Our website does not support Internet Explorer.

To get the best experience on our website and of our content, please use a more modern browser like Edge, Chrome, Safari or similar.

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.

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.

Digitalt liv vaknar i petriskålen

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.

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.

Hudceller og hjerteceller

BIOBOTAR är datorskapad biologi

Biobotar består av celler från den afrikanska klogrodan. I naturen skyddar hudceller (blå) grodans inre medan hjärtceller (röd) pumpar runt blod. En biobot uppför sig i stället som en robot – cellerna utför uppgifter som programmerats av datorn.

ImageSelect & Allan Wiechmann
Cyborg

CYBORG korsar biologi och mekanik

Denna simmande rocka har skapats i laboratoriet på Harvard University. Kroppen består av silikon beklädd med flera lager hjärtceller – totalt har 200 000 celler från en råttas hjärta använts för att fungera som robotens muskler.

Michael Rosnach
Molekylemaskine

MOLEKYLROBOT kan driva motorer

Forskare har skapat så kallade molekylmaskiner, som är avlånga molekyler. De har en ringformig struktur som kan programmeras till att röra sig fram och tillbaka längs molekylen. Rörelsen kan till exempel frigöra energi som kan driva motorer.

ACS Nano

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.

Levande robotar städar upp och levererar medicin

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.

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.

Läs också:

Logga in

Ogiltig e-postadress
Lösenord behövs
Visa Dölj

Redan prenumerant? Prenumererar du redan på tidningen? Klicka här

Ny användare? Få åtkomst nu!

Nollställ lösenord.

Skriv in din e-postadress, så skickar vi anvisningar om hur du återställer ditt lösenord.
Ogiltig e-postadress

Kontrollera din e-post

Vi har skickat ett e-postmeddelande till med instruktioner om hur du återställer ditt lösenord. Kontrollera ditt skräppostfilter om meddelandet inte har kommit.

Uppge nytt lösenord.

Skriv in ett nytt lösenord. Lösenordet måste ha minst 6 tecken. När du har upprättat ditt lösenord blir du ombedd att logga in.

Lösenord behövs
Visa Dölj