Lebende Roboter mit Froschzellen gebaut/ komplexe und autonome Systeme besser verstehen

13. März 2020 0 Von Horst Buchwald

New York, 13.3.2020

Ein Wissenschaftler – Team der Universität Vermont hat Zellen aus Froschembryonen (Xenobots) geschabt – und sie zu völlig neuen Lebensformen zusammengesetzt. Die millimeterbreiten „Xenobots“ können Medikamente zielgenau dorthin tragen, wo sie im Körper eingesetzt werden müssen. „Dies sind neuartige lebende Maschinen“, sagt Joshua Bongard, ein Informatiker und Robotikexperte an der Universität von Vermont, der die neue Forschung mit geleitet hat. „Sie sind weder ein traditioneller Roboter noch eine bekannte Tierart. Es ist eine neue Klasse von Artefakten: ein lebender, programmierbarer Organismus.“

Die neuen Kreaturen wurden auf einem Supercomputer am UVM entworfen – und dann von Biologen der Tufts University zusammengebaut und getestet. „Wir können uns viele nützliche Anwendungen dieser lebenden Roboter vorstellen, die andere Maschinen nicht ausführen können“, sagt Co-Leiter Michael Levin, der das Zentrum für Regenerations- und Entwicklungsbiologie an der Tufts-Universität leitet, „wie das Aufspüren von fiesen Verbindungen oder radioaktiver Verseuchung, das Sammeln von Mikroplastik in den Ozeanen, das Reisen in den Arterien, um Plaque auszukratzen“.

Menschen manipulieren Organismen zum Nutzen des Menschen zumindest seit den Anfängen der Landwirtschaft, die genetische Bearbeitung ist weit verbreitet, und einige wenige künstliche Organismen wurden in den letzten Jahren manuell zusammengebaut – durch Kopieren der Körperformen bekannter Tiere.

Unzählige Formen

Aber diese Forschung entwirft zum ersten Mal „vollständig biologische Maschinen von Grund auf“, schreibt das Team in seiner neuen Studie. Nach monatelanger Verarbeitungszeit auf dem Deep Green-Supercomputer-Cluster im Vermont Advanced Computing Core des UVM verwendete das Team – einschließlich des Hauptautors und Doktoranden Sam Kriegman – einen evolutionären Algorithmus, um Tausende von Kandidaten-Designs für die neuen Lebensformen zu erstellen. Bei dem Versuch, eine von den Wissenschaftlern zugewiesene Aufgabe zu erfüllen – wie die Fortbewegung in eine Richtung – würde der Computer immer wieder einige hundert simulierte Zellen zu unzähligen Formen und Körperformen zusammensetzen. Während die Programme liefen – angetrieben von Grundregeln über die Biophysik dessen, was eine einzelne Froschhaut und Herzzellen tun können – wurden die erfolgreicheren simulierten Organismen beibehalten und verfeinert, während fehlgeschlagene Entwürfe verworfen wurden. Nach hundert unabhängigen Durchläufen des Algorithmus wurden die vielversprechendsten Designs für die Tests ausgewählt.

Dann übertrug das Team von Tufts unter der Leitung von Levin und mit der Schlüsselarbeit des Mikrochirurgen Douglas Blackiston – die Designs ins Leben. Zuerst sammelten sie Stammzellen, die aus den Embryonen afrikanischer Frösche, der Spezies Xenopus laevis, gewonnen wurden. (Daher der Name „Xenobots“.) Diese wurden in einzelne Zellen getrennt und zur Inkubation belassen. Dann wurden die Zellen mit Hilfe einer winzigen Pinzette und einer noch kleineren Elektrode geschnitten und unter einem Mikroskop in einer engen Annäherung an die vom Computer vorgegebenen Muster zusammengefügt.

Die Zellen wurden zu Körperformen zusammengesetzt, die in der Natur nie zuvor gesehen wurden, und begannen zusammenzuarbeiten. Die Hautzellen bildeten eine passivere Architektur, während die einst zufälligen Kontraktionen der Herzmuskelzellen genutzt wurden, um eine geordnete Vorwärtsbewegung zu erzeugen, die durch das Design des Computers gesteuert und durch spontane selbstorganisierende Muster unterstützt wurde, die es den Robotern ermöglichten, sich selbstständig zu bewegen.

Es wurde gezeigt, dass diese rekonfigurierbaren Organismen in der Lage sind, sich auf kohärente Weise zu bewegen und ihre wässrige Umgebung tage- oder wochenlang zu erforschen, wobei sie von embryonalen Energiespeichern angetrieben werden. Wenn sie sich jedoch umdrehten, versagten sie, wie Käfer, die sich auf den Rücken kippten.

Spätere Tests zeigten, dass sich Gruppen von Xenobotern im Kreis bewegten und Pellets an einen zentralen Ort schoben – spontan und kollektiv. Andere wurden mit einem Loch in der Mitte gebaut, um den Luftwiderstand zu verringern. In simulierten Versionen davon waren die Wissenschaftler in der Lage, dieses Loch als Beutel zu verwenden, um ein Objekt erfolgreich zu tragen. „Es ist ein Schritt in Richtung auf die Verwendung von am Computer entworfenen Organismen für die intelligente Verabreichung von Medikamenten“, sagt Bongard, ein Professor in der Abteilung für Informatik und Zentrum für komplexe Systeme des UVM.

Laptops kann man nicht halbieren

Viele Technologien werden aus Stahl, Beton oder Kunststoff hergestellt. Das kann sie stark oder flexibel machen. Aber sie können auch ökologische und gesundheitliche Probleme verursachen, wie die wachsende Geißel der Kunststoffverschmutzung in den Ozeanen und die Toxizität vieler synthetischer Materialien und der Elektronik. „Der Nachteil von lebendem Gewebe ist, dass es schwach ist und sich abbaut“, so Bongard. „Deshalb verwenden wir Stahl. Aber die Organismen haben 4,5 Milliarden Jahre Praxis, sich zu regenerieren, und das jahrzehntelang.“ Und wenn sie aufhören zu arbeiten – zu sterben – zerfallen sie normalerweise auf harmlose Weise. „Diese Xenobots sind vollständig biologisch abbaubar“, sagt Bongard, „wenn sie nach sieben Tagen mit ihrer Arbeit fertig sind, sind sie nur noch tote Hautzellen“.

Ihr Laptop ist eine leistungsstarke Technologie. Aber versuchen Sie, ihn zu halbieren. Das funktioniert nicht so gut. In den neuen Experimenten haben die Wissenschaftler die Xenobots geschnitten und beobachtet, was passiert ist. „Wir haben den Roboter fast in zwei Hälften geschnitten, und er näht sich selbst wieder zusammen und macht weiter“, sagt Bongard. „Und das ist etwas, das man mit typischen Maschinen nicht machen kann.“

Sowohl Levin als auch Bongard sagen, dass das Potenzial dessen, was sie über die Art und Weise gelernt haben, wie Zellen kommunizieren und sich verbinden, tief in die Computerwissenschaften und unser Verständnis des Lebens hineinreicht. „Die große Frage in der Biologie ist es, die Algorithmen zu verstehen, die Form und Funktion bestimmen“, sagt Levin. „Das Genom kodiert Proteine, aber transformative Anwendungen warten darauf, dass wir entdecken, wie diese Hardware es den Zellen ermöglicht, unter sehr unterschiedlichen Bedingungen bei der Herstellung funktioneller Anatomien zusammenzuarbeiten“.

Damit ein Organismus sich entwickeln und funktionieren kann, werden viele Informationen ausgetauscht und kooperiert – organische Berechnungen – die in und zwischen den Zellen, nicht nur innerhalb der Neuronen, stattfinden. Diese auftauchenden und geometrischen Eigenschaften werden durch bioelektrische, biochemische und biomechanische Prozesse geformt, „die auf DNA-spezifischer Hardware ablaufen“, sagt Levin, „und diese Prozesse sind rekonfigurierbar, was neue Lebensformen ermöglicht“.

Es sind Frösche

Die Wissenschaftler sehen die in ihrer neuen PNAS-Studie vorgestellte Arbeit – „Eine skalierbare Pipeline für das Design rekonfigurierbarer Organismen“ – als einen Schritt zur Anwendung der Erkenntnisse über diesen bioelektrischen Code sowohl in der Biologie als auch in der Informatik. „Was bestimmt eigentlich die Anatomie, zu der die Zellen zusammenarbeiten?“ fragt Levin. „Man schaut sich die Zellen an, mit denen wir unsere Xenobots gebaut haben, und genomisch gesehen sind es Frösche. Es ist zu 100% Frosch-DNA – aber das sind keine Frösche. Dann fragt man sich, was diese Zellen noch bauen können.“

„Wie wir gezeigt haben, kann man diese Froschzellen dazu bringen, interessante lebende Formen zu bilden, die sich von ihrer Standard-Anatomie völlig unterscheiden“, sagt Levin. Er und die anderen Wissenschaftler im UVM- und Tufts-Team – mit Unterstützung des DARPA-Programms für lebenslanges Lernen und der National Science Foundation – glauben, dass der Bau der Xenoboter ein kleiner Schritt zum Knacken dessen ist, was er den „morphogenetischen Code“ nennt, und dass er einen tieferen Einblick in die allgemeine Art und Weise gibt, wie Organismen organisiert sind – und wie sie Informationen auf der Grundlage ihrer Geschichte und ihrer Umwelt berechnen und speichern.

Viele Menschen machen sich Sorgen über die Auswirkungen des raschen technologischen Wandels und komplexer biologischer Manipulationen. „Diese Angst ist nicht unvernünftig“, sagt Levin. „Wenn wir anfangen, mit komplexen Systemen herumzuspielen, die wir nicht verstehen, werden wir unbeabsichtigte Folgen haben“. Viele komplexe Systeme, wie eine Ameisenkolonie, beginnen mit einer einfachen Einheit – einer Ameise – aus der es unmöglich wäre, die Form ihrer Kolonie vorherzusagen oder wie sie mit ihren miteinander verbundenen Körpern Brücken über das Wasser bauen können.

„Wenn die Menschheit in der Zukunft überleben soll, müssen wir besser verstehen, wie komplexe Eigenschaften irgendwie aus einfachen Regeln entstehen“, sagt Levin. Ein Großteil der Wissenschaft konzentriert sich auf die „Kontrolle der Regeln auf der unteren Ebene“. Wir müssen auch die Regeln auf hoher Ebene verstehen“, sagt er. „Wenn Sie einen Ameisenhaufen mit zwei statt einem Schornstein wollten, wie modifizieren Sie die Ameisen? Wir hätten keine Ahnung.“

Wie entscheiden lebende Systeme?

„Ich denke, es ist eine absolute Notwendigkeit für die Gesellschaft, dass sie in Zukunft Systeme besser in den Griff bekommt, bei denen das Ergebnis sehr komplex ist“, sagt Levin. „Ein erster Schritt dazu besteht darin, zu untersuchen: Wie entscheiden lebende Systeme, wie ein Gesamtverhalten aussehen soll, und wie manipulieren wir die Teile, um die gewünschten Verhaltensweisen zu erhalten?

Mit anderen Worten: „Diese Studie ist ein direkter Beitrag dazu, das in den Griff zu bekommen, wovor die Menschen Angst haben, nämlich unbeabsichtigte Konsequenzen“, sagt Levin – sei es bei der raschen Ankunft selbstfahrender Autos, bei der Veränderung von Genantrieben, um ganze Linien von Viren auszulöschen, oder bei den vielen anderen komplexen und autonomen Systemen, die die menschliche Erfahrung zunehmend prägen werden.

„Es gibt all diese angeborene Kreativität im Leben“, sagt Josh Bongard von UVM. „Wir wollen das tiefer verstehen – und wie wir es in neue Formen lenken und vorantreiben können“.

YouTube video: UVM and Tufts Team Builds First Living Robots

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