Biorobotter

Ny livsform kravler ud af skærmen

Vi er trådt ind i en ny æra af designet liv. Forskere har overladt skaberkraften til en computer, som har knækket evolutionen og skabt en levende robot. Væsenet består af frøceller, men opfører sig ikke som noget, der findes i naturen.

Vi er trådt ind i en ny æra af designet liv. Forskere har overladt skaberkraften til en computer, som har knækket evolutionen og skabt en levende robot. Væsenet består af frøceller, men opfører sig ikke som noget, der findes i naturen.

claus lunau & Shutterstock

En vrimlende flok skabninger på knap en millimeter i størrelse suser rundt i petriskålen.

Nogle af de bløde væsener ser ud til at have arme og ben, andre synes at minde om aflange, snegleagtige tingester. Men de har ikke arme og ben, og de ligner ved nærmere eftersyn ikke snegle.

De ligner faktisk intet, vi nogensinde har set før, for de millimetersmå kreationer er slet ikke skabt af naturens egen udviklingsafdeling.

De er udtænkt og designet af en computer, som har sprunget Darwin over, er speedet igennem sin egen digitale evolutionsproces og har leveret en færdig opskrift på en ny art af levende robotter, der består af 100 pct. naturlige celler. Og så har forskere til sidst udformet væsenerne efter computerens anvisninger.

En supercomputer er sprintet igennem en digital evolutionsproces med virtuelle mutationer og har fundet de bedst egnede organismer til forskellige opgaver. Resultatet er hverken robot eller biologi – det er en ny, programmeret livsform.

Frø leverer byggeklodser
© claus lunau & Brian Gratwicke & Douglas Blackiston/Sam Kriegman & shutterstock

1. Frø leverer byggeklodser

Forskere indkoder byggeklodser, som er digitale repræsentationer af hjerte- (røde byggeklods) og hudceller (blå byggeklods) fra den afrikanske sporefrø. De angiver også et formål, fx “organismen skal bevæge sig hurtigt”. Computeren bygger 50 tilfældige væsener til at opfylde formålet.

Evolution udspiller sig i data
© claus lunau & Brian Gratwicke & Douglas Blackiston/Sam Kriegman & shutterstock

2. Evolution udspiller sig i data

50 nye variationer skabes med forlæg i de 50 første. Nu testes de 100 “dyr”. De 50 bedste, fx hurtigste, udvælges, og computeren laver 50 variationer af dem. Den nye gruppe på 100 testes, og igen vælges de 50 bedste. Processen gentages 1000 gange.

Forskere tager celler fra fostre
© claus lunau & Brian Gratwicke & Douglas Blackiston/Sam Kriegman & shutterstock

3. Forskere tager celler fra fostre

Computeren udvælger den bedst egnede kandidat til at løse opgaven, og nu går livsformen fra digital til virkelig: Forskere samler celler fra frøfostre. Cellerne vokser sammen til kugleformede organismer med lag af bevægelige og ubevægelige celler. (Til venstre ses hud- og hjerteceller og til højre ses en selvstændig organisme)

Levende robotter bliver skulpteret i petriskål
© claus lunau & Brian Gratwicke & Douglas Blackiston/Sam Kriegman & shutterstock

4. Levende robotter bliver skulpteret i petriskål

Forskere tilskærer organismerne. Med redskaber, der bl.a. bliver brugt til mikrokirurgi, fjerner de væv for at nå frem til den udformning, som computeren har udtænkt.
Nu foretager skabningerne de fysiske bevægelser, som computersimulationerne viste, at de ville gøre.

Resultatet er en helt ny livsform, som hverken er et naturligt væsen af kød og blod eller en robot styret af mikrochips, men et sted midtimellem – en organisme, der er programmeret: biobotter.

Forskerne bag biobotterne, fra bl.a. Tufts Universitet og Harvard Universitet, har da også døbt de små væsener computer-designed organisms (CDO).

Skabningerne består af hudceller og hjerteceller fra frøen Xenopus laevis, men de opfører sig ikke længere som hudceller og hjerteceller.

De såkaldte biobotter er en helt ny type computerskabt livsform, som hverken er robot eller biologi, men et sted midtimellem.

Computeren har givet cellerne nye opgaver i de levende robotter, som bevæger sig målrettet rundt i petriskåle, på trods af at de ikke rummer skyggen af deres egne hjerner eller intelligens.

De mystiske biobotter kan flytte rundt på ting, samarbejde om opgaver og endda helbrede sig selv i tilfælde af skader – og måske kan de en dag løse store miljøudfordringer som fx at fjerne mikroplast fra verdenshavene eller skaffe farligt atomaffald af vejen.

Og det er ikke kun praktiske opgaver, som biobotterne potentielt kan løse. De kan også hjælpe forskerne med at forstå, hvordan celler kommunikerer med hinanden og vokser til organismer.

Det forklarer Michael Levin, en af de ledende forskere på biotbotprojektet, til Illustreret Videnskab.

Robot fra Sorbonne Universitet

Forskere fra bl.a. Sorbonne Universitet udviklede en algoritme for at løse udfordringen, at en robot fik beskadiget sine ben. Algoritmen foreslog en løsning, som forskerne ikke havde overvejet: Robotten bør lægge sig “på ryggen” og bevæge sig vha. sine “albuer”.

© Antoine Cully/Pierre and Marie Curie University

Med dén viden om celler i hånden, siger Levin, kan forskerne i princippet “bygge” hvad som helst ud af hvilke som helst celler. Og hvis alt kan designes af en digital Darwin og bygges i laboratoriet, kan sygdom – og endda aldring i det hele taget – være fortid.

Forskere skaber livsformer

Jordens organismer er skabt over millioner af års evolution. For hver art er de mest overlevelsesdygtige varianter – om det så gælder antallet af arme, smidighed eller intelligens – overlevet, er forfinet ved talrige mutationer og endt med dem, vi kender i dag.

Men hvad hvis vi ikke skal vente millioner af år på at se nye arter komme til verden ved naturlig evolution – hvad hvis vi selv kunne skabe dem i laboratoriet? Dét spørgsmål har mennesket stillet sig selv i mange år.

Tænk blot på Mary Shelleys 200 år gamle historie om doktor Frankensteins monster – en ny, skrækindjagende livsform skabt af dødt væv, som på mystisk vis blev vækket til live af doktoren.

I løbet af de seneste 20 år er ønsket om at skabe syntetisk liv rykket fra fantasiens verden til forskernes laboratorier.

Genforsker J. Craig Venter

J. Craig Venter skabte i 2010 nyt liv i laboratoriet, da han satte syntetisk dna ind i en celle, der begyndte at opføre sig ifølge den kunstige dna-kode.

© David S. Holloway/Getty Images

En verdensomspændende forskningsindsats med at kortlægge dna har efterhånden givet os naturens arbejdstegninger over, hvordan forskellige organismer er “programmeret”, og i 2010 kastede denne forskning et kæmpe gennembrud af sig.

Et forskerhold anført af den amerikanske genekspert J. Craig Venter skabte en kunstig dna-kode, som de indsatte i en allerede eksisterende celle. Den ændrede nu sin opførsel og fulgte den indsatte dna-kode. Dermed havde forskerne skabt historiens første eksempel på syntetisk liv – designet og “programmeret” i et laboratorium.

Siden har forskere lavet adskillige forsøg med alt fra syntetisk rna til hybridvæsener, som består af sammensmeltet mekanik og naturlige celler. Men med biobotterne står vi med noget ganske andet.

Se biobotterne blive skabt i laboratoriet

Alle hidtidige livsformer skabt i laboratorier har været udtænkt og designet af forskere. Mennesker har altså nedskrevet detaljerede planer for, hvordan deres egne “Frankensteins” skulle opføre sig, når de blev vækket til live.

De nye biobotter, derimod, er programmeret af en computer, og forskere har blot fulgt computerens opskrift for at vække væsenerne til live i petriskåle.

Nye væsner spirer fra forskernes petriskåle

Forskere har de seneste 20 år skabt flere nye livsformer i laboratoriet, men hvor syntetisk liv hidtil har været designet af kemikere og biologer, er de såkaldte biobotter “udtænkt” af en computer, der har givet celler nye opgaver.

Digital evolution sker på 20 timer

En ny livsform bliver skabt ud fra nogle grundlæggende byggesten – i biobotternes tilfælde celler fra den afrikanske sporefrø. Det første skridt i det banebrydende biobotprojekt var at nedskrive to typer celler fra frøen – hudceller og hjerteceller – som datakoder.

Hudcellernes grundlæggende egenskab i naturen er at beskytte frøens indre mod bl.a. infektioner udefra, og disse celler kan ikke bevæge sig. Hjertecellernes opgave i naturen er at pumpe blod rundt i frøens krop, og de kan derfor trække sig sammen og skabe bevægelse.

De to grundlæggende egenskaber, ubevægelig og bevægelig, blev knyttet til cellerne, som computeren herefter brugte som 3D-byggeklodser. Til sidst indtastede forskerne et overordnet formål, fx “hurtig bevægelse i en lige linje fra punkt A til punkt B”, og så begyndte evolutionen – skrevet i 1’er og 0’er.

Computeren arbejdede med en såkaldt evolutionær algoritme, som gennemfører sin egen hurtigere version af naturens mutationer. Det tog fx kun ca. 20 timer at udvikle en biobot, mens forskere fra Oregon State University har kortlagt, at det tager ca. en million år for en væsentlig mutation, fx en ny kropsstørrelse, at blive en vedvarende egenskab hos en art.

Computerevolutionen begyndte for hvert enkelt formål, fx styrke, eller hastighed, med at bygge 50 tilfældigt sammensatte biobotter. Disse 50 “designs” blev skabt i en simuleret 3D-verden, hvor algoritmen kan bygge, teste, videreudvikle og forfine biobotterne.

Herefter udviklede computeren 50 nye biobotter, som lignede de oprindelige 50, men havde bittesmå mutationer og variationer i den præcise sammensætning af byggeklodser.

10.000 celler fra frøfostre danner tilsammen én af de såkaldte biobotter.

Gruppen på 100 biobotter blev så testet – i en simulation på computeren – på fx hurtighed på tværs af en petriskål. De 50 hurtigste biobotter blev valgt ud og de 50 langsomste kasseret.

Dermed var computeren kommet frem til en ny generation af de bedst egnede biobotter. Ud fra denne generation designede computeren igen 50 nye biobotter med små mutationer, så det samlede antal endnu nåede op på 100.

Igen blev de testet, de 50 hurtigste blev erklæret “vindere”, og de 50 langsomste blev sorteret fra. Og sådan fortsatte evolutionsprocessen i løbet af i alt 1000 generationer.

Supercomputeren, som har skabt biobotterne, gennemførte evolutionsprocessen for 100 forskellige afarter af de små, levende robotter. Og da den digitale evolution var færdig, kunne biologer fra Tufts Universitet gå i sving med at konstruere skabningerne med rigtige frøceller.

Først tog de hud- og hjertestamceller fra fostre af den afrikanske sporefrø. Cellerne blev sat sammen i små kugler og fik lov at vokse ved celledeling.

Når kuglerne var vokset til ca. 10.000 celler med skiftende lag af hudceller og hjerteceller begyndte forskerne at skulptere skabningerne efter computerevolutionens opskrift.

Under et mikroskop brugte de pincetter og elektroder, som normalt bruges til mikrokirurgi, til at fjerne celler for at nærme sig computerens “blueprint” så meget som muligt. Omkring halvdelen af cellerne blev skåret fra hver biobot undervejs.

Computersimulationer

Computersimulationer viste til forskernes overraskelse, at forskellige typer af de såkaldte biobotter kan samarbejde, selvom de ikke har nogen hjerner. Princippet blev testet i en petriskål med lyserøde farvepartikler, hvor biobotter samlede farvepartiklerne i en “bunke”.

© Douglas Blackiston/Sam Kriegman

10.000 celler samler plastik

Biobotterne begyndte at opføre sig som forudsagt af computeren. Nogle bevægede sig i lige linjer og nogle i cirkler, mens andre kortvarigt koblede sig sammen og arbejdede parvis om at løse opgaver.

Sammenkoblingerne skete spontant, da biobotterne ramte hinanden, og “samarbejdet” var en opførsel, som computeren, til forskernes overraskelse, havde udviklet i dens simulationer. Det så endda ud til, at en gruppe biobotter i fællesskab fx kunne indsamle partikler.

Forskerne testede den digitale opførsel i den virkelige verden ved at fylde en petriskål med farvepartikler og biobotter. Og ganske rigtigt samlede en gruppe biobotter farvestoffet i en bunke. Resultatet giver forskerne håb om, at biobotterne en dag kan opsamle og fjerne et af vor tids store miljøproblemer – partikler af mikroplast i verdenshavene.

Biobotter kan helbrede

Og biobotternes evne til at manipulere små objekter kan også komme i brug i andre sammenhænge. Én type biobot er fx endt med et hul i midten. Hullet er tryllet frem af computeren for at løse opgaven “bevægelse med mindst mulig friktion fra en væske”.

Men takket være små mutationer viste det sig, at hullet også kan bruges til at transportere små objekter. Forskerne så straks muligheder: En biobot kan fx transportere nanopartikler med kræftmedicin ind i kroppen på en kræftpatient og præcist behandle syge celler uden at beskadige det omkringliggende væv, som det fx sker ved traditionel kemobehandling.

Da biobotterne er under en millimeter og nedbrydes naturligt efter omkring en uge, kan de blive kroppens nye fragtmænd og levere små doser af medicin bestemte steder i kroppen.

Andre biobotter med evnen til at skubbe til objekter kan måske bruges til at fjerne åreforkalkninger fra patienters blodårer.

De såkaldte biobotter indeholder fedtstoffer og proteiner, som giver dem en levetid på ca. en uge. I løbet af den tid kan de fx indsamle mikroplast i havet eller levere kræftmedicin i kroppen, hvorefter de bliver nedbrudt naturligt.

Biobotter fjerne plastik
© Claus lunau & Lotte Fredslund & Douglas Blackiston/Sam Kriegman

Fjerner plastaffald fra verdenshavene

Forskellige typer biobotter kan koble sig i par og samarbejde. Dermed kan de løse en opgave mere effektivt – fx at skubbe små partikler ind mod det samme område. Forskere mener derfor, at biobotterne, som selv hurtigt nedbrydes i naturen, kan indsamle mikroplast i havene.

Biobot løsner kalk
© Claus lunau & Lotte Fredslund & Douglas Blackiston/Sam Kriegman

Løsner kalk fra blodårer

Én type biobot har en form, der minder om en trekant med et lille hak i det ene hjørne. Hakket virker som en gribemekanisme, hvormed den kan fastholde små objekter og skubbe dem i én retning. Af den grund foreslår forskerne, at biobotter kan rense blodårer for eksempelvis kalk.

Biobot leverer medicin til kræftpatient
© Claus lunau & Lotte Fredslund & Douglas Blackiston/Sam Kriegman

Leverer medicin til kræftpatienter

Nogle af biobotterne har et hul i midten for at mindske friktion med omgivende væske, men hullet kan modificeres, så biobotten kan transportere små objekter. Dermed kan en biobot fx bære nanopartikler med kræftmedicin ind i kroppen og aflevere den til kræftramte celler.

Selvhelbredende biobotter

Ud over at bevæge sig kan biobotterne også helbrede sig selv. Det fandt forskerne ud af, efter at de med en pincet flåede et af væsenerne fra hinanden, hvorefter nye celler voksede frem og lukkede hullet.

Evnen til at helbrede sig selv står højt på ønskelisten hos forskere og virksomheder, der udvikler robotter, som skal arbejde langt mere på egen hånd, end de gør i dag.

Hvis en robot fx er i gang med at rydde op i et katastrofeområde efter en atomulykke og får en skade, sparer det meget tid, hvis den reparerer sig selv i stedet for at have brug for assistance fra menneskelige teknikere.

Forskerne prøvede desuden at vende en af biobotterne om på ryggen, hvorefter den næsten mistede evnen til at bevæge sig. Det stemte overens med resultaterne fra computerens simulationer.

Dermed stod det klart, at sammenhængen mellem opførslen i den digitale og den analoge verden ikke bare var et tilfælde. Denne ekstra test beviste altså, at computeren vitterlig havde kreeret en ny livsform, der opførte sig, nøjagtig som den var programmeret til.

Ny livsform varsler ny æra

Biobotterne markerer begyndelsen på en ny tidsalder for computerdesignet liv. Det er nu bevist, at en computer kan frembringe organismer, som mennesker ikke kunne forudsige, på trods af at forskerne selv har udstukket retningslinjerne.

Med biobotterne kan forskere bygge nye organismer, som computere udtænker igennem digital evolution. Og det mest banebrydende er faktisk ikke, hvilke opgaver biobotterne kan løse.

Det er derimod den viden, de kan give os om celler. Det forklarer forskeren Michael Levin. Evolutionære algoritmer, siger han, kan hjælpe os med at forstå cellerne i den helt spæde menneskekrop.

“Det store spørgsmål er, hvordan celler samarbejder om at bygge komplekse fungerende kroppe under fosterudviklingen. Hvordan ved de, hvad de skal bygge, og hvilke signaler udveksler de for at bygge disse anatomier – og stoppe på det rette tidspunkt? Det er vigtigt – ikke bare for at forstå evolutionen af kroppens former og arvemassens funktioner, men for al biomedicin,” forklarer Michael Levin.

Hvis forskerne finder svar på disse spørgsmål, åbner der sig en ny verden af computerdesignede organismer – eller fx kropsdele. Tag bare fx smitsomme sygdomme, siger Michael Levin.

“Det handler om kontrol over anatomien,” siger han og forklarer, at hvis vi kan designe biologisk væv, kan vi også reparere, hvad vi vil. Vi kan afhjælpe misdannelser hos spædbørn, omprogrammere kræftsvulster til almindeligt væv og “lære” kroppen at regenerere efter ulykker.

Selv døden vil ikke længere være uundgåelig, for hvis computere designer vævet i kroppen til at regenerere løbende, aldres vi så overhovedet længere? Biobotterne, mener Michael Levin, er et vigtigt første skridt på vej mod disse svimlende fremtidsudsigter.