Tutkijat Simuloivat Yksisoluisen Organismin Liikettä

Wienin Teknillisen Yliopiston (TU Wien) tutkimusryhmä on onnistuneesti simulooinut yksisoluisen organismien liikettä haluttuun suuntaan, vaikka niillä ei ole aivoja tai hermostoa. Aikaisemmin tutkijat eivät olleet varmoja, miten nämä pienet organismit pystyivät tähän prosessiin.

Tutkimusryhmä laski yksinkertaisen malliorganismin ja sen ympäristön välisen fyysisen vuorovaikutuksen, jossa ympäristö oli neste, jossa oli epätasaisen kemiallinen koostumus ja epätasaisesti jakautuneet ravinnonlähteet.

Tutkimus julkaistiin PNAS-lehdessä.

Simuloitu Organismi

Tutkijat varustivat simuloitu organismi kyvyllä prosessoida tietoa ravinnostaan ja ympäristöstään. Luottamuksellisen koneoppimisalgoritmin avulla tiedon prosessointi voitiin muuttaa ja optimoida evoluutioasteissa. Tämä tarkoitti, että tutkijat kehittivät tietokoneorganismin, joka pystyi liikkumaan ja etsimään ravintoa samalla tavalla kuin oikeat organismit.

Andreas Zöttl johti tutkimushanketta Wienin Teknillisen Yliopiston Teoreettisen Fysiikan Instituutissa.

”Aluksi on yllättävää, että näin yksinkertainen malli voi ratkaista näin vaikean tehtävän”, Zöttl sanoo. ”Bakteerit voivat käyttää reseptoreita määrittämään, mihin suuntaan esimerkiksi happi- tai ravinnepitoisuus kasvaa, ja tämä tieto laukaisee liikkeen haluttuun suuntaan. Tätä kutsutaan kemotaksiksi.”

Monisoluisilla organismeilla on hermosolmujen verkosto, mutta yksisoluisilla organismeilla ei ole hermosoluja. Tämän vuoksi ne voivat käydä läpi vain yksinkertaisia prosessointivaiheita solun sisällä.

”Jotta voimme selittää tämän, tarvitaan realistinen, fyysinen malli näiden yksisoluisiden organismien liikkeelle”, Zöttl sanoo. ”Olemme valinneet yksinkertaisimman mahdollisen mallin, joka fyysisesti sallii itsenäisen liikkeen nesteessä ensinnäkin. Meidän yksisoluisen organismimme koostuu kolmesta massasta, jotka on yhdistetty yksinkertaistetuilla lihaksilla. Nyt kysymys on: voidaanko nämä lihakset koordinoida sellaisella tavalla, että koko organismi liikkuu haluttuun suuntaan? Ja ennen kaikkea: voidaanko tämä prosessi toteuttaa yksinkertaisella tavalla, vai vaaditaanko siitä monimutkainen ohjaus?”

Tietokonemallin Toteutus

Benedikt Hartl toteutti mallin tietokoneella.

”Vaikka yksisoluisella organismilla ei ole hermosolmujen verkostoa, logiikka, joka yhdistää sen ’aistimukset’ liikkeeseen, voidaan kuvailla matemaattisesti samalla tavalla kuin hermosolmujen verkosto”, Hartl sanoo.

Yksisoluisilla organismeilla on loogisia yhteyksiä eri solun osien välillä, ja liike tapahtuu, kun kemialliset signaalit laukaisevat.

Maximilian Hübl suoritti useita laskelmia tutkimuksessa.

”Nämä elementit ja tapa, jolla ne vaikuttavat toisiinsa, simuloitiin tietokoneella ja sääteltiin geneettisellä algoritmilla: jokaisessa sukupolvessa virtuaalisten yksisoluisiden organismien liikestrategiaa muutettiin hieman”, Hübl kertoo.

Kun yksisoluiset organismit onnistuivat ohjaamaan liikkeensä haluttuihin kemikaaleihin, ne saivat ”lisääntymisoikeuden”, kun taas ne, jotka eivät onnistuneet, ”kuolivat sukupuuttoon”. Monien sukupolvien jälkeen tapahtui evoluutio, ja ohjausverkosto kehittyi. Tämä verkosto mahdollisti virtuaalisen yksisoluisen organismien muuttamisen kemiallisista havainnoista tarkoituksenmukaiseksi liikkeeksi, ja se tekee sen yksinkertaisesti ja perustuu peruspiiriin.

”Ettei pitäisi ajatella, että se on kehittynyt eläin, joka tietoisesti havaitsee jotain ja sitten juoksee kohti sitä”, Zöttl sanoo. ”Se on enemmän kuin satunnainen heilahtelu. Mutta sellainen, joka lopulta johtaa oikeaan suuntaan keskimäärin. Ja se on juuri sitä, mitä havaitaan yksisoluisilla organismeilla luonnossa.”