Jetzt hat ein Team von Wissenschaftlern lebende Zellen – aus Froschembryos abgekratzt – wiederverwendet und sie zu völlig neuen Lebensformen zusammengesetzt. Diese millimetergroßen „Xenobots“ können sich auf ein Ziel zubewegen, vielleicht eine Nutzlast aufnehmen (wie ein Medikament, das an einen bestimmten Ort im Inneren eines Patienten getragen werden muss) – und sich selbst heilen, nachdem sie geschnitten wurden.

„Das sind neuartige lebende Maschinen“, sagt Joshua Bongard, Informatiker und Robotikexperte an der University of Vermont, der die neue Forschung mit leitete. „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 leisten können“, sagt Co-Leiter Michael Levin, der das Center for Regenerative and Developmental Biology in Tufts leitet, „wie die Suche nach schädlichen Verbindungen oder radioaktiver Kontamination, das Sammeln von Mikroplastik in den Ozeanen, reisen in Arterien, um Plaque zu entfernen.“

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

Maßgeschneiderte Wohnsysteme

Mindestens seit den Anfängen der Landwirtschaft manipulieren Menschen Organismen zum Nutzen des Menschen, die genetische Bearbeitung ist weit verbreitet, und in den letzten Jahren wurden einige künstliche Organismen manuell zusammengesetzt – indem die Körperformen bekannter Tiere kopiert wurden.

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

Mit monatelanger Verarbeitungszeit auf dem Supercomputer-Cluster Deep Green im Vermont Advanced Computing Core von UVM verwendete das Team – einschließlich des Hauptautors und Doktoranden Sam Kriegman – einen evolutionären Algorithmus, um Tausende von Kandidatendesigns für die neuen Lebensformen zu erstellen. Bei dem Versuch, eine von den Wissenschaftlern zugewiesene Aufgabe zu erfüllen – wie die Fortbewegung in eine Richtung – würde der Computer immer wieder ein paar hundert simulierte Zellen zu unzähligen Formen und Körperformen zusammensetzen. Während die Programme liefen – getrieben von grundlegenden Regeln der Biophysik, was einzelne Froschhaut und Herzzellen bewirken können – wurden die erfolgreicheren simulierten Organismen behalten und verfeinert, während fehlgeschlagene Designs verworfen wurden. Nach hundert unabhängigen Durchläufen des Algorithmus wurden die vielversprechendsten Designs zum Testen ausgewählt.

Dann übertrug das Team von Tufts unter der Leitung von Levin und mit Schlüsselarbeit des Mikrochirurgen Douglas Blackiston die In-Silico-Designs ins Leben. Zuerst sammelten sie Stammzellen, die aus den Embryonen afrikanischer Frösche, der Art, geerntet wurden Xenopus laevis. (Daher der Name „Xenobots“.) Diese wurden in einzelne Zellen getrennt und zum Inkubieren gelassen. Dann wurden die Zellen mit einer winzigen Pinzette und einer noch winzigeren Elektrode geschnitten und unter einem Mikroskop so zusammengefügt, dass sie den vom Computer vorgegebenen Mustern sehr nahe kamen.

Zu Körperformen zusammengesetzt, die man in der Natur noch nie gesehen hatte, begannen die Zellen zusammenzuarbeiten. Die Hautzellen bildeten eine passivere Architektur, während die einst zufälligen Kontraktionen der Herzmuskelzellen dazu dienten, eine geordnete Vorwärtsbewegung zu erzeugen, die vom Design des Computers gesteuert und von spontanen selbstorganisierenden Mustern unterstützt wurde – was es den Robotern ermöglichte, sich auf ihrem zu bewegen eigen.

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, angetrieben von embryonalen Energiespeichern. Umgedreht versagten sie jedoch, wie Käfer, die sich auf den Rücken schlagen.

Spätere Tests zeigten, dass sich Gruppen von Xenobots im Kreis bewegen und Pellets an einen zentralen Ort schieben – spontan und kollektiv. Andere wurden mit einem Loch in der Mitte gebaut, um den Luftwiderstand zu verringern. In simulierten Versionen davon konnten die Wissenschaftler dieses Loch als Beutel umfunktionieren, um erfolgreich ein Objekt zu tragen. „Es ist ein Schritt in Richtung der Verwendung computerdesignter Organismen für die intelligente Arzneimittelabgabe“, sagt Bongard, Professor am Department of Computer Science and Complex Systems Center des UVM.

Lebendige Technologien

Viele Technologien bestehen aus Stahl, Beton oder Kunststoff. Das kann sie stark oder flexibel machen. Aber sie können auch ökologische und menschliche Gesundheitsprobleme verursachen, wie die wachsende Geißel der Plastikverschmutzung in den Ozeanen und die Toxizität vieler synthetischer Materialien und Elektronik. „Der Nachteil von lebendem Gewebe ist, dass es schwach ist und sich zersetzt“, sagt Bongard. „Deshalb verwenden wir Stahl. Aber Organismen haben 4.5 Milliarden Jahre Übung darin, sich selbst zu regenerieren, und das über Jahrzehnte.“ Und wenn sie aufhören zu arbeiten – Tod – fallen sie normalerweise harmlos auseinander. „Diese Xenobots sind vollständig biologisch abbaubar“, sagt Bongard, „wenn sie nach sieben Tagen mit ihrer Arbeit fertig sind, sind sie nur noch abgestorbene Hautzellen.“

Ihr Laptop ist eine leistungsstarke Technologie. Aber versuchen Sie, es in zwei Hälften zu schneiden. Funktioniert nicht so gut. In den neuen Experimenten schnitten die Wissenschaftler die Xenobots und beobachteten, was passierte. „Wir haben den Roboter fast halbiert und er näht sich wieder zusammen und läuft 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 darüber gelernt haben, wie Zellen kommunizieren und sich verbinden, tief in die Computerwissenschaften und unser Verständnis des Lebens hineinreicht. „Die große Frage in der Biologie ist, die Algorithmen zu verstehen, die Form und Funktion bestimmen“, sagt Levin. „Das Genom kodiert Proteine, aber transformative Anwendungen warten auf unsere Entdeckung, wie diese Hardware es Zellen ermöglicht, unter sehr unterschiedlichen Bedingungen zusammenzuarbeiten, um funktionelle Anatomien herzustellen.“

Damit sich ein Organismus entwickelt und funktioniert, findet ständig viel Informationsaustausch und Zusammenarbeit – organische Berechnung – in und zwischen Zellen statt, nicht nur innerhalb von Neuronen. Diese emergenten und geometrischen Eigenschaften werden durch bioelektrische, biochemische und biomechanische Prozesse geformt, „die auf DNA-spezifischer Hardware laufen“, sagt Levin, „und diese Prozesse sind rekonfigurierbar und ermöglichen neuartige Lebensformen.“

Die Wissenschaftler sehen die Arbeit in ihrem neuen vorgestellt PNAS Studie – „Eine skalierbare Pipeline zum Entwerfen rekonfigurierbarer Organismen“ – als einen Schritt, um Erkenntnisse über diesen bioelektrischen Code sowohl in der Biologie als auch in der Informatik anzuwenden. „Was bestimmt eigentlich die Anatomie, in der Zellen kooperieren?“ fragt Levin. „Sie sehen sich die Zellen an, mit denen wir unsere Xenobots gebaut haben, und genomisch sind sie Frösche. Es ist 100 % Frosch-DNA – aber das sind keine Frösche. Dann fragst du, na ja, was können diese Zellen sonst noch bauen?“

„Wie wir gezeigt haben, können diese Froschzellen dazu gebracht werden, interessante lebende Formen zu bilden, die sich vollständig von ihrer Standardanatomie unterscheiden“, sagt Levin. Er und die anderen Wissenschaftler des UVM- und Tufts-Teams – mit Unterstützung des Lifelong Learning Machines-Programms der DARPA und der National Science Foundation – glauben, dass der Bau der Xenobots ein kleiner Schritt in Richtung des Knackens des von ihm so genannten „morphogenetischen Codes“ ist, der einen tieferen Einblick ermöglicht der allgemeinen Art und Weise, wie Organismen organisiert sind – und wie sie Informationen basierend auf ihrer Geschichte und Umgebung berechnen und speichern.

Zukünftige Schocks

Viele Menschen machen sich Sorgen über die Auswirkungen des schnellen technologischen Wandels und komplexer biologischer Manipulationen. „Diese Angst ist nicht unbegründet“, sagt Levin. „Wenn wir anfangen, mit komplexen Systemen herumzuspielen, die wir nicht verstehen, werden wir unbeabsichtigte Konsequenzen haben.“ Viele komplexe Systeme, wie eine Ameisenkolonie, beginnen mit einer einfachen Einheit – einer Ameise – von der es unmöglich wäre, die Form ihrer Kolonie vorherzusagen oder wie sie mit ihren miteinander verbundenen Körpern Brücken über Wasser bauen können.

„Wenn die Menschheit in der Zukunft überleben soll, müssen wir besser verstehen, wie komplexe Eigenschaften irgendwie aus einfachen Regeln hervorgehen“, sagt Levin. Ein Großteil der Wissenschaft konzentriert sich darauf, „die Regeln auf niedriger Ebene zu kontrollieren. Wir müssen auch die Regeln auf hoher Ebene verstehen“, sagt er. „Wenn Sie einen Ameisenhaufen mit zwei statt einem Schornstein haben wollten, wie modifizieren Sie die Ameisen? Wir hätten keine Ahnung.“

„Ich denke, es ist eine absolute Notwendigkeit für die Gesellschaft, in Zukunft Systeme besser in den Griff zu bekommen, deren Ergebnisse sehr komplex sind“, sagt Levin. „Ein erster Schritt dazu ist zu untersuchen: Wie entscheiden lebende Systeme, wie ein Gesamtverhalten aussehen soll, und wie manipulieren wir die Teile, um das gewünschte Verhalten zu erzielen?“

Mit anderen Worten: „Diese Studie ist ein direkter Beitrag dazu, das in den Griff zu bekommen, wovor die Menschen Angst haben, was unbeabsichtigte Folgen sind“, sagt Levin – sei es bei der schnellen Ankunft selbstfahrender Autos oder der Änderung von Gene Drives, um ganze Linien auszulöschen von Viren oder die vielen anderen komplexen und autonomen Systeme, die die menschliche Erfahrung zunehmend prägen werden.

„Es gibt all diese angeborene Kreativität im Leben“, sagt Josh Bongard von UVM. „Wir wollen das tiefer verstehen – und wie wir es in neue Formen lenken und vorantreiben können.“