Biorobotter

Ny livsform kravler ut av skjermen

Vi har gått inn i en ny tidsalder av designet liv. Forskere har overlatt skaperkraften til en datamaskin, som har gått utenom evolusjonen og skapt en levende robot. Den består av froskeceller, men oppfører seg ikke som noe i naturen.

Vi har gått inn i en ny tidsalder av designet liv. Forskere har overlatt skaperkraften til en datamaskin, som har gått utenom evolusjonen og skapt en levende robot. Den består av froskeceller, men oppfører seg ikke som noe i naturen.

claus lunau & Shutterstock

En vrimlende flokk skapninger på nesten en millimeter i størrelse suser rundt i petriskålen.

Noen av de myke vesenene ser ut til å ha armer og bein, andre synes å minne om avlange, snegleaktige tingester.

Men de har ikke armer og bein, og de ligner ved nærmere ettersyn ikke på snegler. De ligner faktisk ikke på noe vi har sett før, for de små kreasjonene er slett ikke skapt av naturens egen utviklingsavdeling.

De er tenkt ut og designet av en datamaskin som har hoppet over Darwin, kjørt sin egen digitale evolusjonsprosess i høyt tempo og levert en ferdig oppskrift på en ny art av levende roboter som består av 100 prosent naturlige celler. Og så har forskere til slutt utformet vesenene etter datamaskinens anvisninger.

En superdatamaskin har sprintet gjennom en digital evolusjonsprosess med virtuelle mutasjoner og har funnet de best egnede organismene til ulike oppgaver. Resultatet er verken robot eller biologi – det er en ny, programmert livsform.

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

1. Frosk leverer byggeklosser

Forskere innkoder byggeklosser som er digitale representasjoner av hjerte- (røde byggeklosser) og hudceller (blå byggeklosser) fra den afrikanske sporefrosken. De angir også et formål, for eksempel «organismen skal bevege seg raskt». Datamaskinen bygger 50 tilfeldige vesener til å oppfylle formålet.

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

2. Evolusjon utspiller seg i data

50 variasjoner skapes med belegg i de 50 første. Nå testes de 100 «dyrene». De 50 beste, for eksempel raskeste, velges ut, og datamaskinen lager 50 variasjoner av dem. Den nye gruppen fra 100 testes, og igjen velges de 50 beste ut. Det gjentas 1000 ganger.

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

3. Forskere tar celler fra fostre

Datamaskinen velger ut den best egnede kandidaten til å løse oppgaven, og nå går livsformen fra digital til virkelig: Forskere samler celler fra froskefostre. Cellene vokser sammen til kuleformede organismer med lag av bevegelige og ubevegelige 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 roboter blir til i petriskål

Forskere skjærer til organismene. Med redskaper som blant annet blir brukt til mikrokirurgi, fjerner de vev for å nå fram til den utformingen som data­maskinen har tenkt ut. Nå foretar skapningene de fysiske bevegelsene som datasimuleringene viste at de ville gjøre.

Resultatet er en helt ny livsform som verken er et naturlig vesen av kjøtt og blod eller en robot styret av mikrobrikker, men et sted midt i mellom – en organisme som er programmert: bioboter.

Forskerne bak biobotene, fra blant annet Tufts University og Harvard University, har døpt de små vesenene computer-designed organisms (CDO).

Skapningene består av hudceller og hjerteceller fra frosken Xenopus laevis, men de oppfører seg ikke lenger som hudceller og hjerteceller.

De såkalte biobotene er en helt ny type dataskapt livsform som verken er robot eller biologi, men et sted midt imellom.

Datamaskinen har gitt cellene nye oppgaver i de levende robotene, som beveger seg målrettet rundt i petriskåler, selv om de ikke har verken hjerne eller intelligens.

De mystiske biobotene kan flytte rundt på ting, samarbeide om oppgaver og til og med helbrede seg selv ved skader – og kanskje kan de en dag løse store miljøutfordringer som for eksempel å fjerne mikroplast fra verdenshavene eller fjerne farlig atomavfall.

Og det er ikke bare praktiske oppgaver som biobotene potensielt kan løse. De kan også hjelpe forskerne med å forstå hvordan celler kommuniserer med hverandre og vokser til organismer.

Det forklarer Michael Levin, en av de ledende forskerne på biotbotprosjektet, til Illustrert Vitenskap.

Robot fra Sorbonne Universitet

Forskere fra blant annet Sorbonne-universitet utviklet en algoritme for å løse utfordringen med at en robot skadet beina sine. Algoritmen foreslo en løsning som forskerne ikke hadde vurdert: Roboten kunne legge seg «på ryggen» og bevege seg med «albuene».

© Antoine Cully/Pierre and Marie Curie University

Med den kunnskapen om celler, sier Levin, kan forskerne i prinsippet «bygge» hva som helst av hvilke som helst celler. Og hvis alt kan designes av en digital Darwin og bygges i laboratoriet, kan sykdom – og til og med aldring i det hele tatt – komme til å tilhøre fortiden.

Forskere skaper livsformer

Jordens organismer er skapt over millioner av års evolusjon. For hver art har de mest overlevelsesdyktige variantene – om det så gjelder antallet armer, smidighet eller intelligens – overlevd. De er videreutviklet gjennom mange mutasjoner, slik at vi har endt med de vi kjenner i dag.

Men hva om vi ikke må vente millioner av år på å se nye arter komme til verden ved naturlig evolusjon – hva om vi selv kunne skape dem i laboratoriet? Det spørsmålet har mennesket stilt seg i mange år.

Tenk bare på Mary Shelleys 200 år gamle historie om doktors Frankensteins monster – en ny, skrekkinnjagende livsform skapt av dødt vev, som på mystisk vis ble vekket til live av doktoren.

I løpet av de siste 20 årene er ønsket om å skape syntetisk liv flyttet seg fra fantasiens verden til forskernes laboratorier.

Genforsker J. Craig Venter

J. Craig Venter skapte i 2010 nytt liv i laboratoriet, da han satte syntetisk DNA inn i en celle som begynte å adlyde den kunstige DNA-koden.

© David S. Holloway/Getty Images

En verdensomspennende forskningsinnsats med å kartlegge DNA har etter hvert gitt oss naturens arbeidstegninger over hvordan ulike organismer er «programmert», og i 2010 førte denne forskningen til et enormt gjennombrudd.

En forskergruppe ledet av den amerikanske geneksperten J. Craig Venter skapte en kunstig DNA-kode som ble satt inn i en allerede eksisterende celle. Den endret nå oppførselen og fulgte den innsatte DNA-koden. Dermed hadde forskerne skapt historiens første eksempel på syntetisk liv – designet og «programmert» i et laboratorium.

Senere har forskere gjennomført mange forsøk med alt fra syntetisk RNA til hybridvesener som består av sammensmeltet mekanikk og naturlige celler. Men med biobotene står vi med noe helt annet.

Se bioboterne bli skapt i laboratoriet

Før dette var alle livsformer som var skapt i laboratorier, blitt tenkt ut og designet av forskere. Mennesker har altså skrevet ned detaljerte planer for hvordan sine egne «Frankensteiner» skulle oppføre seg når de ble vekt til live.

De nye biobotene, derimot, er programmert av en datamaskin, og forskere har bare fulgt datamaskinens oppskrift for å vekke vesenene til live i petriskåler.

Nye vesener spirer fra forskernes petriskåler

Forskere har de siste 20 årene skapt flere nye livsformer i laboratoriet. Syntetisk liv har blitt designet av kjemikere og biologer, mens de såkalte biobotene er «tenkt ut» av en datamaskin som har gitt celler nye oppgaver.

Digital evolusjon skjer på 20 timer

En ny livsform blir skapt ut fra grunnleggende byggesteiner – i biobotenes tilfelle celler fra dem afrikanske sporefrosken.

Det første skrittet i det banebrytende biobotprosjektet var å skrive ned to typer celler fra frosken – hudceller og hjerteceller – som datakoder.

Hudcellenes grunnleggende egenskap i naturen er å beskytte froskens indre mot blant annet infeksjoner utenfra, og disse cellene kan ikke bevege seg. Hjertecellenes oppgave i naturen er å pumpe rundt blod i froskens kropp, og de kan derfor trekke seg sammen og skape bevegelse.

De to grunnleggende egenskapene, ubevegelig og bevegelig, ble knyttet til cellene, som datamaskinen deretter brukte som 3D-byggeklosser.

Til slutt tastet forskerne inn et overordnet formål, for eksempel «rask bevegelse i en rett linje fra punkt A til punkt B», og så begynte evolusjonen – skrevet i 1-er og 0-er.

Datamaskinen arbeidet med en såkalt evolusjonær algoritme, som gjennomfører sin egen raskere versjon av naturens mutasjoner.

Det tok for eksempel bare om lag 20 timer å utvikle en biobot, mens forskere fra Oregon State University har kartlagt at det tar om lag en million år for en viktig mutasjon, for eksempel en ny kroppsstørrelse, å bli en varig egenskap hos en art.

Dataevolusjonen begynte med å bygge 50 tilfeldig sammensatte bioboter for hvert enkelt formål, for eksempel styrke eller hastighet.

Disse 50 «designene» ble skapt i en simulert 3D-verden der algoritmen kan bygge, teste og videreutvikle biobotene. Deretter utviklet datamaskinen 50 nye bioboter som lignet de opprinnelige 50, men hadde bitte små mutasjoner og variasjoner i den presise sammensetningen av byggeklosser.

10.000 celler fra froskefostre danner til sammen én av de såkalte biobotene.

Gruppen fra 100 bioboter ble så testet – i en simulering på datamaskinen – på for eksempel hurtighet på tvers av en petriskål. De 50 raskeste biobotene ble valgt ut, og de 50 dårligste ble kassert.

Dermed hadde datamaskinen kommet fram til en ny generasjon av de best egnede biobotene. Ut fra denne generasjonen designet datamaskinen igjen 50 nye bioboter med små mutasjoner, slik at det samlede antallet fortsatt ble 100.

Igjen ble de testet, de 50 raskeste ble erklært «vinnere», og de 50 dårligste ble sortert ut. Og slik fortsatte evolusjonsprosessen gjennom i alt 1000 generasjoner.

Superdatamaskinen som har skapt biobotene, gjennomførte evolusjonsprosessen for 100 ulike avarter av de små, levende robotene.

Og da den digitale evolusjonen var ferdig, kunne biologer fra Tufts University gå i gang med å konstruere skapningene med ekte froskeceller.

Først tok de hud- og hjertestamceller fra fostre av den afrikanske sporefrosken. Cellene ble satt sammen i små kuler og fikk vokse ved celledeling.

Når kulene hadde vokst til om lag 10 000 celler med skiftende lag av hudceller og hjerteceller, begynte forskerne å forme skapningene etter dataevolusjonens oppskrift.

Under et mikroskop brukte de pinsetter og elektroder som normalt brukes til mikrokirurgi, til å fjerne celler for å nærme seg datamaskinens «design» så mye som mulig. Omkring halvparten av cellene ble skåret vekk fra hver biobot underveis.

Computersimulationer

Datasimuleringer viste til forskernes overraskelse at ulike typer av de såkalte biobotene kan samarbeide, selv om de ikke har noen hjerne. Prinsippet ble testet i en petriskål med lyserøde fargepartikler, der bioboter samlet fargepartiklene i en «bunke».

© Douglas Blackiston/Sam Kriegman

10 000 celler samler plast

Biobotene begynte å oppføre seg som forutsagt av datamaskinen. Noen beveget seg i rette linjer og noen i sirkler, mens andre koblet seg sammen og arbeidet parvis om å løse oppgaver.

Sammenkoblingene skjedde spontant når biobotene traff hverandre, og «samarbeidet» var en oppførsel som datamaskinen, til forskernes overraskelse, hadde utviklet i simuleringene.

Det så faktisk ut til at en gruppe bioboter i fellesskap for eksempel kunne samle inn partikler. Forskerne testet den digitale oppførselen i den virkelige verden ved å fylle en petriskål med fargepartikler og bioboter.

Og ganske riktig samlet en gruppe bioboter fargestoffet i en bunke. Resultatet gir forskerne håp om at biobotene en dag kan samle opp og fjerne et av vår tids store miljøproblemer – partikler av mikroplast i verdenshavene.

Bioboter kan helbrede

Og biobotenes evne til å manipulere små objekter kan også komme i bruk i andre sammenhenger. Én type biobot er for eksempel endt med et hull i midten.

Hullet er tryllet fram av datamaskinen for å løse oppgaven «bevegelse med minst mulig friksjon fra en væske». Men takket være små mutasjoner viste det seg at hullet også kan brukes til å transportere små objekter.

Forskerne så straks muligheter: En biobot kan for eksempel transportere nanopartikler med kreftmedisin inn i kroppen på en kreftpasient og presist behandle syke celler uten å skade det omkringliggende vevet, slik det for eksempel skjer ved tradisjonell cellegiftbehandling.

Siden biobotene er under en millimeter store og brytes ned naturlig etter omkring en uke, kan de bli kroppens nye fraktmenn og levere små doser av medisiner til bestemte steder i kroppen.

Andre bioboter med evnen til å skyve på objekter kan kanskje brukes til å fjerne åreforkalkinger fra pasienters blodårer.

De såkalte biobotene inneholder fettstoffer og proteiner som gir dem en levetid på om lag en uke. I løpet av den tiden kan de for eksempel samle inn mikroplast i havet eller levere kreftmedisin i kroppen, før de blir brutt ned naturlig.

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

Fjerner plastsøppel fra verdenshavene

Ulike typer bioboter kan koble seg i par og samarbeide. Dermed kan de løse en oppgave mer effektivt – for eksempel å skyve små partikler inn mot det samme området. Forskere mener derfor at biobotene, som selv raskt brytes ned i naturen, kan samle inn mikroplast i havene.

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

Løsner kalk fra blodårer

Én type biobot har en form som minner om en trekant med et lite hakk i det ene hjørnet. Hakket virker som en gripemekanisme, slik at den kan holde på små objekter og skyve dem i én retning. Derfor foreslår forskerne at bioboter kan rense blodårer for for eksempel kalk.

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

Leverer medisiner til kreftpasienter

Noen av biobotene har et hull i midten for å redusere friksjon med væsken, men hullet kan modifiseres slik at bioboten kan transportere små objekter. Dermed kan en biobot for eksempel bære nanopartikler med kreftmedisin inn i kroppen og avlevere den til kreftrammede celler.

Selvhelbredende bioboter

I tillegg til å bevege seg kan biobotene også helbrede seg selv. Det fant forskerne ut etter at de med en pinsett tok et av vesenene fra hverandre, slik at nye celler vokste fram og lukket hullet.

Evnen til å helbrede seg selv står høyt på ønskelisten hos forskere og bedrifter som utvikler roboter som skal arbeide mye mer på egen hånd enn de gjør i dag.

Hvis en robot for eksempel er i gang med å rydde opp i et katastrofeområde etter en atomulykke og får en skade, sparer det mye tid hvis den reparerer seg selv i stedet for å trenge assistanse fra menneskelige teknikere.

Forskerne prøvde dessuten å snu en av biobotene på ryggen, slik at den mistet evnen til å bevege seg nesten med en gang. Det stemte overens med resultatene fra datamaskinens simuleringer.

Dermed sto det klart at sammenhengen mellom oppførselen i den digitale og den analoge verden ikke bare var en tilfeldighet. Denne ekstra testen viste altså at datamaskinen faktisk hadde skapt ny livsform som oppførte seg nøyaktig som den var programmert til.

Nye livsform varsler ny tidsalder

Biobotene markerer begynnelsen på en ny tidsalder for datadesignet liv. Det er nå bevist at en datamaskin kan frambringe organismer som mennesker ikke kunne forutsi, til tross for at forskerne selv har stukket ut retningslinjene.

Med biobotene kan forskere bygge nye organismer som datamaskiner tenker ut gjennom digital evolusjon. Og det mest banebrytende er faktisk ikke hvilke oppgaver biobotene kan løse.

Det er derimot den kunnskapen de kan gi oss om celler. Det forklarer forskeren Michael Levin. Evolusjonære algoritmer, sier han, kan hjelpe oss med å forstå cellene i menneskefostre.

«Det store spørsmålet er hvordan celler samarbeider om å bygge komplekse fungerende kropper under fosterutviklingen. Hvordan vet de hva de skal bygge, og hvilke signaler utveksler de for å bygge disse strukturene – og stoppe på det rette tidspunktet? Det er viktig – ikke bare for å forstå evolusjonen av kroppens former og arvemassens funksjoner, men for all biomedisin», forklarer Levin.

Hvis forskerne finner svar på disse spørsmålene, åpner det seg en ny verden av datadesignede organismer – eller for eksempel kroppsdeler. Smittsomme sykdommer er bare ett eksempel, sier Levin.

«Det handler om kontroll over anatomien», sier han og forklarer at hvis vi kan designe biologisk vev, kan vi også reparere det. Vi kan hjelpe misdannelser hos spedbarn, omprogrammere kreftsvulster til vanlig vev og «lære» kroppen å regenerere seg selv etter ulykker.

Selv døden vil ikke lenger være uunngåelig, for hvis datamaskiner designer vevet i kroppen for å regenerere seg, eldes vi da i det hele tatt?

Biobotene, mener Levin, er et viktig første skritt på vei mot disse svimlende framtidsutsiktene.