Was passiert, wenn man lebende Roboter in zwei Hälften schneidet?

New York, 19.4.2020

Ein Buch ist aus Holz gemacht. Aber es ist kein Baum. Die abgestorbenen Zellen sind für ein anderes Bedürfnis wiederverwendet worden.

Ein Wissenschaftler – Team an der Universittät von Vermont hat lebende Zellen wiederverwendet – aus Froschembryonen geschabt – und sie zu völlig neuen Lebensformen zusammengesetzt. Diese millimeterbreiten „Xenobots“ können sich auf ein Ziel zubewegen, vielleicht eine Nutzlast aufnehmen (wie ein Medikament, das an einen bestimmten Ort im Inneren eines Patienten transportiert werden muss) – und sich nach dem Schneiden selbst heilen.

„Das 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 zum Beispiel die Suche nach üblen Verbindungen oder radioaktiver Verseuchung, das Sammeln von Mikroplastik in den Ozeanen, das Reisen in Arterien, um Plaque auszukratzen“.

Die Ergebnisse der neuen Forschung wurden am 13. Januar in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.

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

Aber diese Forschung entwirft zum ersten Mal überhaupt „von Grund auf vollständig biologische Maschinen“, schreibt das Team in seiner neuen Studie.

Nach monatelanger Rechenzeit auf dem Deep Green Supercomputer-Cluster im Vermont Advanced Computing Core des UVM verwendete das Team – darunter der Hauptautor und Doktorand 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 – wie die Fortbewegung in eine Richtung – zu erfüllen, setzte der Computer immer wieder einige hundert simulierte Zellen zu unzähligen Formen und Körperformen zusammen. Während die Programme liefen – angetrieben von Grundregeln über die Biophysik dessen, was eine einzelne Froschhaut und Herzzellen leisten 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 Tests ausgewählt.

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

Die Zellen wurden zu Körperformen zusammengesetzt, die in der Natur noch nie 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 vom Design des Computers gesteuert und von spontanen selbstorganisierenden Mustern unterstützt wurde, die es den Robotern erlaubten, 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 erkunden, 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 Xenobots 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 zum erfolgreichen Tragen eines Objekts wiederzuverwenden. „Das ist ein Schritt in Richtung der Verwendung von am Computer entworfenen Organismen für die intelligente Verabreichung von Medikamenten“, sagt Bongard, Professor in der Abteilung für Informatik und Zentrum für komplexe Systeme des UVM.

Lebendige Technologien

Viele Technologien werden aus Stahl, Beton oder Kunststoff hergestellt. Das kann sie stark oder flexibel machen. Sie können aber auch ökologische und menschliche Gesundheitsprobleme verursachen, wie die wachsende Geißel der Verschmutzung der Ozeane durch Kunststoffe und die Toxizität vieler synthetischer Materialien und Elektronik. „Die Kehrseite des lebenden Gewebes ist, dass es schwach ist und sich abbaut“, sagt Bongard. „Deshalb verwenden wir Stahl. Aber Organismen haben 4,5 Milliarden Jahre Erfahrung darin, sich zu regenerieren, und das über Jahrzehnte hinweg. Und wenn sie aufhören zu arbeiten – zu sterben – fallen sie gewöhnlich harmlos auseinander. „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. Bei den neuen Experimenten schnitten die Wissenschaftler die Xenobots und beobachteten, was passierte. „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, was man mit typischen Maschinen nicht machen kann.“

Den Code knacken

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 rechnergestützte Wissenschaft 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 herausfinden, wie diese Hardware es den Zellen ermöglicht, zusammenzuarbeiten, um funktionelle Anatomien unter sehr unterschiedlichen Bedingungen herzustellen.

Damit ein Organismus sich entwickeln und funktionieren kann, müssen viele Informationen ausgetauscht und kooperiert werden – organisches Rechnen -, und zwar nicht nur innerhalb der Neuronen, sondern ständig in und zwischen den Zellen. Diese emergenten und geometrischen Eigenschaften werden durch bioelektrische, biochemische und biomechanische Prozesse geformt, „die auf DNA-spezifizierter Hardware ablaufen“, sagt Levin, „und diese Prozesse sind rekonfigurierbar und ermöglichen neuartige Lebensformen“.

Die Wissenschaftler sehen die in ihrer neuen PNAS-Studie vorgestellte Arbeit – „Eine skalierbare Pipeline für den Entwurf 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, mit 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. Sie bestehen zu 100 % aus Frosch-DNA – aber das sind keine Frösche. Dann fragt man: „Was können diese Zellen sonst noch bauen?

„Wie wir gezeigt haben, lassen sich diese Froschzellen zu interessanten Lebensformen überreden, die völlig anders sind als ihre Standard-Anatomie“, sagt Levin. Er und die anderen Wissenschaftler im Team von UVM und Tufts – mit Unterstützung des DARPA-Programms „Maschinen 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, der einen tieferen Einblick in die allgemeine Art und Weise bietet, wie Organismen organisiert sind – und wie sie Informationen auf der Grundlage ihrer Geschichte und ihrer Umwelt berechnen und speichern.

Zukünftige Schocks

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 Konsequenzen bekommen“. Viele komplexe Systeme, wie z.B. 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 Low-Level-Regeln“. 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.“

„Ich halte es für eine absolute Notwendigkeit, dass die Gesellschaft in Zukunft besser mit Systemen umgehen kann, bei denen das Ergebnis sehr komplex ist“, sagt Levin. „Ein erster Schritt in diese Richtung besteht darin, zu erforschen: Wie entscheiden lebende Systeme, wie ein Gesamtverhalten aussehen soll, und wie manipulieren wir die Teile, um die Verhaltensweisen zu erhalten, die wir wollen?

Mit anderen Worten: „Diese Studie ist ein direkter Beitrag dazu, das in den Griff zu bekommen, wovor die Menschen Angst haben, nämlich vor unbeabsichtigten Folgen“, sagt Levin – sei es bei der raschen Ankunft selbstfahrender Autos, der Veränderung des Genantriebs, um ganze Linien von Viren auszulöschen, oder 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 vom UVM. „Wir wollen das tiefer verstehen – und wie wir es in neue Formen lenken und vorantreiben können“.