(Kriegman et al., PNAS, 2020) Hätte man ihnen in einem anderen Leben erlaubt, ihrer natürlichen Entwicklung zu folgen, wäre das der Fall gewesen Stammzellen Das aus embryonalen Fröschen gewonnene Material hätte sich bei lebenden, atmenden Tieren in Haut- und Herzgewebe verwandelt.
Stattdessen wurden diese Zellen in von Algorithmen entworfenen und von Menschen konstruierten Konfigurationen zu etwas Neuem zusammengesetzt: den ersten Robotern, die vollständig aus lebenden Zellen konstruiert wurden.
Die Schöpfer haben sie Xenobots genannt; Winzige, submillimetergroße Klumpen mit zwischen 500 und 1.000 Zellen, die in der Lage waren, über eine Petrischale zu gleiten, sich selbst zu organisieren und sogar winzige Nutzlasten zu transportieren. Diese Xenobots sind anders als alle lebenden Organismen oder Organe, denen wir bisher begegnet sind oder die wir bisher erschaffen haben.
Die Möglichkeiten für maßgeschneiderte lebende Maschinen, die für eine Vielzahl von Zwecken konzipiert sind, von der gezielten Medikamentenabgabe bis zur Umweltsanierung, sind ziemlich überwältigend.
„Das sind neuartige lebende Maschinen“ sagte der Informatiker und Robotiker Joshua Bongard der University of Vermont.
„Sie sind weder ein traditioneller Roboter noch eine bekannte Tierart.“ Es ist eine neue Klasse von Artefakten: ein lebender, programmierbarer Organismus.“
Die Entwicklung der Xenobots erforderte den Einsatz eines Supercomputers und eines Algorithmus, der virtuell ein paar Hundert Froschherz- und Hautzellen in verschiedenen Konfigurationen (ähnlich wie LEGO-Steine) zusammensetzen und die Ergebnisse simulieren konnte.
Die Wissenschaftler würden ein gewünschtes Ergebnis zuweisen – etwa die Fortbewegung – und der Algorithmus würde Kandidatendesigns erstellen, die darauf abzielen, dieses Ergebnis zu erzielen. Der Algorithmus hat Tausende von Zellkonfigurationen entworfen, mit unterschiedlichem Erfolg.
Die am wenigsten erfolgreichen Zellkonfigurationen wurden verworfen, und die erfolgreichsten wurden behalten und verfeinert, bis sie ungefähr so gut waren, wie sie nur sein konnten.
Anschließend wählte das Team die vielversprechendsten Entwürfe für den physischen Aufbau aus Zellen embryonaler afrikanischer Krallenfrösche aus ( Xenopus laevis ). Dies war eine mühsame Arbeit mit einer mikroskopisch kleinen Pinzette und einer Elektrode.
Als sie schließlich zusammengesetzt wurden, konnten sich die Konfigurationen gemäß den Simulationen tatsächlich bewegen. Die Hautzellen fungieren als eine Art Gerüst, das alles zusammenhält, während die Kontraktionen der Herzzellmuskeln dazu dienen, die Xenobots anzutreiben.
Diese Maschinen bewegten sich bis zu einer Woche lang in einer wässrigen Umgebung, ohne dass zusätzliche Nährstoffe benötigt wurden, angetrieben durch ihre eigenen „vorgeladenen“ Energiespeicher in Form von Lipiden und Proteinen.
Ein Entwurf hatte ein Loch in der Mitte, um den Luftwiderstand zu verringern. Dieses Loch könnte sein entlastet in einer Tasche zum Transport von Gegenständen, fand das Team; Während sie das Design entwickelten, integrierten sie den Beutel und transportierten ein Objekt in einer Simulation.
(Kriegman et al., PNAS, 2019)
Auch in der realen Welt bewegten die Xenobots Objekte. Als ihre Umgebung mit Partikeln übersät war, arbeiteten die Xenobots spontan zusammen und bewegten sich in kreisenden Bewegungen, um die Partikel an eine Stelle zu drücken.
Es ist eine faszinierende Arbeit. Den Forschern zufolge können ihre Bemühungen unschätzbare Erkenntnisse darüber liefern, wie Zellen kommunizieren und zusammenarbeiten.
„Schauen Sie sich die Zellen an, aus denen wir unsere Xenobots gebaut haben, und genomisch gesehen sind sie Frösche.“ Es handelt sich zu 100 Prozent um Frosch-DNA – aber das sind keine Frösche. Dann fragt man sich: „Wozu sind diese Zellen sonst noch fähig?“ sagte der Biologe Michael Levin der Tufts University.
„Wie wir gezeigt haben, können diese Froschzellen dazu gebracht werden, interessante lebende Formen zu bilden, die sich völlig von ihrer Standardanatomie unterscheiden.“
Obwohl das Team sie als „lebend“ bezeichnet, hängt das möglicherweise davon ab, wie Sie Lebewesen definieren. Diese Xenobots sind nicht in der Lage, sich selbstständig weiterzuentwickeln, es gibt keine Fortpflanzungsorgane und sie sind nicht in der Lage, sich zu vermehren.
Wenn den Zellen die Nährstoffe ausgehen, werden die Xenobots einfach zu einem kleinen Klumpen toter Zellen. (Das bedeutet auch, dass sie biologisch abbaubar sind, was ihnen einen weiteren Vorteil gegenüber Robotern aus Metall und Kunststoff verschafft.)
Obwohl der derzeitige Zustand der Xenobots relativ harmlos ist, besteht für zukünftige Arbeiten das Potenzial, Zellen des Nervensystems zu integrieren oder sie zu Biowaffen zu entwickeln. Da dieses Forschungsgebiet wächst, müssen Regulierungs- und Ethikrichtlinien verfasst, angewendet und eingehalten werden.
Aber es gibt auch viel Potenzial für Gutes.
„Wir können uns viele nützliche Anwendungen dieser lebenden Roboter vorstellen, die andere Maschinen nicht leisten können“, sagte Levin , „wie die Suche nach schädlichen Verbindungen oder radioaktiver Kontamination, das Sammeln von Mikroplastik in den Ozeanen oder das Reisen in Arterien, um Plaque herauszukratzen.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in PNAS , und das Team hat seinen Quellcode auf frei verfügbar gemacht Github .