Onderzoekers simuleren beweging van eencellige organismen

Een onderzoeksteam van de TU Wien (Wenen) heeft met succes het proces gesimuleerd van eencellige organismen die zich in een gewenste richting bewegen, ondanks dat ze geen hersenen of zenuwstelsel hebben. Voor de nieuwe ontwikkelingen waren onderzoekers niet zeker hoe de kleine organismen zo’n proces konden uitvoeren.

Het team berekende de fysieke interactie tussen een eenvoudig modelorganisme en zijn omgeving, waarbij laatstgenoemde een vloeistof was met een niet-eenheitlijke chemische samenstelling met onevenwichtig verdeelde voedselbronnen.

Het onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift PNAS.

Het gesimuleerde organisme

De onderzoekers voorzagen het gesimuleerde organisme van de mogelijkheid om gegevens over zijn voedsel en omgeving te verwerken. Door te vertrouwen op een machine learning-algoritme, kon de gegevensverwerking worden gewijzigd en geoptimaliseerd in evolutionaire stappen. Dit betekende dat de onderzoekers een computerorganisme ontwikkelden dat kon bewegen en zoeken naar voedsel op een manier die vergelijkbaar is met echte organismen.

Andreas Zöttl leidde het onderzoeksproject bij het Instituut voor Theoretische Fysica van de TU Wien.

“Op het eerste gezicht is het verrassend dat zo’n eenvoudig model zo’n moeilijke taak kan oplossen,” zegt Zöttl. “Bacteriën kunnen receptoren gebruiken om te bepalen in welke richting, bijvoorbeeld, de zuurstof- of voedingsconcentratie toeneemt, en deze informatie activeert dan een beweging in de gewenste richting. Dit wordt chemotaxis genoemd.”

Terwijl multicellulaire organismen een verbinding van zenuwcellen hebben, hebben eencellige organismen geen zenuwcellen. Daardoor kunnen ze alleen eenvoudige verwerkingsstappen doorlopen binnen de cel.

“Om dit te kunnen verklaren, heb je een realistisch, fysiek model nodig voor de beweging van deze eencellige organismen,” zegt Zöttl. “We hebben het eenvoudigste mogelijke model gekozen dat fysiek onafhankelijke beweging in een vloeistof mogelijk maakt. Ons eencellig organisme bestaat uit drie massa’s die verbonden zijn door vereenvoudigde spieren. De vraag is nu: kunnen deze spieren zo worden gecoördineerd dat het hele organisme in de gewenste richting beweegt? En bovenal: kan dit proces op een eenvoudige manier worden gerealiseerd, of vereist het een ingewikkeld controlemechanisme?”

Implementatie van het computermodel

Benedikt Hartl was degene die het model op de computer implementeerde.

“Zelfs als het eencellige organisme geen netwerk van zenuwcellen heeft — de logische stappen die zijn ‘zintuiglijke indrukken’ met zijn beweging verbinden, kunnen wiskundig op een soortgelijke manier worden beschreven als een neuronale netwerk,” zegt Hartl.

Eencellige organismen hebben logische verbindingen tussen verschillende elementen van de cel, en beweging vindt plaats wanneer chemische signalen worden geactiveerd.

Maximilian Hübl voltooide verschillende berekeningen in het onderzoek.

“Deze elementen en de manier waarop ze elkaar beïnvloeden, werden op de computer gesimuleerd en aangepast met een genetisch algoritme: generatie na generatie werd de bewegingsstrategie van de virtuele eencellige organismen licht gewijzigd,” rapporteert Hübl.

Toen de eencellige organismen erin slaagden hun beweging naar de gewenste chemicaliën te richten, mochten ze “reproduceren”, terwijl diegenen die dit niet deden “uitstierven”. Na vele generaties vond een soort evolutie plaats en ontstond een controle-netwerk. Dit netwerk stelde een virtueel eencellig organisme in staat om chemische waarnemingen om te zetten in gerichte beweging, en het doet dit op een eenvoudige en basis-circuit-manier.

“Je moet je dit niet voorstellen als een hoogontwikkeld dier dat iets waarneemt en dan ernaartoe rent,” zegt Zöttl. “Het is meer een willekeurige, wankelende beweging. Maar één die uiteindelijk in de juiste richting leidt, gemiddeld genomen. En dat is precies wat je waarneemt bij eencellige organismen in de natuur.”