Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 16 – vyšlo 30. dubna, ročník 19 (2021) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

16/2021

Xenobot – první programovatelný organizmus

Petr Panchártek

Pod sledujícím okem mikroskopu poskakují v kapalině malé zaneprázdněné kuličky. Pohybují se vpřed, otočí se a někdy obíhají v kruzích. Rozházejte kolem drobné částečky a tyto kuličky je shromáždí na hromádky. Jejich chování připomíná mikroskopického plochého červa snažícího se ulovit kořist nebo dokonce malé zvíře zvané želvuška, což je bytost dostatečně složitá, aby zvládla sofistikované chování. Podobnost je ale jen iluze. Tyto kuličky se skládají pouze ze dvou složek, z kožních a srdečních buněk žab.

Vědci popisují, jak pomocí evolučních algoritmů vytvořili takzvané xenobotyXenoboti – mikroroboti schopní regenerace, kteří jsou pojmenováni po africké drápatce vodní (Xenopus laevis). Xenobot je biologický stroj s velikostí pod 1 milimetr, dostatečně malý, aby mohl cestovat uvnitř lidského těla. Jsou vytvořeni z kožních a srdečních buněk, které pocházejí z kmenových buněk žabích embryí., jejichž buňky pocházejí z bezjazyčné africké žáby drápatky vodní (Xenopus laevis). Tento nový druh organizmu je tvořený pouze ze smršťujících se buněk a na ně nalepených pasivních buněk. Vědci doufají, že jejich neuvěřitelně pokročilé chování může pomoci odhalit tajemství buněčné komunikace. Stále je velkou hádankou, jak buňky společně vytvářejí složité anatomie. Co vědce velmi zajímá, je otázka, jak buňky spolupracují, aby vytvořily konkrétní funkční struktury. Jakmile dostanou na tuto otázku odpověď, mohli by dokonce pokročit k záhadnější otázce, a to co vše by buňka mohla být ochotná udělat.

Xenoboti vykazují kooperativní rojovou aktivitu, v tomto případě společně
shromažďují hromady drobných částic. Zdroj: TechXplore.

EosFP – Eos Fluorescent Protein, fotoaktivovatelný fluorescenční protein v zelené a červené barvě. Jeho zelená fluorescence (516 nm) se změní na červenou (581 nm) aplikací ultrafialového záření (~390 nm, tj. na hranici mezi fialovým světlem a UV zářením). Změna je způsobena rozbitím peptidového řetězce poblíž chromoforu. Měkká robotika – specifická podoblast robotiky zabývající se konstrukcí robotů z vysoce pružných materiálů, podobných těm, které se nacházejí v živých organizmech. mRNA – jednovláknová nukleová kyselina (RNA), která vzniká během transkripce DNA a slouží jako předpis pro výrobu bílkoviny na základě genetické informace přepsané podle genetického kódu. Zkratka „mRNA“ pochází z angličtiny, ve které se tato molekula označuje jako messenger RNA, což znamená „poslíček“. Přístup shora dolů – rozděluje složitý problém nebo algoritmus do několika menších částí (modulů). Tyto moduly jsou dále rozloženy, dokud není výsledný modul dále nerozložitelný. Přístup zdola nahoru – funguje opačným způsobem než přístup shora dolů. Zpočátku zahrnuje návrh nejzákladnějších částí, které jsou pak kombinovány tak, aby vytvořily modul vyšší úrovně. Tato integrace submodulů a modulů do modulu vyšší úrovně je opakovaně prováděna, dokud není získán celý požadovaný algoritmus. Sféroid – rotační elipsoid, jehož dvě poloosy jsou stejné. Sféroid se používá v teorii tíhového potenciálu Země za účelem aproximace hladin geopotenciálu. Tvar sféroidu má míč v americkém fotbale či ragby. Xenoboti – mikroroboti schopní regenerace, kteří jsou pojmenováni po africké drápatce vodní (Xenopus laevis). Xenobot je biologický stroj s velikostí pod 1 milimetr, dostatečně malý, aby mohl cestovat uvnitř lidského těla. Jsou vytvořeni z kožních a srdečních buněk, které pocházejí z kmenových buněk žabích embryí.

Co je xenobot?

Vědci na Tuftsově univerzitě začali společně navrhovat xenoboty z buněk na základě několika efektnivních algoritmů. Sklízeli kmenové buňky ze žabích embryí a rozdělovali je na srdeční buňky, které se přirozeně stahují, a kožní buňky, které tuto vlastnost nemají. Pod mikroskopem sestavovali tyto aktivní a pasivní součásti dohromady a využívali přirozené vzájemné přilnavosti buněk. Některá uskupení skončila ve tvaru klínu, jiná jako oblouky.

Pohyb xenobota. Zelenomodré čtverce nahoře jsou pasivní buňky, zatímco zelené
a červené buňky dole jsou aktivní buňky. Zdroj: Wired.

Při pohybu xenobotů bylo možné pozorovat, jak jejich chování závisí na jejich struktuře (na uspořádání buněk a na celkovém tvaru). Napozorovaná data zpracovával tým počítačových expertů, kteří vytvořili simulované prostředí pro digitální verze xenobotů. Poté spustili evoluční algoritmy, které v jistém smyslu replikují procesy přirozeného výběru, aby zjistili, jak struktura xenobota ovlivňuje jeho pohyb. Systém hledá možné změny v návrzích xenobotů a zkoumá, jak by nové designy mohly ovlivnit funkčnost. Xenoboti, kterým se v rámci simulace daří při plnění konkrétního úkolu, jsou považováni za „způsobilé“ a jsou „chováni“ spolu s dalšími vysoce výkonnými jedinci, aby vytvořili novou generaci „vyvinutých“ xenobotů.

Roboti, jak je navrhl počítač nahoře, s jejich reálnými analogiemi dole. Zdroj: Wired.

Shluky bez mozku se nakonec chovají způsoby, které jsou až strašidelné. Čas od času změní směr pohybu, někdy se i otočí a vrátí zpět. Když narazí na uvolněné buňky, tak je nahromadí na malé hromádky. Rozkrojený xenobot se zase stáhne k sobě, a la T-1000 z Terminátora 2. Dva xenoboti se mohou spojit a skákat kolem sebe jako šťastný pár. Xenobot s otvorem uvnitř může věci sbírat a přenášet.

Evoluční algoritmy navrhly širokou škálu forem. Zdroj: Wired.

Xenobot je jedinečný organizmus, chová se současně jako živý tvor ze živých buněk, i jako stroj, který mohou vědci naprogramovat tak, aby se projevoval určitým způsobem. Žabí buňky nejsou specializované pro vykonávanou činnost, ale pozoruhodné je jejich mimořádné chování, které společně vykazují. Je na čase začít uvažovat o zcela novém přístupu k robotice. Typický humanoidní robot je vlastně jen sbírkou hloupých součástí, které tvoří (v ideálním případě) inteligentní celek, který může chodit a manipulovat s objekty. Lidské tělo je však inteligentní v každém detailu. Buňky komunikují a vytvářejí tkáně, které spolupracují na tvorbě orgánů, které jsou nakonec součástí inteligentní bytosti.

Připravte se na xenoboty 2.0.

Stejný tým vědců nyní vytvořil formy života, které samy sestavují tělo z jednotlivých buněk. Nevyžadují pohyb svalových buněk a dokonce mají schopnost zapisovatelné paměti. Nová generace xenobotů se pohybuje rychleji, naviguje se v různých prostředích a má delší životnost než první verze. Stále zůstává schopnost spolupracovat ve skupinách a léčit se, pokud je xenobot poškozen.

Skupinové chování xenobotů při plavání. Zdroj: Syfy Wire.

U xenobotů 1.0 byly automaty o velikosti milimetru konstruovány přístupem „shora dolůPřístup shora dolů – rozděluje složitý problém nebo algoritmus do několika menších částí (modulů). Tyto moduly jsou dále rozloženy, dokud není výsledný modul dále nerozložitelný.“. Tkáň byla umísťována manuálně a žabí kůže a srdeční buňky byly chirurgicky tvarovány. Další verze xenobotů je naopak tvořena přístupem „zdola nahoruPřístup zdola nahoru – funguje opačným způsobem než přístup shora dolů. Zpočátku zahrnuje návrh nejzákladnějších částí, které jsou pak kombinovány tak, aby vytvořily modul vyšší úrovně. Tato integrace submodulů a modulů do modulu vyšší úrovně je opakovaně prováděna, dokud není získán celý požadovaný algoritmus.“. Biologové v Tuftsově univerzitě odebrali kmenové buňky z embryí drápatky vodní a umožnili jim, aby se samy shromáždily a vyrostly do sféroidůSféroid – rotační elipsoid, jehož dvě poloosy jsou stejné. Sféroid se používá v teorii tíhového potenciálu Země za účelem aproximace hladin geopotenciálu. Tvar sféroidu má míč v americkém fotbale či ragby.. Některé buňky se po několika dnech odlišily a vytvořily řasinky – drobné vlasové tvary, které se pohybují tam a zpět nebo se otáčejí určitým způsobem. Místo použití ručně tvarovaných srdečních buněk, jejichž přirozené rytmické kontrakce umožňovaly původním xenobotům potopit se, dávají řasinky sféroidním robotům nové „nohy“, aby se rychle pohybovaly po povrchu. U žáby nebo u člověka by se řasinky normálně nacházely na sliznicích, například v plicích, aby pomohly vytlačit patogeny a další cizí materiál. Na xenobotech se vytvořily, aby umožnily rychlou lokomoci.

Za normální situace buňky v embryu žáby spolupracují na vytvoření pulce. Buňky mohou použít řasinky pro nové funkce, jako je lokomoce. Buňky mohou spontánně převzít nové role a vytvářet nové způsoby chování těla bez dlouhých období evolučního vývoje těchto funkcí. Xenoboti jsou svým způsobem konstruováni podobně jako tradiční roboti. Jen se využívají buňky a tkáně místo umělých komponent, aby se vytvořil tvar a předvídatelné chování. Pokud jde o biologii, tento přístup nám pomáhá porozumět tomu, jak buňky komunikují při vzájemné interakci během vývoje a jak se mohou tyto interakce lépe kontrolovat.

Zatímco vědci z Tuftsovy univerzity vytvořili fyzické organizmy, vědci z Vermontské univerzity (UVM) byli zaneprázdněni tvorbou počítačových simulací, které modelovaly různé tvary xenobotů. Cílem bylo zjistit, za jakých podmínek mohou vykazovat odlišné chování, a to jednotlivě i ve skupinách. Tým pomocí evolučního algoritmu vytvořil stovky tisíc náhodných podmínek prostředí. Tyto simulace byly použity k identifikaci xenobotů, kteří jsou nejvíce schopni spolupracovat ve skupinách a dokážou shromažďovat velké shluky částic.

Superpočítač prohledává prostor všech možných skupin xenobotů, aby našel skupinu, který dělá práci nejlépe. Dávají se jim zatím jednoduché úkoly, ale snad vznikne nový druh živého stroje, který by mohl například vyčistit mikroplasty v oceánu nebo kontaminanty v půdě. Ukázalo se, že noví xenoboti jsou mnohem rychlejší a lepší v úkolech, jako je sběr odpadků, než jejich první verze. Společně pracují ve skupině, aby projeli Petriho misku a shromáždili větší shluky z částic oxidu železa. Mohou také pokrýt široké povrchy nebo cestovat úzkými kapilárami. Tyto studie také naznačují, že simulace by v budoucnu mohly optimalizovat další vlastnosti biologických robotů, které povedou k složitějšímu chování xenobotů. Jednou z důležitých funkcí přidaných do upgradu Xenobotů je schopnost zaznamenávat informace.

Nyní s pamětí

Ústředním prvkem robotiky je schopnost zaznamenávat informace do paměti a používat je k úpravě akcí a chování robota. S ohledem na to vědci z Tuftsovy univerzity vytvořili xenoboty se schopností čtení a zápisu. Jeden informační bit zaznamenávají pomocí fluorescenčního proteinu zvaného EosFPEosFP – Eos Fluorescent Protein, fotoaktivovatelný fluorescenční protein v zelené a červené barvě. Jeho zelená fluorescence (516 nm) se změní na červenou (581 nm) aplikací ultrafialového záření (~390 nm, tj. na hranici mezi fialovým světlem a UV zářením). Změna je způsobena rozbitím peptidového řetězce poblíž chromoforu., který normálně svítí zeleně. Při vystavení světlu o vlnové délce 390 nm však protein místo toho vydává červené světlo.

Před vyříznutím kmenových buněk byla za účelem vytvoření xenobotů do buněk žabích embryí injektována mRNAmRNA – jednovláknová nukleová kyselina (RNA), která vzniká během transkripce DNA a slouží jako předpis pro výrobu bílkoviny na základě genetické informace přepsané podle genetického kódu. Zkratka „mRNA“ pochází z angličtiny, ve které se tato molekula označuje jako messenger RNA, což znamená „poslíček“. kódující protein EosFPEosFP – Eos Fluorescent Protein, fotoaktivovatelný fluorescenční protein v zelené a červené barvě. Jeho zelená fluorescence (516 nm) se změní na červenou (581 nm) aplikací ultrafialového záření (~390 nm, tj. na hranici mezi fialovým světlem a UV zářením). Změna je způsobena rozbitím peptidového řetězce poblíž chromoforu.. Zralí xenoboti nyní mají vestavěný fluorescenční spínač, který dokáže zaznamenávat expozici modrého světla kolem vlnové délky 390 nm. Vědci testovali paměťovou funkci tím, že nechali deset xenobotů plavat kolem povrchu, na kterém bylo jedno místo osvětleno paprskem světla o vlnové délce 390 nm. Po dvou hodinách zjistili, že tři roboti vydávali červené světlo. Zbytek zůstal v jejich původní zelené barvě. Úspěšně tak byl zaznamenám „cestovní zážitek“ tří robotů.

Paměťová funkce xenobota. Tři roboti vydávali červené světlo poté, co byli osvíceni
paprskem světla o vlnové délce 390 nm. Zdroj: Syfy Wire.

Tento princip molekulární paměti lze v budoucnu rozšířit o detekci a záznam nejen světla, ale také přítomnosti radioaktivní kontaminace, chemických znečišťujících látek, drog nebo chorobného stavu. V budoucnu by mohly paměťové funkce umožnit záznam více podnětů (více bitů informací) nebo umožnit robotům uvolnit sloučeniny nebo změnit chování na základě podnětů z okolí.

Xenobote, uzdrav se!

Na rozdíl od xenobotů, mají jejich kovové a plastové protějšky potíže s obnovováním vlastního těla. Xenoboti a budoucí verze biologických robotů tuto schopnost mají. Jejich buňky rostou a dozrávají a mohou se opravit a obnovit, pokud dojde k jejich poškození. Léčení je přirozený rys živých organizmů a je v biologii xenobota zachován. Noví xenoboti byli pozoruhodně zdatní v hojení. Do pěti minut po poranění uzavírají většinu svých těžkých tržných ran skoro až o velikosti poloviny své tloušťky. Všichni zranění roboti dokázali ránu nakonec uzdravit, obnovit její tvar a pokračovat v předchozí práci.

Automatická regenerace xenobota po poškození. Zdroj: Wired.

Další výhodou biologického robota je metabolizmus. Na rozdíl od kovových a plastových robotů mohou buňky biologického robota absorbovat a rozkládat chemikálie a fungovat jako malé továrny syntetizující a vylučující chemikálie a proteiny. U těchto mnohobuněčných organizmů lze využít metody syntetické biologie, která se zaměřuje na přeprogramování jednobuněčných organizmů tak, aby produkovaly užitečné molekuly. Upgradovaní roboti mohou, stejně jako původní xenoboti, přežít až deset dní ve svých embryonálních zásobách energie a plnit úkoly bez dalších zdrojů energie. Mohou ale také fungovat po mnoho měsíců, pokud jsou drženi v živné „polévce“.

Závěr

Malí biologičtí roboti mají pozoruhodný potenciál. Provádějí užitečné úkoly v prostředí nebo potenciálně v terapeutických aplikacích. Nejcennější výhodou tohoto výzkumu je však, že používáním těchto robotů pomůže pochopit, jak se jednotlivé buňky spojují, komunikují a specializují se při vytváření většího organizmu, například žáby nebo dokonce člověka. Je to nový modelový systém, který může přinést zcela nové postupy v regenerativní medicíně.

Xenoboti a jejich nástupci mohou také poskytnout vhled do toho, jak mnohobuněčné organizmy vznikly z původních jednobuněčných organizmů, a jaký je původ zpracování informací, rozhodování a poznávání v biologických organizmech. Obrovská budoucnost této technologie umožnila založení Institutu pro počítačově konstruované organizmy (ICDO) při Tuftsově univerzitě a Univerzitě ve Vermontu. Institut spojí zdroje z obou univerzit k vytváření živých robotů se stále sofistikovanějšími schopnostmi.

Video zachycující životní cyklus xenobota 2.0. Zdroj: Syfy Wire.

Odkazy