Η ομάδα κατασκευάζει τα πρώτα ζωντανά ρομπότ που μπορούν να αναπαραχθούν


Οι οργανισμοί που έχουν σχεδιαστεί με AI (σχήματος C) σπρώχνουν χαλαρά βλαστοκύτταρα (λευκά) σε σωρούς καθώς κινούνται στο περιβάλλον τους. Συντελεστές: Douglas Blackiston και Sam Kriegman

Του Joshua Brown, University of Vermont Communications

Για να επιμείνει, η ζωή πρέπει να αναπαραχθεί. Κατά τη διάρκεια δισεκατομμυρίων ετών, οι οργανισμοί έχουν εξελίξει πολλούς τρόπους αντιγραφής, από εκκολαπτόμενα φυτά έως σεξουαλικά ζώα έως εισβολείς ιών.

Τώρα, επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο του Βερμόντ, στο Πανεπιστήμιο Tufts και στο Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ ανακάλυψαν μια εντελώς νέα μορφή βιολογικής αναπαραγωγής – και εφάρμοσαν την ανακάλυψή τους για να δημιουργήσουν τα πρώτα, αυτοαναπαραγόμενα ζωντανά ρομπότ.

Η ίδια ομάδα που κατασκεύασε τα πρώτα ζωντανά ρομπότ («Xenobots», συναρμολογημένα από κελιά βατράχου—αναφέρθηκε το 2020) ανακάλυψε ότι αυτοί οι οργανισμοί σχεδιασμένοι από υπολογιστή και συναρμολογημένοι στο χέρι μπορούν να κολυμπήσουν στο μικροσκοπικό τους πιάτο, να βρουν μεμονωμένα κύτταρα, να συγκεντρώσουν εκατοντάδες από αυτά μαζί και να συναρμολογήσουν «μωρά» Xenobot μέσα στο «στόμα» τους σε σχήμα Pac-Man ”—που, λίγες μέρες αργότερα, γίνονται νέα Xenobots που μοιάζουν και κινούνται όπως και οι ίδιοι.

Και τότε αυτά τα νέα Xenobots μπορούν να βγουν έξω, να βρουν κελιά και να δημιουργήσουν αντίγραφα του εαυτού τους. Ξανά και ξανά.

«Με τον σωστό σχεδιασμό—θα αυτοαναπαραχθούν αυθόρμητα», λέει ο Joshua Bongard, Ph.D., επιστήμονας υπολογιστών και ειδικός στη ρομποτική στο Πανεπιστήμιο του Βερμόντ, ο οποίος ήταν συνεπικεφαλής της νέας έρευνας.

Τα αποτελέσματα της νέας έρευνας δημοσιεύτηκαν στο Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών.

Στο Άγνωστο

Σε ένα Xenopus laevis βατράχου, αυτά τα εμβρυϊκά κύτταρα θα εξελιχθούν σε δέρμα. «Θα κάθονταν στο εξωτερικό ενός γυρίνου, κρατώντας μακριά τα παθογόνα και αναδιανέμοντας τη βλέννα», λέει. Μάικλ Λέβιν, Ph.D., καθηγητής βιολογίας και διευθυντής του Allen Discovery Center στο Πανεπιστήμιο Tufts και συνεπικεφαλής της νέας έρευνας. «Αλλά τα βάζουμε σε ένα νέο πλαίσιο. Τους δίνουμε την ευκαιρία να ξανασκεφτούν την πολυκυτταρικότητά τους». Ο Levin είναι επίσης μέλος ΔΕΠ στο Wyss Institute.

Καθώς οι «γονείς» Xenobot σε σχήμα Pac κινούνται στο περιβάλλον τους, συλλέγουν χαλαρά βλαστοκύτταρα στο «στόμα» τους, τα οποία, με την πάροδο του χρόνου, συγκεντρώνονται για να δημιουργήσουν «απογόνους» Xenobot που εξελίσσονται για να μοιάζουν ακριβώς με τους δημιουργούς τους. Συντελεστές: Doug Blackiston και Sam Kriegman

Και αυτό που φαντάζονται είναι κάτι πολύ διαφορετικό από το δέρμα. «Οι άνθρωποι πίστευαν για πολύ καιρό ότι έχουμε βρει όλους τους τρόπους με τους οποίους η ζωή μπορεί να αναπαραχθεί ή να αναπαραχθεί. Αλλά αυτό είναι κάτι που δεν έχει παρατηρηθεί ποτέ πριν», λέει ο συν-συγγραφέας Douglas Blackiston, Ph.D., ο ανώτερος επιστήμονας στο Πανεπιστήμιο Tufts και το Ινστιτούτο Wyss που συγκέντρωσε τους «γονείς» Xenobot και ανέπτυξε το βιολογικό μέρος της νέας μελέτης.

«Αυτό είναι βαθύ», λέει ο Λέβιν. «Αυτά τα κύτταρα έχουν το γονιδίωμα ενός βατράχου, αλλά, χωρίς να γίνουν γυρίνοι, χρησιμοποιούν τη συλλογική τους νοημοσύνη, μια πλαστικότητα, για να κάνουν κάτι εκπληκτικό». Σε προηγούμενα πειράματα, οι επιστήμονες ήταν έκπληκτοι που τα Xenobots μπορούσαν να σχεδιαστούν για να επιτύχουν απλές εργασίες. Τώρα είναι έκπληκτοι που αυτά τα βιολογικά αντικείμενα —μια συλλογή κυττάρων σχεδιασμένη από υπολογιστή— θα αναπαραχθούν αυθόρμητα. «Έχουμε το πλήρες, αναλλοίωτο γονιδίωμα βατράχου», λέει ο Levin, «αλλά δεν έδωσε καμία ένδειξη ότι αυτά τα κύτταρα μπορούν να συνεργαστούν σε αυτό το νέο έργο», τη συλλογή και στη συνέχεια τη συμπίεση των διαχωρισμένων κυττάρων σε λειτουργικά αυτοαντίγραφα.

«Αυτά είναι κύτταρα βατράχου που αναπαράγονται με τρόπο που είναι πολύ διαφορετικός από τον τρόπο που το κάνουν οι βάτραχοι. Κανένα ζώο ή φυτό που είναι γνωστό στην επιστήμη δεν αναπαράγεται με αυτόν τον τρόπο», λέει ο Sam Kriegman, Ph.D., ο κύριος συγγραφέας της νέας μελέτης, ο οποίος ολοκλήρωσε το διδακτορικό του. στο εργαστήριο του Bongard στο UVM και τώρα είναι μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Tuft’s Allen Center και στο Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ.

Από μόνο του, ο γονέας Xenobot, που αποτελείται από περίπου 3.000 κύτταρα, σχηματίζει μια σφαίρα. «Αυτά μπορεί να κάνουν παιδιά, αλλά το σύστημα συνήθως πεθαίνει μετά από αυτό. Είναι πολύ δύσκολο, στην πραγματικότητα, να κάνεις το σύστημα να συνεχίσει να αναπαράγεται», λέει ο Kriegman. Αλλά με ένα πρόγραμμα τεχνητής νοημοσύνης που εργάζεται στο σύμπλεγμα υπερυπολογιστών Deep Green στο Βερμόντ της UVM Advanced Computing Core, ένας εξελικτικός αλγόριθμος μπόρεσε να δοκιμάσει δισεκατομμύρια σχήματα σώματος σε προσομοίωση -τρίγωνα, τετράγωνα, πυραμίδες, αστερίες- για να βρει αυτά που επέτρεπαν στα κύτταρα να είναι πιο αποτελεσματικά στην «κινηματική» αναπαραγωγή που βασίζεται στην κίνηση που αναφέρεται στη νέα έρευνα.

«Ζητήσαμε από τον υπερυπολογιστή στο UVM να καταλάβει πώς να προσαρμόσει το σχήμα των αρχικών γονέων και η τεχνητή νοημοσύνη κατέληξε σε μερικά παράξενα σχέδια μετά από μήνες φυγής, συμπεριλαμβανομένου ενός που έμοιαζε με το Pac-Man», λέει ο Kriegman. «Είναι πολύ μη διαισθητικό. Φαίνεται πολύ απλό, αλλά δεν είναι κάτι που θα σκεφτόταν ένας ανθρώπινος μηχανικός. Γιατί ένα μικροσκοπικό στόμα; Γιατί όχι πέντε; Στείλαμε τα αποτελέσματα στον Νταγκ και κατασκεύασε αυτά τα γονικά Xenobots σε σχήμα Pac-Man. Τότε αυτοί οι γονείς έφτιαξαν παιδιά, που έφτιαξαν εγγόνια, που έφτιαξαν δισέγγονα, που έφτιαξαν δισέγγονα». Με άλλα λόγια, ο σωστός σχεδιασμός επέκτεινε πολύ τον αριθμό των γενεών.

Ο κινηματικός αναδιπλασιασμός είναι πολύ γνωστός σε επίπεδο μορίων—αλλά δεν έχει παρατηρηθεί ποτέ στο παρελθόν στην κλίμακα ολόκληρων κυττάρων ή οργανισμών.

Ένας «γονικός» οργανισμός σχεδιασμένος με AI (σχήμα C, κόκκινο) δίπλα στα βλαστοκύτταρα που έχουν συμπιεστεί σε μια μπάλα («απόγονος»; πράσινο). Συντελεστές: Douglas Blackiston και Sam Kriegman

«Ανακαλύψαμε ότι υπάρχει αυτός ο προηγουμένως άγνωστος χώρος μέσα σε οργανισμούς, ή ζωντανά συστήματα, και είναι ένας τεράστιος χώρος», λέει ο Bongard. «Πώς θα πάμε να εξερευνήσουμε αυτόν τον χώρο; Βρήκαμε Xenobots που περπατούν. Βρήκαμε Xenobots που κολυμπούν. Και τώρα, σε αυτή τη μελέτη, βρήκαμε Xenobots που αναπαράγονται κινηματικά. Τι άλλο υπάρχει εκεί έξω;»

Ή, όπως γράφουν οι επιστήμονες στο Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών μελέτη: «Η ζωή κρύβει εκπληκτικές συμπεριφορές ακριβώς κάτω από την επιφάνεια, που περιμένουν να αποκαλυφθούν».

Ανταπόκριση στον κίνδυνο

Μερικοί άνθρωποι μπορεί να το βρουν αυτό συναρπαστικό. Άλλοι μπορεί να αντιδράσουν με ανησυχία, ή ακόμη και με τρόμο, στην ιδέα μιας αυτοαναπαραγόμενης βιοτεχνολογίας. Για την ομάδα των επιστημόνων, ο στόχος είναι η βαθύτερη κατανόηση.

«Εργαζόμαστε για να κατανοήσουμε αυτήν την ιδιότητα: την αναπαραγωγή. Ο κόσμος και οι τεχνολογίες αλλάζουν ραγδαία. Είναι σημαντικό, για την κοινωνία ως σύνολο, να μελετήσουμε και να κατανοήσουμε πώς λειτουργεί αυτό», λέει ο Bongard. Αυτές οι ζωντανές μηχανές μεγέθους χιλιοστού, που περιέχονται εξ ολοκλήρου σε ένα εργαστήριο, σβήνονται εύκολα και ελέγχονται από ομοσπονδιακούς, κρατικούς και θεσμικούς εμπειρογνώμονες ηθικής, «δεν είναι αυτά που με κρατούν ξύπνιο τη νύχτα. Αυτό που παρουσιάζει κίνδυνο είναι η επόμενη πανδημία. επιτάχυνση της καταστροφής του οικοσυστήματος από τη ρύπανση· εντεινόμενες απειλές από την κλιματική αλλαγή», λέει ο Bongard της UVM. «Αυτό είναι ένα ιδανικό σύστημα στο οποίο μπορείτε να μελετήσετε αυτοαναπαραγόμενα συστήματα. Έχουμε ηθική επιταγή να κατανοήσουμε τις συνθήκες κάτω από τις οποίες μπορούμε να το ελέγξουμε, να το κατευθύνουμε, να το καταπνίξουμε, να το μεγαλοποιήσουμε».

Ο Bongard επισημαίνει την επιδημία του COVID και το κυνήγι για ένα εμβόλιο. «Η ταχύτητα με την οποία μπορούμε να παράγουμε λύσεις έχει μεγάλη σημασία. Εάν μπορούμε να αναπτύξουμε τεχνολογίες, μαθαίνοντας από τα Xenobots, όπου μπορούμε να πούμε γρήγορα στην τεχνητή νοημοσύνη: «Χρειαζόμαστε ένα βιολογικό εργαλείο που κάνει τα X και Y και καταστέλλει το Z», — αυτό θα μπορούσε να είναι πολύ ωφέλιμο. Σήμερα, αυτό διαρκεί πάρα πολύ χρόνο». Η ομάδα στοχεύει να επιταχύνει το πόσο γρήγορα οι άνθρωποι μπορούν να περάσουν από τον εντοπισμό ενός προβλήματος στη δημιουργία λύσεων – «όπως η ανάπτυξη ζωντανών μηχανών για την εξαγωγή μικροπλαστικών από τους υδάτινους δρόμους ή την κατασκευή νέων φαρμάκων», λέει ο Bongard.

«Πρέπει να δημιουργήσουμε τεχνολογικές λύσεις που αναπτύσσονται με τον ίδιο ρυθμό με τις προκλήσεις που αντιμετωπίζουμε», λέει ο Bongard.

Και η ομάδα βλέπει πολλά υποσχόμενα στην έρευνα για προόδους προς την αναγεννητική ιατρική. «Αν ξέραμε πώς να πούμε σε συλλογές κυττάρων να κάνουν αυτό που θέλαμε να κάνουν, τελικά, αυτή είναι η αναγεννητική ιατρική – αυτή είναι η λύση για τραυματικούς τραυματισμούς, γενετικές ανωμαλίες, καρκίνο και γήρανση», λέει ο Levin. «Όλα αυτά τα διαφορετικά προβλήματα είναι εδώ γιατί δεν ξέρουμε πώς να προβλέψουμε και να ελέγξουμε ποιες ομάδες κυττάρων πρόκειται να δημιουργήσουν. Τα Xenobots είναι μια νέα πλατφόρμα για να μας διδάξουν.”

Οι επιστήμονες πίσω από τα Xenobots συμμετείχαν σε μια ζωντανή συζήτηση την 1η Δεκεμβρίου 2021 για να συζητήσουν τις τελευταίες εξελίξεις στην έρευνά τους. Πίστωση: Ινστιτούτο Wyss στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ

ετικέτες: , ,



Ινστιτούτο Wyss
χρησιμοποιεί τις αρχές σχεδιασμού της Nature για την ανάπτυξη βιοεμπνευσμένων υλικών και συσκευών που θα μεταμορφώσουν την ιατρική και θα δημιουργήσουν έναν πιο βιώσιμο κόσμο.

Το Ινστιτούτο Wyss χρησιμοποιεί τις αρχές σχεδιασμού της Nature για να αναπτύξει βιοεμπνευσμένα υλικά και συσκευές που θα μεταμορφώσουν την ιατρική και θα δημιουργήσουν έναν πιο βιώσιμο κόσμο.



Source link

By koutsobolis

koutsobolis.com

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται.