Farbiges Bild von Xenobot (rot) und aggregierten losen Stammzellen (grün). (Douglas Blackiston) Wissenschaftler haben die angeblich ersten sich selbst reproduzierenden „Roboter“ entwickelt, die jemals aus lebenden Zellen hergestellt wurden.
Auf den ersten Blick mögen diese unheimlich aussehenden „Xenobots“ wegen ihrer oberflächlichen Ähnlichkeit mit Pac-Man auffallen, aber ihre Ähnlichkeit mit der Videospielfigur ist wahrscheinlich das am wenigsten Merkwürdige an ihnen.
Diese ungewöhnlichen Roboterkreaturen sind ein Spin-off dessen, was dieselben Forscher letztes Jahr enthüllten, als sie das vorstellten Die weltweit ersten Roboter, die vollständig aus lebenden Zellen bestehen - in diesem Fall, Stammzellen entnommen aus embryonalen Fröschen.
„Das sind neuartige lebende Maschinen“, sagt der Informatiker und Robotiker Joshua Bongard von der University of Vermont damals erklärt .
„Sie sind weder ein traditioneller Roboter noch eine bekannte Tierart.“ Es ist eine neue Klasse von Artefakten: ein lebender, programmierbarer Organismus.“
Nun haben Bongard und seine Mitarbeiter den nächsten Schritt getan und den Xenobots die Fähigkeit gegeben, sich selbst zu reproduzieren und neue Versionen ihrer selbst hervorzubringen.
In diesem Fall wird die Selbstreplikation nicht durch die Art der Reproduktionstechniken erreicht wir normalerweise in biologischen Lebensformen sehen .
Stattdessen fanden die Forscher heraus, dass, wenn sie genügend Xenobots in unmittelbarer Nähe zueinander in einer Petrischale platzierten, ihre kollektive Bewegung begann, andere lose Froschzellen anzuhäufen, die daneben in der Lösung schwammen.
Sobald genügend dieser Zellen zusammengestapelt waren, wurde der aggregierte Haufen von etwa 50 Zellen zu einer Art Nachkommen des Xenobot-Organismus, der in der Lage war, selbstständig zu schwimmen und so seine eigenen Nachkommen anzuhäufen.
Das als spontane kinematische Selbstreplikation bezeichnete Phänomen wurde bereits bei anderen Arten von beobachtet Molekulare Maschinen und Modelle , aber noch nie zuvor in lebenden vielzelligen Systemen wie den Xenobots.
„Wir stellen fest, dass sich synthetische mehrzellige Anordnungen auch kinematisch replizieren können, indem sie dissoziierte Zellen in ihrer Umgebung bewegen und zu funktionellen Selbstkopien komprimieren“, so die Forscher erklären Sie in einem neuen Artikel Beschreibung der rekonfigurierbaren Organismen.
„Diese Form der Perpetuierung, die bisher in keinem Organismus beobachtet wurde, entsteht spontan über Tage hinweg und entwickelt sich nicht über Jahrtausende.“
(Sam Kriegman und Douglas Blackiston)
Oben: Simulation (links) sagt das tatsächliche Selbstreplikationssystem in vitro voraus (rechts).
Um die sich selbst replizierenden Roboter herzustellen, extrahierten die Forscher pluripotente Stammzellen aus afrikanischen Krallenfröschen ( Xenopus laevis ) Häute von Embryonen und inkubierte sie in einer Salzlösung. Während dieser Zeit hefteten sich einige Zellen zu einem kugelförmigen Organismus zusammen und bildeten auf seiner Außenschicht Flimmerhärchen, die es ihm ermöglichten, sich zu bewegen.
Als ein Dutzend der Organismen der ersten Generation zusammen mit den dissoziierten Stammzellen in eine zweite Schale geworfen wurden, verklumpten die Stammzellen durch die Bewegung der Organismen zu Haufen, die eine neue Generation von Organismen bildeten, die dann das gleiche Stapelverhalten wiederholten Zellen zu Haufen zusammenlegen.
Dieselben dissoziierten Stammzellen, die allein in Lösung blieben, organisierten sich jedoch nicht selbst, was zeigt, dass sie die anfängliche Bewegung der Vorläufer-Xenobots benötigten, um ihre Bildung zu aggregierten Organismen auszulösen.
Dass diese kinematische Selbstreplikation, ein Verhalten, das noch nie zuvor bei Pflanzen oder Tieren beobachtet wurde, ohne genetische Veränderung entstehen könnte, zeige, wie radikal biologische Lebewesen sich als Reaktion auf ihre Umgebung anpassen und verändern können, erklärten die Forscher in ihrer Arbeit.
Das Team stellte außerdem fest, dass es das Phänomen durch die Verwendung verstärken konnte künstliche Intelligenz um Bedingungen zu simulieren, die das sich selbst reproduzierende Verhalten verstärken könnten.
„Simulationen zeigten, dass einige Körperformen die Stapelgröße und Replikationsrunden verstärkten, während andere die Selbstreplikation dämpften oder stoppten.“ erklären die Forscher . „Einige, aber nicht alle Geometrien waren besser als die Sphäroide.“
Letztlich war die Semitorus-Form (im Grunde genommen Pac-Man in 3D) der beste Kandidat, um lose Froschzellen in neue Organismen zu stapeln, und auch Modifikationen der Umgebung – die Einführung von Wänden, die die Bewegung der Xenobots einschränkten – halfen.
Auch wenn wir mit der Manipulation dieser lebenden Roboterkreaturen noch ganz am Anfang stehen, sagen die Forscher, dass die ungewöhnlichen Organismen eines Tages nützliche Arbeit leisten könnten, wenn wir weiterhin herausfinden, wie sie funktionieren, und auch entscheiden können, welche Aufgaben wir ihnen richtig geben .
„Dies deutet darauf hin, dass zukünftige Technologien mit wenig externer Anleitung im Laufe ihrer Verbreitung nützlicher werden könnten.“ erklärt das Team , „und dass das Leben direkt unter der Oberfläche überraschende Verhaltensweisen birgt, die darauf warten, entdeckt zu werden.“
Über die Ergebnisse wird berichtet PNAS .