A Vermonti Egyetem és a Tufts Egyetem kutatói meglepő módon hasznosítottak újra élő sejteket: a békaembriókból származó sejtekből egészen újfajta struktúrákat, milliméteres xenobotokat raktak össze. A piciny organizmusok idővel képesek lehetnek specifikus célpontok felé haladni, anyagokat szállítani (így a jövőben például célzott gyógyszerbevitelre is használhatók lehetnek), és meggyógyulnak, ha sérülés éri őket.
„Egészen újfajta, élő gépekről van szó, amelyek nem nevezhetők a hagyományos értelemben robotoknak, de egyetlen állatfajra sem hasonlítanak. Ehelyett egy teljesen új osztályt alkotnak: az élő, programozható organizmusok osztályát”
– mondja Joshua Bongard, a xenobotokat gyártó kutatócsoport informatikával és robotikával foglalkozó vezetője.
Az organizmusok a Vermonti Egyetem egyik szuperszámítógépével tervezték meg, majd a Tufts Egyetem biológusai állították össze és tesztelték a struktúrákat. A kutatás biológus vezetője, Michael Levin elmondása szerint az eredményül kapott organizmusokkal akár olyan feladatok is megoldhatók lehetnek, mint a radioaktív szennyeződések semlegesítése, a mikroműanyagok eltávolítása az óceánokból, vagy az artériák falán formálódó plakkok felszámolása.
Evolúciós modellek
A különféle élő szervezetek emberi célból való manipulálása nem újdonság, hiszen a mezőgazdaság születése óta aktívan gyakorlunk ilyen tevékenységeket. A háziasítás és a nemesítés után az utóbbi években egyre inkább elterjedő génszerkesztés új eszközt hozott az élővilág átalakítására tett törekvésekbe.
A következő lépést ezen az úton azok a kísérletek jelentik, amelyek célja ismert élőlények alapján mesterséges organizmusokat létrehozni. Ezek közé tartozik egy tavaly közzétett kutatás, amely során olyan kólibaktériumokat hoztak létre, amelyek genomját teljes egészében emberek rakták össze. A xenobotok pedig még egy lépéssel tovább mennek, hiszen ezek az első teljesen biológiai alapú gépek, állítják a kutatásról beszámoló tanulmány szerzői.
A kutatók vermonti Deep Green szuperszámítógép-klaszter segítségével, több hónap alatt, egy evolúciós algoritmust futtatva hozták létre az új életformák pár ezer potenciális szerkezeti modelljét. A munka során a szakértők különböző feltételeket szabtak a rendszernek, például hogy a kész organizmus képes legyen egy irányba mozogni, majd a számítógép pár száz szimulált sejtből különböző formákat rakott össze.
Az algoritmus működését egyszerű biofizikai szabályok határozták meg, amelyek azt írták le, hogy mire képes önmagában egy-egy béka bőrsejt és szívizomssejt.
A rendszer aztán a legjobban sikerült struktúrákat megtartotta és finomítani kezdte, míg a többitől megszabadult. Miután a program autonóm módon nagyjából százszor lefutott, a végeredmények közül a kutatók kiválasztották a legígéretesebb terveket, hogy ezeket a valóságban, igazi sejtekkel is teszteljék.
Sejtekből építkezni
Utóbbi szakaszhoz dél-afrikai karmosbékákból (latinul Xenopus laevis, részben tehát innen ered a xenobot elnevezés) származó embrionális őssejteket gyűjtöttek össze. A sejteket egyesével szétválogatták, majd érni hagyták. Végül a megfelelő idő elteltével piciny csipeszek és egy még kisebb elektróda segítségével a sejteket újra betakarították, és a mikroszkóp alatt összeillesztették ezeket a számítógép által megtervezett elrendezésekbe.
A természetben soha nem létezett testformákban pedig a sejtek elkezdtek együttműködni.
A bőrsejtekből egyfajta passzív váz állt össze, míg a kezdetben véletlenszerűen összehúzódó szívizomsejtek az elrendezésnek köszönhetően egy olyan egységbe álltak össze, amely révén megvalósulhatott az egy irányba való mozgás. Az organizmusok vizes környezetben akár hetekig is mozogni tudtak, környezetükből termelve meg a működésükhöz szükséges energiát.
A későbbi tesztek során az is kiderült, hogy a xenobotok csoportosan is képesek együttműködni, így például kisebb anyagdarabokat egy központi helyre terelni. Más xenobotok pedig, amelyeket üreges belsővel tervezett meg a szuperszámítógép, különböző objektumokat szállítottak.
Élő technológiák
A mesterséges anyagok nagy problémája, hogy bár ezek igény szerint erősre vagy éppen rugalmasra gyárthatók, előállításuk, újrahasznosításuk és semlegesítésük is nagy terhet ró a környezetre. A biológiailag lebomló, szerves anyagokkal ez a gond nem áll fenn, viszont az utóbbiakkal pont az a probléma, hogy ezek alapból is gyengébbek és gyorsabban romlik a minőségük, mint mondjuk a műanyagnak vagy az acélnak.
Az élő szervezetek ugyanakkor az évmilliárdok alatt remek módszereket dolgoztak ki arra, hogyan regenerálódhatnak, így hiába gyengébbek, adott esetben sok évtizedig bírják a környezeti viszontagságokat. Aztán ha ez nem megy tovább, és elpusztulnak, viszonylag gyorsan lebomlanak, és újrahasznosulnak.
A xenobotok pedig mesterséges létük dacára szintén ilyenek: miután elvégezték feladatukat, hamar lebomlanak olyan összetevőkre, amelyeket aztán más élőlények hasznosítani képesek. A xenobotok ráadásul regenerálódnak is: a kutatók olyan kísérleteket is végeztek, amelyek során majdnem teljesen félbevágtak néhány robotot. Ezek rövidesen teljesen megreparálták magukat, és folytatták, amire tervezték őket.
A többsejtű élet kódja
Levin és Bongard egyaránt hangsúlyozza, hogy a kutatás a gyakorlati alkalmazási lehetőségek mellett komoly elméleti potenciállal is bír, hiszen hozzásegíthet annak megértéséhez, hogyan alakulhat ki az egymással kommunikáló és fizikai összeköttetésben levő sejtekből valami más, egy többsejtű, együttműködő rendszer.
„A biológia egyik nagy rejtélye, hogy milyen algoritmusok határozzák meg a formát és a funkciót. Azt már tudjuk, hogy a genom kódolja a fehérjéket, de az továbbra is kérdés, hogy ez a hardver hogyan teszi lehetővé a sejtek közti kooperációt, amely különböző körülmények között nagyon eltérően működő anatómiai formákat eredményez” – mondja Levin.
Ahhoz, hogy egy organizmus létrejöjjön és működjön, folyamatosan elképesztő mennyiségű információt kell megosztaniuk egymással a sejteknek – és mindenféle sejtre igaz, nem csak az idegsejtekre. A létrejövő tulajdonságokat pedig olyan bioelektromos, biokémiai és biomechanikai folyamatok formálják, amelyeket a DNS által meghatározott hardver „futtat”, és amelyek átkonfigurálhatók, így új életformák jöhetnek létre, folytatja a kutató.
Ahogy Levin mondja, a xenobotok genomikai szempontból száz százalékosan békák. Ugyanakkor elég rájuk nézni, és bárki láthatja, hogy ezek a kis organizmusok nem békák, hanem valami egészen mást, valami egészen újat képviselnek. Innentől pedig felmerülhet a kérdés, hogy mi mást lehet még ezekből a sejtekből, ezzel a genetikai kóddal összerakni.
„Megmutattuk, hogy a békasejtekből izgalmas, új életformák kreálhatók, amelyek teljesen másként rendeződnek össze, mint ami a magától értetődő anatómiai struktúra lenne számukra”
– folytatja Levin. A kutatócsoport szerint a xenobotok fontos lépést jelenthetnek az általuk morfogenetikai kódnak nevezett rejtély megfejtése felé, vagyis annak megértéséhez, hogyan szerveződnek az élő szervezetek.
Komplex rendszerek
A kutatás pedig erre alapozva még messzebbre mutathat. Az életben mindenütt az élő szervezethez hasonló komplex rendszerek vesznek minket körül, amelyek egy hangyakolóniához hasonlóan önálló egységek és az ezek működését meghatározó szabályok összességeként írhatók le.
Az emberiség jövője szempontjából elengedhetetlen, hogy jobban értsük ezeket az összetett rendszereket, és azok működését. A hangyákhoz visszatérve, míg a legtöbb kutatás az alacsony szintű szabályokkal foglalkozik, mondjuk azzal, hogy egy hangyakolónia milyen szerepű egyedekből áll, Levin és társai hosszabb távon a magas szintű szabályokat próbálják megérteni.
Vagyis nem az érdekli őket, hogy milyen hangyákból áll a boly, hanem hogy amennyiben egy olyan termeszvárat akarnak építtetni az állatokkal, amelynek egy helyett két szellőzőaknája van, ahhoz, milyen változtatásokat kell végrehajtaniuk a hangyák szintjén.
„Nagy szükség van arra, hogy az emberiség jobban értse azon rendszerek működését, amelyeknél az eredmények is nagyon összetettek”
– magyarázza Levin. Ehhez pedig az első lépést a hasonló kísérletek jelentik, vagyis annak felderítése, hogyan dönti el egy pár száz sejtes élő rendszer, hogy hogyan viselkedjen, és hogy kutatóként hogyan manipulálhatjuk az építőelemeket, hogy a kívánt működéseket kapjuk eredményül, folytatja a szakértő.
Ez a kutatási irány pedig részben pontosan arra szolgál, hogy általa elkerülhetővé váljanak a fejlődéssel kapcsolatos legnagyobb félelmek: a nem várt következmények, akár az önvezető autók elterjedésére, akár a géntechnológia gyakorlati alkalmazásáról, akár valami egészen másról van szó, mondja Levin.
