Następnym razem, gdy strzepiesz kurz z klapy marynarki lub okruszki ze stołu, zastanów się, czy nie są żywe. Naukowcy stworzyli właśnie mikroskopijnej wielkości roboty zbudowane z żywych komórek
Roboty? Te definiuje się zwykle jako „maszyny mechaniczne wykonujące określone zadania”. Tymczasem twór naukowców z University of Vermont ani nie jest mechaniczny, ani określonych zadań nie wykonuje – przynajmniej na razie.
Ale być może nadszedł właśnie moment, aby poszerzyć definicję robota o maszyny stworzone z materiałów biologicznych, w tym komórek.
„Książka jest zrobiona z drewna. Ale nie jest drzewem. Jego martwe komórki zostały wykorzystane w innym celu”, piszą badacze*. Ale wykorzystali nie martwe, lecz żywe komórki – komórki zarodków żaby.
Najpierw wprowadzili informacje o biofizycznych właściwościach pojedynczych komórek skóry i mięśnia sercowego żaby do algorytmu symulującego działanie biologicznej ewolucji. Przez miesiące algorytm działający na klastrze superkomputerów Deep Green na University of Vermont wybierał twory pasujące do zamierzeń biologicznych projektantów. Potem wybrany przez algorytm projekt zespół naukowców wcielił (dosłownie) w życie. Z żabich embrionów pobrał komórki i złożył je według projektu komputera.
Badania, które doprowadziły do stworzenia ksenobotów, finansowała DARPA, amerykańska Agencja Zaawansowanych Projektów Badawczych w Obszarze Obronności
Powstały żywe twory nigdy wcześniej niewystępujące w naturze. Komórki skóry przyjęły rolę rusztowania czy szkieletu, zaś te mięśnia sercowego – jak to mają w naturze – zaczęły się kurczyć i rozprężać, wprawiając mikroskopijne zbitki komórek w ruch. Komórki zarodkowe mają zapasy energii, więc w laboratoryjnym roztworze poruszały się tygodniami.
Część z tych komórkowych tworów została zaprojektowana i zbudowana z dziurką w środku – częściowo, aby zmniejszyć opór cieczy, częściowo z myślą o tym, by w przyszłości móc włożyć coś do środka. Na przykład lek.
„To krok naprzód w wykorzystaniu projektowanych komputerowo organizmów do inteligentnego dostarczania leków”, mówi Joshua Bongard, informatyk i robotyk z University of Vermont i jeden z autorów pracy opublikowanej właśnie w „Proceedings of the National Academy of Sciences”.
„To nowy rodzaj żywych maszyn”, twierdzi. „Nie są ani tradycyjnymi robotami, ani żadnym ze znanych gatunków zwierząt. To nowa klasa dzieł człowieka: programowalny, żywy organizm”. Bongard na określenie dzieła ludzkich rąk używa słowa „artifact”, które oznacza między innymi „magiczny artefakt”. Ale i niechciany efekt w grafice komputerowej – lub w wynikach badań naukowych.
Pożyteczny obcy
Afrykańska żaba szponiasta, z której pochodziły komórki żywego robota, nosi łacińską nazwę Xenopus laevis. Naukowcy nazwali więc swoje dzieło ksenobotem, co jest niezamierzoną (chyba) grą słów. Ksenós to po grecku „obcy”, w starożytnej grece słowo to oznaczało też gościa. Nowa forma życia stworzona przez badaczy jest obca i jest zarazem nowym gościem na naszej planecie.
„Można sobie wyobrazić wiele pożytecznych zastosowań takich żywych robotów, przy których inne maszyny się nie sprawdzą”, mówi Michael Levin z Centrum Medycyny Regeneracyjnej z Tufts University, jeden z autorów pracy. „Na przykład wyszukiwanie szkodliwych substancji, skażenia radioaktywnego, zbieranie mikroplastików w oceanach czy usuwanie złogów w tętnicach”.
Adres filmu na Youtube: https://youtu.be/aQRBCCjaYGE
Źródło: University of Vermont / YouTube
Badacze komentują, że większość ludzkich wytworów zbudowana jest z betonu, stali i plastiku. To czyni je trwałymi – i rodzi problemy natury ekologicznej. Biologiczne tkanki się rozkładają, ale ewolucja ma 4,5 miliarda lat wprawy w regenerowaniu. Żywe organizmy działają sprawnie przez dziesiątki lat. A gdy przestaną – rozkładają się bez szkody dla środowiska (a raczej z korzyścią dla bakterii czy grzybów). Wynalezione przez naukowców ksenoboty są w pełni biodegradowalne. Gdy wykonają swoją pracę, po siedmiu dniach stają się martwymi komórkami.
Mają też inną zaletę. „Laptop to potężne narzędzie. Ale po przecięciu na pół przestanie działać. W naszych eksperymentach przecinaliśmy ksenoboty niemal na pół. Zrastały się i działały jak przedtem. Tego nie da się zrobić z tradycyjnymi maszynami”. Rzeczywiście, to potrafią tylko żywe organizmy.
Teraz umieją to także ksenoboty. Ale nic w tym dziwnego, bo stworzone są przecież z żywych komórek żaby. Dziwne jest to, że mimo biologicznego pochodzenia nie bardzo wiadomo, czym są.
Zwierzę to czy nie zwierzę?
Czy wirusy, które są w zasadzie skomplikowanymi cząsteczkami zbudowanymi z białek i kwasów nukleinowych, są żywe? Jedni twierdzą, że tak, bo wykazują jedną z podstawowych zdolności żywych organizmów, czyli się rozmnażają. Inni, że są martwe, bo pozbawione wszelkich innych cech organizmów żywych. Nie poruszają się, a do przetrwania pojedynczy wirus nie potrzebuje niczego – w końcu jest tylko skupiskiem chemicznych związków.
Podobną akademicką dysputę można rozpocząć w przypadku stworzonych przez naukowców ksenobotów. Czy są żywe? Niewątpliwie są stworzone z żywych komórek żaby. Ale nie są żabą i jeśli są żywe, to na jakiś „nieżabi” sposób. Na przykład nie mogą się odżywiać, więc po pewnym czasie umierają. Dokładnie tak samo, jak obumarłyby pobrane od żaby komórki na laboratoryjnym szkle.
Czy to, że mogą wykonać jakieś zadanie, na przykład przenieść w wyznaczone miejsce leczniczą substancję, sprawia, że są „robotami”? Za roboty uważa się zwykle maszyny, którymi można sterować. Stworzonym przez naukowców zlepkom żabich komórek, choć poruszają się w rytm skurczów komórek mięśni sercowych, nie można nakazać ruchu w zadanym kierunku (ani nakazać niczego poza poruszaniem się).
Może zbytnio przywiązani jesteśmy do zerojedynkowych etykiet i wrzucania wszystkiego do kategorii „żywe” lub „nieożywione”. Ksenoboty żyją dokładnie tak samo, jak pobrane od żaby lub człowieka komórki „żyją” na laboratoryjnym szkle. Ich czas trwania jest ograniczony.
Ale co się stanie, jeśli ksenobot wyposażony zostanie w układ nerwowy i możliwość odżywiania się? Czy stanie się nowym rodzajem zwierzęcia? Będziemy chcieli go wypuścić na świat? Czy etyczne będzie się go pozbyć?
Łamanie kodu życia
Levin i Bongard komentują, że potencjał ich badań wkracza w nauki obliczeniowe i nasze rozumienie żywych organizmów. Jednym z najtrudniejszych zagadnień w biologii jest zrozumienie obliczeniowych algorytmów rządzących biologicznymi procesami. Genom koduje białka, ale białka nie składają się w żywe komórki spontanicznie. Do powstania komórki potrzebnych jest wiele procesów bioelektrycznych, biochemicznych, a nawet mechanicznych, one też warunkują właściwe funkcjonowanie organizmów. Badacze twierdzą, że wykazali, że można te procesy przeprogramować i stworzyć coś nowego. Złamali, jak twierdzą, „kod morfogenetyczny”.
Jeśli ingeruje się w złożone systemy bez ich zrozumienia, można spodziewać się nieoczekiwanych konsekwencji
Michael Levin, Tufts University
„Jeśli nasze ksenoboty są stworzone w stu procentach z komórek żaby, ale nie są żabami, można zacząć się zastanawiać, co jeszcze takie komórki mogą stworzyć”, pyta Levin. Nie tylko retorycznie. Wielu ludzi obawia się rozwoju biotechnologii – wystarczy przypomnieć protesty przeciw GMO, czyli organizmom modyfikowanym genetycznie.
Levin przyznaje, że obawy dotyczące biotechnologii nie są pozbawione podstaw. „Jeśli ingeruje się w złożone systemy bez ich zrozumienia, można spodziewać się nieoczekiwanych konsekwencji”. Ale, jak twierdzi, ludzkość musi lepiej zrozumieć, jak złożone systemy powstają z prostych reguł. Większość naukowych badań według niego koncentruje się na regułach niższego rzędu. Musimy nauczyć się kontrolować te wyższego rzędu, bardziej złożone. Jak twierdzi naukowiec, „pierwszym krokiem jest badanie, jak żywe systemy decydują o ogólnym zachowaniu i jak można manipulować ich częściami, by otrzymać pożądane rezultaty”. W tym sensie badanie jego zespołu przyczynia się do lepszego zrozumienia złożonych systemów biologicznych – więc zmniejsza ryzyko nieoczekiwanych konsekwencji.
Pieniądze od DARPA
Nawiasem mówiąc, badania, które doprowadziły do stworzenia ksenobotów, finansowała DARPA, amerykańska Agencja Zaawansowanych Projektów Badawczych w Obszarze Obronności. Wykłada ona środki na projekty naukowe, z których znaczna część znajduje później szerokie zastosowania cywilne (bez jej pieniędzy nie byłoby dziś internetu, komputerowej myszy, systemu GPS ani systemów rozpoznawania mowy). DARPA pracuje też nad programem o kryptonimie „Insect Allies” (co można przetłumaczyć jako „Sprzymierzone owady” czy „Owady sprzymierzeńcy”), który bada, jak owady sprawdzą się jako nosiciele wirusów, które mają genetycznie modyfikować rośliny uprawne.
Ciekawostką jest, że badaniem złożonych wzorców w biologii zajmował się też uznawany za ojca sztucznej inteligencji Alan Turing. Był autorem pracy „The Chemical Basis of Morphogenesis”, w której opisał, jak naturalne wzory w organizmach zwierząt mogą powstawać z jednorodnych stanów. Jego teoria reakcji-dyfuzji stała się później jednym z podstawowych modeli morfogenetycznych (czyli powstawania tkanek i narządów) w biologii teoretycznej.
*Wszystkie cytaty za notką prasową University of Vermont