Forskere simulerer bevegelse av encellede organismer

Et forskningsteam ved TU Wien (Wien) har lykkes i å simulere prosessen med at encellede organismer beveger seg i en ønsket retning, til tross for at de ikke har hjernen eller nervesystem. Før de nye utviklingene, visste forskerne ikke hvordan de små organismene var i stand til en slik prosess. 

Teamet beregnede den fysiske interaksjonen mellom en enkel modellorganisme og dens miljø, hvor det siste var en væske med en ikke-uniform kjemisk sammensetning som inneholdt ujevn fordelt matkilder. 

Forskningen ble publisert i tidsskriftet PNAS. 

Den simulerede organismen

Forskerne utstyrte den simulerede organismen med evnen til å prosessere data om sin mat og miljø. Ved å bruke en maskinlæringsalgoritme, kunne informasjonsbehandling bli modifisert og optimalisert i evolusjonære trinn. Dette betød at forskerne utviklet en datamaskinorganisme som kunne bevege seg og søke etter mat på samme måte som virkelige organismer. 

Andreas Zöttl ledet forskningsprosjektet ved Institutt for teoretisk fysikk ved TU Wien. 

“Ved første øyekast er det overraskende at en så enkel modell kan løse en så vanskelig oppgave,” sier Zöttl. “Bakterier kan bruke reseptorer til å bestemme i hvilken retning, for eksempel, oksygen- eller næringskonsentrasjonen øker, og denne informasjonen utløser deretter en bevegelse i den ønskede retningen. Dette kalles kemotaksis.” 

Flercellede organismer har en sammenkobling av nerveceller, mens encellede organismer har ingen nerveceller. På grunn av dette, kan de bare gå gjennom enkle prosesseringssteg innenfor cellen.

“For å kunne forklare dette, trenger du en realistisk, fysisk modell for bevegelsen av disse encellede organismene,” sier Zöttl. “Vi har valgt den enkleste mulige modellen som fysisk tillater uavhengig bevegelse i en væske fra første sted. Vår encellede organisme består av tre masser koblet sammen med forenklede muskler. Spørsmålet nå er: kan disse musklene koordineres på en slik måte at hele organismen beveger seg i den ønskede retningen? Og først og fremst: kan denne prosessen realiseres på en enkel måte, eller krever den komplisert kontroll?”

Implementering av datamodellen

Benedikt Hartl var den som implementerte modellen på datamaskinen. 

“Selv om den encellede organismen ikke har et nettverk av nerveceller — de logiske stegene som kobler sammen ‘sansningene’ med bevegelsen kan beskrives matematisk på en lignende måte som et nevronnettverk,” sier Hartl.

Encellede organismer har logiske koblinger mellom ulike elementer i cellen, og bevegelse skjer når kjemiske signaler utløses. 

Maximilian Hübl fullførte flere av beregningene i forskningen.

“Disse elementene og måten de påvirker hverandre ble simulert på datamaskinen og justert med en genetisk algoritme: Generasjon etter generasjon, ble bevegelsesstrategien til de virtuelle encellede organismene endret litt,” rapporterer Hübl.

Når de encellede organismene lykkes i å rette bevegelsen mot de ønskede kjemikaliene, fikk de “reprodusere”, mens de som ikke gjorde det “døde ut.” Etter å ha gått gjennom mange generasjoner, skjedde en type evolusjon og et kontrollnettverk oppstod. Dette nettverket enablet en virtuell encellede organisme til å konvertere kjemiske sansninger til rettet bevegelse, og det gjør det enkelt og med basisirkuitter. 

“Du bør ikke tenke på det som et høyt utviklet dyr som bevisst sanser noe og deretter løper mot det,” sier Zöttl. “Det er mer som en tilfeldig, vaklende bevegelse. Men en som likevel leder i riktig retning i gjennomsnitt. Og det er nettopp det du observerer med encellede organismer i naturen.”