1. oldal

Az állatok közül még a legegyszerűbbnek tűnők is rendkívül összetett teremtmények, így nem is csoda, hogy az utóbbi évtizedek számos biológiai és genetikai áttörése ellenére az emberiség egyelőre még elég távol áll attól, hogy mesterséges úton, ténylegesen a nulláról hozzon létre bármiféle élő dolgot. Sokkal jobb a helyzet azonban, ami az organizmusok digitális verzióinak megalkotását illeti: készülőben van ugyanis az első olyan számítógépes modell, amely minden szempontból úgy működik, mintha valódi állat lenne, hűen másolva annak mozgását, viselkedését és más jellemzőit is. A projekt alapítója és fő koordinátora, Stephen Larson és kollégái egy fonálféreg digitális verzióján dolgoznak az OpenWorm nevű kezdeményezés részeként.

Az OpenWorm nem az első olyan projekt, amelynek keretében egy tényleges organizmus számítógépes modelljét készítik el, de ez az első alkalom, hogy egy állat a próbálkozás tárgya. Az abszolút első helyet a Mycoplasma genitalium nevű, aprócska baktérium őrzi, amelynek molekuláris komponensekre lebontott, egy teljes életciklust szimulálni képes modelljének elkészültét 2012. július 20-án jelentették be a Stanford és a J. Craig Venter Központ kutatói.

A baktérium működésének szimulálása során a 28 különböző molekulatípus interakcióit modellezték. A program lefutása, vagyis a virtuális baktérium osztódásig eltelő idő 10 órát vett igénybe − nagyjából annyit, amennyit a valóságban is −, és fél gigabájt adatot generált. Az eredmény kétségkívül figyelemre méltó, ugyanakkor csak a kezdet kezdetét jelenti. Az M. genitalium ugyanis a világ egyik legegyszerűbb organizmusa, amely mindössze 525 génnel rendelkezik, szemben például a kólibaktérium 4288, vagy az ember több mint 30 ezer génjével.

Szintén fontos előrelépések történtek az elmúlt évek során a szintetikus DNS létrehozásában, és nemrégiben elkészült az első mesterséges kromoszóma is. Az igazi „dizájner organizmusok” számtalan ígérettel kecsegtetnek, hiszen általuk többek közt újfajta vakcinák, gyógyszerek, üzemanyag-előállítási módok lehetnek kifejleszthetők. Mindezen mesterséges életformák a dolgok jelen állása szerint számítógépen terveződnek és tesztelődnek majd valóságban történő létrehozásuk előtt. Ehhez viszont az szükséges, hogy a szakértők képesek legyenek egy-egy teljes szervezet működésének molekuláris szintű megértésére, és mindezt szimulálni is tudják.

Larson és kollégái fontos előrelépést tehetnek ezen az úton, hiszen az első többsejtű élőlény szimulált változatán dolgoznak. A kutató elmondása szerint szimuláció alatt azt kell érteni, hogy igyekeznek a fonálféreg szervezetében zajló biofizikai folyamatok közül a lehető legtöbbet belefoglalni komplex modelljükbe, és közben folyamatosan ellenőrzik, hogy a szimulált állat és a ténylegesen élő férgek viselkedése valóban hasonlít-e egymásra. „Amikor szimulációról beszélünk, lényegileg arról van szó, hogy olyan számítógépes programokat írunk, amelyek a féreg működésének fizikáját leíró egyenletekkel dolgoznak” – mondja a szakértő.

A fonálféreg kiváló alanya a kezdeményezésnek, hiszen nincs még egy olyan állat, amelynek működéséről annyit tudnának a kutatók, mint erről. A féreg nagyjából ezer sejtjének mindegyikét részleteiben feltérképezték, beleértve 302 idegsejtből álló agyát is, amelyek egy körülbelül 5500 kapcsolódásból álló hálózatot alkotnak. A fonálférgek kutatása eddig három Nobel-díjat eredményezett, és az állatokat gyakran használják modellorganizmusként különféle biológiai kérdések megválaszolására.

2. oldal

A kutatócsoport elsődleges célja a jelenlegi fázisban az agy−viselkedés-kör minél teljesebb modellezése, vagyis azt igyekeznek megérteni és szimulálni a szakértők, hogyan vezérli a protoagy az izmokat adott környezetben, illetve hogy a környezet jeleit hogyan dolgozza fel az idegrendszer. Amint ezt a problémakört kimerítették, sor kerülhet a reprodukció és az egyéb belső folyamatok digitalizálására is.

Annak ellenére, hogy a fonálféreg a világ talán legalaposabban tanulmányozott életformája, a végső cél eléréséhez még számos dolgot ki kell deríteniük az állattal kapcsolatban a kutatóknak. Jó pár olyan biológiai folyamat létezik ugyanis, amelynek működését legfeljebb nagy vonalakban értik a szakértők, ami viszont kevés ahhoz, hogy kielégítően modellezni lehessen ezek lefolyását.

Az egyik ilyen probléma, hogy egyelőre nem igazán állnak rendelkezésre adatok a férgek idegsejtjeinek elektromos viselkedésével kapcsolatban. Bár az egerek és patkányok neuronjait sokan sokféleképpen tesztelték, a fonálférgekkel kapcsolatban azonban egészen mostanáig nem igazán került sor ilyen kísérletekre. A legújabb képalkotó eljárásoknak és az idegsejtek lézeres ingerlésére épülő módszereknek köszönhetően azonban várhatóan rövidesen a férgek idegi működéseivel kapcsolatban is gazdag adatmennyiségre tehetnek szert a szakértők, Larson legalábbis ebben reménykedik.

Az első nagyobb cél tehát a test mozgása és a környezet ingerei közti kapcsolat modellezése lesz, amihez persze elengedhetetlen az idegrendszer működésének szimulálása. Az utóbbi három évben a szakértők elsősorban a féreg agyára, vagyis a neuronok hálózatára koncentráltak, és tavaly jutottak el odáig, hogy már a testet és annak izmait is igyekeznek „kiépíteni”. A digitális fonálféreg jelenleg egy egyszerű hullámmozgásra képes, azonban ennek a szimpla mozdulatnak a létrehozása is óriási eredménynek számít, hiszen beigazolódott, hogy lehetséges a féreg viselkedésének ilyen módszerekkel történő, valósághű szimulációja. A modell csiszolgatása érdekében a szakértők egy óriási adatbázist hoztak létre, amely élő férgek viselkedésével kapcsolatos információkat tartalmaz, így folyamatosan ellenőrizni tudják, hogy a digitális organizmus mennyire hasonlít a valóságos állatokra.

A projekt egyik legnagyobb érdekessége, hogy az internet nyilvánossága előtt zajlik a fejlesztés: minden egyes kódsort azonnal közzétesznek a GitHubon, ahogy megíródott, így bárki nyomon követheti, hogyan épül a szimuláció. A további tervek és a menetrend is publikus, a fejlesztő csapat projekttel kapcsolatos rendszeres szakmai vitáit pedig egy Youtube-csatornán közvetítik.

Az OpenWorm csapata április 19-én egy Kickstarter-kampányba is belekezdett. Ennek során arra gyűjtik a pénzt, hogy a „féregszimulátor”, avagy a WormSim online is lefuttatható legyen, vagyis bárki bármikor belepillanthasson abba, hol is tart pontosan a munka. Ilyen módon az érdeklődők egy, az eddig közölt képeknél jóval izgalmasabb, háromdimenziós virtuális világban fedezhetnék fel, hogy mi zajlik egy fonálféreg testében.

Az OpenWorm nem az egyetlen teljes állati szervezetek szimulációjával próbálkozó projekt, más kutatócsoportok többek közt digitális ecetmuslicák, illetve hangyák létrehozásán dolgoznak. Larson elmondása szerint a cél az lenne, hogy a fonálféreg modellezése során egy olyan rendszert alkossanak meg, amelyre építve más organizmusok szimulált változatait is létre lehet majd hozni.