Vitenskapsmenn gjenskapte levende froskeceller for å utvikle verdens første levende robot

I det som er en bemerkelsesverdig kryssning mellom biologisk liv og robotikk, har et team av forskere gjenskapt levende froskeceller og brukt dem til å utvikle “xenobots”. Cellene kom fra froskeembryoner, og xenobotene er bare en millimeter brede. De er i stand til å bevege seg mot et mål, muligens plukke opp en last som medisin for inni et menneskekropp, og helbrede seg selv etter å ha blitt skåret eller skadet.

“Dette er nye levende maskiner,” ifølge Joshua Bongard, en datavitenskapsmann og robotekspert ved University of Vermont som ledet den nye forskningen. “De er hverken en tradisjonell robot eller en kjent art av dyr. Det er en ny klasse av gjenstand: en levende, programmerbar organisme.”

Forskerne designet botene på en supercomputer ved University of Vermont, og en gruppe biologer ved Tufts University samlet og testet dem.

“Vi kan forestille oss mange nyttige anvendelser av disse levende robotene som andre maskiner ikke kan gjøre,” sier medleder Michael Levin som leder Center for Regenerative and Developmental Biology ved Tufts, “som å søke etter skadelige stoffer eller radioaktiv forurensning, samle inn mikroplast i havene, reise i arterier for å skrape ut plakk.”

Forskningen ble publisert i Proceedings of the National Academy of Sciences den 13. januar.

Ifølge teamet, er dette den første gangen noensinne at forskning “designer helt biologiske maskiner fra bunnen av.”

Det tok måneder med prosesseringstid på Deep Green-supercomputerklusteret ved UVMs Vermont Advanced Computing Core. Teamet inkluderte hovedforfatter og doktorgradsstudent Sam Kriegman, og de avhengig av en evolusjonsalgoritme for å utvikle tusenvis av forskjellige design for de nye livsformene.

Når datamaskinen ble bedt om å fullføre en oppgave gitt av forskerne, som å bevege seg i én retning, ville den kontinuerlig gjenmontere noen hundre simuleringsceller i forskjellige former og kroppsformer. Etterhvert som programmene kjørte, ble de mest suksessfulle simuleringsorganismene beholdt og forbedret. Algoritmen kjørte uavhengig hundre ganger, og de beste designene ble plukket ut for testing.

Teamet ved Tufts, ledet av Levin og med hjelp av mikrokirurgen Douglas Blackiston, tok så opp prosjektet. De overførte designene til neste stadium, som var liv. Teamet samlet inn stamceller som ble høstet fra embryoner av afrikanske frosker, arten Xenopus laevis. Enkeltceller ble så skilt ut og lagt til å inkubere. Teamet brukte små pincetter og en elektrode for å kutte cellene og sammenføye dem under et mikroskop i designene skapt av datamaskinen.

Cellene ble samlet inn i helt nye kroppsformer, og de begynte å fungere sammen. Hudcellene utviklet seg til en mer passiv bygning, og hjertemuskelcellene var ansvarlige for å skape ordnet fremoverbevegelse som ledet av datamaskinens design. Robotene kunne bevege seg på egen hånd på grunn av de spontane selvorganiserende mønsterene.

Organismene var i stand til å bevege seg på en sammenhengende måte, og de varte i dager eller uker mens de utforsket sitt vannmiljø. De avhengig av embryonale energilagre, men de feilet en gang de ble snudd på ryggen.

“Det er et skritt mot å bruke datadesignede organismer for intelligent medikamentlevering,” sier Bongard, en professor i UVMs avdeling for datavitenskap og komplekse systemer.

Siden xenobotene er levende teknologier, har de visse fordeler.

“Ulemper med levende vev er at det er svakt og det forfaller,” sier Bongard. “Det er derfor vi bruker stål. Men organismer har 4,5 milliarder års praksis på å regenerere seg selv og gå videre i årtier. Disse xenobotene er fullstendig biologisk nedbrytbare,” fortsetter han. “Når de er ferdige med jobben etter syv dager, er de bare døde hudceller.”

Disse utviklingene vil ha store implikasjoner for fremtiden.

“Hvis menneskeheten skal overleve inn i fremtiden, må vi bedre forstå hvordan komplekse egenskaper på noen måte oppstår fra enkle regler,” sier Levin. “Mye av vitenskapen er fokusert på å kontrollere de lavnivåreglene. Vi må også forstå de høynivåreglene. Hvis du ønsker en maurtue med to skorsteiner i stedet for en, hvordan modifiserer du maurene? Vi ville ha ingen ide.”

“Jeg tror det er en absolutt nødvendighet for samfunnet å gå videre å få et bedre grep på systemer hvor utfallet er svært komplekst. Et første skritt mot å gjøre det er å utforske: hvordan bestemmer levende systemer hva en sammenhengende atferd skal være og hvordan kan vi manipulere delene for å få de atferdene vi ønsker?”

“Denne studien er en direkte bidrag til å få et grep på hva folk er redd for, som er uforutsette konsekvenser, enten i den raske ankomsten av selvkjørende biler, endring av gen-drev til å utrydde hele linjer av virus, eller de mange andre komplekse og autonome systemer som vil øke på å forme den menneskelige erfaringen.”

“Det er all denne innfødte kreativiteten i livet,” sier UVMs Josh Bongard. “Vi ønsker å forstå det mer dypt — og hvordan vi kan rette og skyve det mot nye former.”