rondliepen, pellets naar een centrale locatie duwen - spontaan en collectief. Anderen werden gebouwd met een gat door het midden om de weerstand te verminderen. In gesimuleerde versies hiervan, de wetenschappers waren in staat om dit gat opnieuw te gebruiken als een buidel om met succes een object te dragen. "Het is een stap in de richting van het gebruik van computer-ontworpen organismen voor intelligente medicijnafgifte, " zegt Bongard, een professor in UVM's Department of Computer Science and Complex Systems Center.

Levende technologieën

Veel technologieën zijn gemaakt van staal, beton of kunststof. Dat kan ze sterk of flexibel maken. Maar ze kunnen ook ecologische en menselijke gezondheidsproblemen veroorzaken, zoals de groeiende plaag van plasticvervuiling in de oceanen en de giftigheid van veel synthetische materialen en elektronica. "Het nadeel van levend weefsel is dat het zwak is en degradeert, "zegt Bongard. "Daarom gebruiken we staal. Maar organismen hebben 4,5 miljard jaar oefening om zichzelf te regenereren en gaan tientallen jaren door." En wanneer ze stoppen met werken - de dood - vallen ze meestal onschadelijk uit elkaar. "Deze xenobots zijn volledig biologisch afbreekbaar, "zeg Bongard, "Als ze na zeven dagen klaar zijn met hun werk, het zijn gewoon dode huidcellen."

Uw laptop is een krachtige technologie. Maar probeer het in tweeën te snijden. Werkt niet zo goed. In de nieuwe experimenten de wetenschappers sneden de xenobots en keken wat er gebeurde. "We hebben de robot bijna doormidden gesneden en hij hecht zichzelf weer aan elkaar en gaat door, "zegt Bongard. "En dat is iets wat je niet kunt doen met typische machines."

De code kraken

Zowel Levin als Bongard zeggen dat het potentieel van wat ze hebben geleerd over hoe cellen communiceren en verbinden, diep doorwerkt in zowel de computationele wetenschap als ons begrip van het leven. "De grote vraag in de biologie is om de algoritmen te begrijpen die vorm en functie bepalen, " zegt Levin. "Het genoom codeert voor eiwitten, maar transformatieve toepassingen wachten op onze ontdekking van hoe die hardware cellen in staat stelt samen te werken aan het maken van functionele anatomie onder zeer verschillende omstandigheden."

Om een ​​organisme te laten ontwikkelen en functioneren, er is de hele tijd veel informatie-uitwisseling en samenwerking - organische berekening - gaande in en tussen cellen, niet alleen binnen neuronen. Deze opkomende en geometrische eigenschappen worden gevormd door bio-elektrische, biochemisch, en biomechanische processen, "die draaien op door DNA gespecificeerde hardware, "Levin zegt, "en deze processen zijn herconfigureerbaar, waardoor nieuwe levende vormen."

De wetenschappers zien het werk gepresenteerd in hun nieuwe PNAS studie - "Een schaalbare pijplijn voor het ontwerpen van herconfigureerbare organismen, "- als een stap in het toepassen van inzichten over deze bio-elektrische code op zowel biologie als informatica. "Wat bepaalt eigenlijk de anatomie waarnaar cellen samenwerken?" Vraagt ​​Levin. "Kijk je naar de cellen waarmee we onze xenobots hebben gebouwd, en, genomisch, het zijn kikkers. Het is 100% kikker-DNA, maar dit zijn geen kikkers. Dan vraag je goed, wat kunnen deze cellen nog meer bouwen?"

"Zoals we hebben laten zien, deze kikkercellen kunnen worden overgehaald om interessante levende vormen te maken die totaal verschillen van wat hun standaardanatomie zou zijn, ", zegt Levin. Hij en de andere wetenschappers in het UVM- en Tufts-team - met steun van DARPA's Lifelong Learning Machines-programma en de National Science Foundation - geloven dat het bouwen van de xenobots een kleine stap is in de richting van het kraken van wat hij de "morfogenetische code" noemt, " providing a deeper view of the overall way organisms are organized—and how they compute and store information based on their histories and environment.

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?"

Met andere woorden, "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."