Biorobotter

Ny livsform kryper ut ur skärmen

Vi har trätt in i en ny era av designat liv. Forskare har överlåtit skaparkraften till en dator som har hackat evolutionen och skapat en levande robot. Varelsen består av grodceller men uppför sig inte som något som finns i naturen.

Vi har trätt in i en ny era av designat liv. Forskare har överlåtit skaparkraften till en dator som har hackat evolutionen och skapat en levande robot. Varelsen består av grodceller men uppför sig inte som något som finns i naturen.

claus lunau & Shutterstock

En stor samling varelser knappt en millimeter stora far runt i petriskålen. En del av de mjuka varelserna ser ut att ha armar och ben medan andra påminner om avlånga, snigelliknande varelser.

Men de har inga armar och ben, och vid en närmare anblick ser de faktiskt inte ut som sniglar. De påminner inte om något vi har sett förut – och de millimetersmå varelserna har inte heller skapats av naturen.

De har utvecklats och designats av en dator som har hoppat över Darwin, snabbat upp sin egen digitala evolutionsprocess och levererat ett färdigt recept på en ny art av levande robotar som består av 100 procent naturliga celler. Sedan har forskare avslutat utformningen av varelserna baserat på datorns anvisningar.

En superdator har snabbkört igenom en digital evolutionsprocess med virtuella mutationer och hittat de bäst lämpade organismerna för olika uppgifter. Resultatet är varken robot eller biologi – det är en ny, programmerad livsform.

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

1. Groda levererar byggklossar

Forskare kodar in byggklossar som är digitala representationer av hjärt- (röd kloss) och hudceller (blå kloss) från en afrikansk klogroda. De anger också ett syfte, till exempel ”organismen ska röra sig snabbt”. Datorn tar därefter fram 50 olika varelser som kan uppfylla syftet.

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

2. Evolution utspelar sig i data

50 nya variationer skapas med de 50 första som förlaga. Nu testas de 100 ”djuren”. De 50 bästa, i det här fallet snabbaste, väljs ut och datorn gör 50 variationer av dem. Den nya gruppen på 100 testas och återigen väljs de 50 bästa ut. Processen upprepas tusen gånger.

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

3. Forskare tar celler från foster

Datorn väljer ut den bäst lämpade kandidaten för att lösa uppgiften och nu går livsformen från att vara en rent digital skapelse till en verklig varelse: Forskare tar celler från grodfoster. Cellerna växer ihop till kulformiga organismer med lager av rörliga och orörliga celler. (Till vänster syns hud- och hjärtceller och till höger syns en självständig organism.)

Levende robotter bliver skulpteret i petriskål
© claus lunau & Brian Gratwicke & Douglas Blackiston/Sam Kriegman & shutterstock

4. Levande robotar skulpteras i en petriskål

Forskare skär till organismerna. Med verktyg som bland annat används för mikrokirurgi tar de bort vävnad för att få fram den form som datorn har tänkt ut. Nu gör skapelserna de fysiska rörelser som
datorns simuleringar visat att de skulle göra.

Resultatet är en helt ny livsform som varken är en naturlig varelse av kött och blod eller en robot styrd av mikrochips utan något mittemellan – en organism som har programmerats: Biobotar.

Forskarna bakom biobotarna, från bland annat Tuft University och Harvard University, har också döpt de små varelserna till Computer Designed Organisms (CDO).

Så kallade biobotar är en helt ny typ av datorskapad livsform som varken är robot eller biologi utan något mittemellan.

Varelserna består av hudceller och hjärtceller från Xenopus laevis-grodan, men de uppför sig inte längre som hudceller eller hjärtceller.

Datorn har gett cellerna nya uppgifter i de levande robotarna som rör sig runt i petriskålarna trots att de inte har tillstymmelse till hjärna eller intelligens.

De mystiska biobotarna kan flytta runt på saker, samarbeta om uppgifter och till och med läka sig själva om de blir skadade – och kanske kan de en dag lösa stora miljöproblem, som att ta bort mikroplast från världens hav eller röja undan farligt kärnavfall.

Det är inte bara praktiska uppgifter som biobotarna potentiellt kan lösa. De kan också hjälpa forskarna att förstå hur celler kommunicerar med varandra och växer till organismer.

Det förklarar Michael Levin, en av de ledande forskarna bakom biotbot-projektet, för Illustrerad Vetenskap.

Robot fra Sorbonne Universitet

Forskare från bland annat Sorbonne utvecklade en algoritm för att lösa utmaningen i att en robot skadade sina ben. Algoritmen föreslog en lösning som forskarna inte tänkt på: Roboten ska lägga sig ”på ryggen” och röra sig med sina ”armbågar”.

© Antoine Cully/Pierre and Marie Curie University

Med den kunskapen om celler, säger Levin, kan forskarna i princip ”bygga” vad som helst med vilka celler som helst. Och om allt kan designas av en digital Darwin och byggas i laboratoriet kan sjukdomar – och till och med allmänt åldrande – vara ett minne blott.

Forskare skapar livsformer

Jordens organismer är skapade genom flera miljoner års evolution. För varje art har de mest livsdugliga varianterna – antal armar, smidighet eller intelligens – överlevt och förfinats genom oändliga mutationer och producerat de som finns i dag.

Men tänk om vi inte behövde vänta flera miljoner år på att se nya arter bildas genom naturlig evolution – tänk om vi själva kunde skapa dem i laboratoriet? Den frågan har människan ställt sig själv i många år.

Tänk bara på Mary Shelleys 200 år gamla historia om doktor Frankensteins monster, en skräckinjagande livsform skapad av död vävnad som på ett mystiskt sätt väcktes till liv av doktorn.

Under de senaste 20 åren har önskan att skapa syntetiskt liv gått från rena fantasier till forskarnas laboratoriebord.

Genforsker J. Craig Venter

J. Craig Venter skapade 2010 nytt liv i laboratoriet när han satte in syntetiskt dna i en cell som började uppföra sig enligt den artificiella dna-koden.

© David S. Holloway/Getty Images

EnEtt forskarteam lett av den amerikanske genetikexperten J. Craig Venter skapade en artificiell dna-kod som de satte in i en befintlig cell. Den förändrade nu sitt beteende och följde den insatta dna-koden.

Därmed hade forskarna skapat historiens första exempel på syntetiskt liv – designat och ”programmerat” i ett laboratorium.

Sedan dess har forskare gjort åtskilliga försök med allt från syntetiskt rna till hybridvarelser som består av mekanik som kombinerats med naturliga celler. Biobotarna är dock något helt nytt.

Se biobotarna skapas i laboratoriet

Alla tidigare livsformer skapade i laboratorier har tänkts ut och designats av forskare. Människor har alltså tagit fram detaljerade planer för hur deras egna ”monster” skulle uppföra sig när de väcktes till liv.

De nya biobotarna har däremot programmerats av en dator och forskarna har bara följt datorns recept för att skapa varelserna i petriskålar.

Nya varelser växer fram i forskarnas petriskålar

Forskare har de senaste 20 åren skapat flera nya livsformer i laboratoriet, men där syntetiskt liv hittills designats av kemister och biologer har de så kallade biobotarna ”tänkts ut” av en dator som har gett celler nya uppgifter.

Digital evolution på 20 timmar

En ny livsform skapas utifrån några få grundläggande byggstenar – i biobotarnas fall celler från den afrikanska klogrodan. Det första steget i det banbrytande projektet var att beskriva två typer av celler från grodan – hudceller och hjärtceller – som datakoder.

Hudcellernas grundläggande egenskap i naturen är att skydda grodans inre mot bland annat infektioner utifrån, och dessa celler kan inte röra sig. Hjärtcellernas uppgift i naturen är att pumpa runt blod i grodans kropp, och de kan därför dra ihop sig och skapa rörelse.

De två grundläggande egenskaperna, orörlighet och rörlighet, kopplades till cellerna som datorn sedan använde som 3D-byggklossar. Slutligen knappade forskarna in ett överordnat syfte, till exempel ”snabb rörelse i en rät linje från punkt A till punkt B”, och så inleddes evolutionen – skriven i ettor och nollor.

Datorn arbetade med en så kallad evolutionär algoritm och kör sin egen, snabbare version av naturens mutationer. Det tog till exempel bara cirka 20 timmar att utveckla en biobot medan forskare från Oregon State University har kommit fram till att det tar en miljon år för en väsentlig mutation, till exempel en ny kroppsstorlek, att bli en beständig egenskap hos en art.

Datorrevolutionen började för varje enskilt syfte, till exempel styrka eller hastighet, att bygga 50 slumpmässigt komponerade biobotar. Dessa 50 ”designer” skapades i en simulerad 3D-värld där algoritmen kan bygga, testa, vidareutveckla och finjustera biobotarna.

Därefter utvecklade datorn 50 nya biobotar som liknade de ursprungliga 50 biobotarna, men som hade försetts med pyttesmå mutationer och variationer i sammansättningen av byggklossarna.

10 000 celler från grodfoster bildar tillsammans en av de så kallade biobotarna.

De 100 biobotarna testades sedan i en datorsimulering, till exempel snabbhet över en petriskål. De 50 snabbaste biobotarna valdes ut medan de andra 50 kasserades. Därmed hade datorn kommit fram till en ny generation av de bäst lämpade biobotarna.

Utifrån denna generation designade datorn 50 nya biobotar med små mutationer så att det totala antalet återigen blev 100. I ett nytt test utsågs de 50 snabbaste till ”vinnare” medan de 50 långsammaste sorterades bort. Så fortsatte evolutionen i 1 000 generationer.

Superdatorn som skapade biobotarna genomförde evolutionsprocessen för 100 olika varianter av de små levande robotarna. När den digitala evolutionen var färdig kunde biologer från Tuft University börja skapa varelserna med verkliga grodceller.

Först tog de hud- och hjärtstamceller från foster av den afrikanska klogrodan. Cellerna sattes ihop i små bollar och fick växa genom celldelning. När de växt till 10 000 celler med växlande lager av hudceller och hjärtceller började forskarna skulptera varelserna efter datorns recept.

Under ett mikroskop använde de pincetter och elektroder som normalt används för mikrokirurgi för att ta bort celler och närma sig datorns ”blueprint” så mycket som möjligt. Ungefär hälften av cellerna skars bort från varje biobot.

Computersimulationer

Datorsimuleringar visade till forskarnas förvåning att olika typer av så kallade biobotar kan samarbeta trots att de inte har några hjärnor. Principen testades i en petriskål med rosa färgpartiklar där biobotarna samlade in färgpartiklarna i en hög.

© Douglas Blackiston/Sam Kriegman

10 000 celler samlar plast

Biobotarna började uppföra sig som datorn hade förutspått. En del rörde sig i räta linjer och några i cirklar medan andra tillfälligt gick ihop och arbetade parvis för att lösa uppgifter.

Kopplingarna skedde spontant när biobotarna kolliderade med varandra och ”samarbetet” var ett beteende som datorn till forskarnas förvåning hade utvecklat i simuleringen.

Det såg till och med ut som att en grupp biobotar tillsammans kunde samla in partiklar. Forskarna testade det digitala beteendet i verkligheten genom att fylla en petriskål med färgpartiklar och biobotar.

Mycket riktigt samlade en grupp av biobotar in färgämnet i en hög. Resultatet ger forskarna hopp om att biobotarna en dag ska kunna lösa ett av vår tids stora miljöproblem och samla in partiklar av mikroplast i haven.

Biobotar kan hjälpa till med läkning

Biobotarnas förmåga att manipulera små föremål kan också komma till nytta i andra sammanhang. En typ av biobot har till exempel fått ett hål i mitten.

Hålet har tagits fram av datorn i syfte att lösa uppgiften ”rörelse med minsta möjliga friktion i en vätska”. Men tack vara små mutationer visade det sig att hålet också kan användas till att transportera små objekt.

Forskarna såg omedelbart nya möjligheter: En biobot skulle till exempel kunna transportera in nanopartiklar med cancermedicin i en cancerpatients kropp och möjliggöra exakt behandling av sjuka celler utan att skada den omkringliggande vävnaden som brukar vara fallet vid traditionell kemoterapi.

Eftersom biobotar är mindre än en millimeter stor och bryts ned naturligt efter ungefär en vecka kan de bli kroppens nya budbärare och leverera små doser av medicin till olika platser i kroppen.

Andra biobotar med förmågan att knuffa på föremål skulle kunna användas för att ta bort åderförkalkningar från patienters blodkärl.

De så kallade biobotarna innehåller fetter och proteiner som ger dem en livslängd på cirka en vecka. Under den tiden kan de till exempel samla in mikroplaster i havet eller leverera cancermedicin i kroppen. Därefter bryts de ned naturligt.

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

Tar bort plastavfall från världens hav

Olika typer av biobotar kan gå ihop och samarbeta. Därmed kan de lösa en uppgift mer effektivt – till exempel knuffa in små partiklar mot samma område. Forskare menar därför att biobotarna, som själva snabbt bryts ned i naturen, kan samla in mikroplast i haven.

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

Lösgör kalcium från blodkärl

En typ av biobot har en form som påminner om en trekant med ett litet hack i ena hörnet. Hacket fungerar som en gripmekanism som den kan hålla små objekt med och knuffa dem åt något håll. Därför före-slår forskarna att biobotar till exempel ska rensa blodkärl från kalcium.

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

Levererar medicin till cancerpatienter

En del biobotar har ett hål i mitten som minskar friktionen mot omgivande vätska, men hålet kan modifieras så att bioboten kan transportera små föremål. Därmed kan en biobot föra in nanopartiklar med cancermedicin i kroppen och leverera den till cancerdrabbade celler.

Självläkande biobotar

Utöver att röra sig kan biobotarna också läka sig själva. Det upptäckte forskarna när de hade tagit upp ett hål i en av varelserna med en pincett, varefter nya celler växte fram och slöt hålet.

Förmågan att läka sig själv står högt på önskelistan hos forskare och företag som utvecklar robotar som ska arbeta mer på egen hand än vad de gör i dag.

Om en robot till exempel håller på att röja upp i ett katastrofområde efter en kärnkraftsolycka och får en skada kan det spara mycket tid om den reparerar sig själv i stället för att behöva vänta på assistans från sin mänskliga tekniker.

Forskarna försökte dessutom vända en av biobotarna på rygg varefter den nästan helt förlorade sin rörelseförmåga. Det stämde väl överens med resultaten från datorsimuleringen.

Därmed stod det klart att sambandet mellan biobotarnas beteende i den digitala och den analoga världen inte bara var en slump.

Det här extra testet bevisade alltså att datorn verkligen hade skapat en ny livsform som uppförde sig exakt som den var programmerad.

Ny livsform ger ny era

Biobotarna markerar därmed inledningen på en ny tidsålder för datordesignat liv. Det har nu bevisats att en dator kan producera organismer som människor inte kunnat förutsäga, trots att forskarna själva har lagt fram riktlinjerna för dem.

Med biobotarna kan forskare skapa nya organismer som datorer sedan utvecklar genom digital evolution. Det mest banbrytande är faktiskt inte heller vilka uppgifter som biobotarna kan lösa, utan handlar i stället om den kunskap som de kan ge oss om celler.

Det förklarar forskaren Michael Levin. Med hjälp av evolutionära algoritmer säger han att vi ska kunna få hjälp att förstå cellerna i människokroppen under dess allra första tid av utveckling.

”Den stora frågan är hur celler kan samarbeta för att bygga komplexa och fungerande kroppar under fostrets utveckling. Hur vet de vad de ska bygga och vilka signaler utväxlar de för att bygga dessa anatomier – och sluta vid exakt rätt tidpunkt? Det är viktigt – inte bara för att förstå evolutionen av kroppens former och arvsmassans funktioner, utan för all form av biomedicin”, säger Michael Levin.

Om forskarna får svar på de här frågorna öppnar sig en ny värld av datordesignade organismer – eller till exempel kroppsdelar. Ta som exempel smittsamma sjukdomar, säger Michael Levin.

”Det handlar om kontroll över anatomin”, säger han och förklarar att om vi kan designa biologisk vävnad kan vi också reparera vad vi vill.

Vi kan bota miss-bildningar hos spädbarn, programmera om cancertumörer till vanlig vävnad och ”lära” kroppen att regenereras efter olyckor.

Inte ens döden kommer längre att vara något oundvikligt, för om datorer designar vävnaden i kroppen till att regenereras löpande kommer vi då ens att åldras över huvud taget? Biobotarna, menar Michael Levin, är ett viktigt första steg på vägen mot dessa svindlande framtidsutsikter.