Nieuw Robot Leven uit het Laboratorium

XENOBOTS

door Sam Kriegman

Sam Kriegman

Amsterdam, 28 december 2021–Xenobots, ontworpen met Artificiële Intelligentie technieken onthullen een geheel nieuwe vorm van biologische zelfreplicatie of voortplanting. 

En veelbelovend voor regeneratieve geneeskunde. 

Om te blijven bestaan, moet het leven zich voortplanten. 

In de loop van miljarden jaren hebben organismen vele manieren van replicatie ontwikkeld, van ontluikende planten tot seksuele dieren tot binnendringende virussen. 

Nu hebben wetenschappers een geheel nieuwe vorm van biologische voortplanting ontdekt en ontwikkeld. 

Ze hebben deze opzienbarende ontdekking toegepast om de allereerste, zelfreplicerende levende robots, hetzelfde team dat de eerste levende robots heeft gebouwd (“Xenobots”, samengesteld uit kikkercellen – gerapporteerd in 2020 ) en ontdekt.

Deze zijn door de computer ontworpen en met de hand geassembleerde organismen die in hun kleine schaaltje kunnen zwemmen, afzonderlijke cellen kunnen vinden, honderden van hen samen brengen en assembleren “baby” Xenobots in hun Pac-Man-vormige “mond”.

En voila:  een paar dagen later zijn er nieuwe Xenobots ontstaan. Die zien er net zo uit en bewegen exact zoals zijzelf. De geboorte van nieuw robot achtig leven.

(Lees ooch: Menselijke controle op kunstmatige intelligentie)

En dan kunnen deze nieuwe Xenobots uitgaan, vinden cellen en maken kopieën van zichzelf. 

Keer op keer. 

Met het juiste ontwerp – zullen ze zichzelf spontaan repliceren”, zegt Joshua Bongard, een computerwetenschapper en robotica-expert aan de Universiteit van Vermont die het nieuwe onderzoek leidde. 

De resultaten van het nieuwe onderzoek werden op 29 november 2021 gepubliceerd in de National Academy of Sciences.Into the Unknown.

In een Xenopus laevis-kikker zouden deze embryonale cellen zich tot huid ontwikkelen. 

Ze zouden aan de buitenkant van een kikkervisje zitten, ziekteverwekkers buiten houden en slijm herverdelen”, zegt Michael Levin, een professor in de biologie en directeur van het Allen Discovery Center aan de Tufts University en co-leider van het nieuwe onderzoek. 

“Maar we plaatsen ze in een nieuwe context. We geven ze een kans om hun multicellulariteit opnieuw te bedenken. En wat ze zich voorstellen is iets heel anders dan huid. ” Men heeft heel lang gedacht dat we alle manieren hebben uitgewerkt waarop het leven zich kan voortplanten of repliceren. Maar dit is iets dat nog nooit eerder is waargenomen”, zegt co-auteur Douglas Blackiston, 

Douglas Balckston, de senior wetenschapper aan de Tufts University die de Xenobot-“ouders” verzamelde en het biologische gedeelte van de nieuwe studie ontwikkelde. 

“We hebben ontdekt dat er een voorheen onbekende ruimte binnen organismen, of levende systemen, en het is een enorme ruimte.” — Josh Bongard “Dit is diepzinnig”, zegt Levin. 

“Deze cellen hebben het genoom van een kikker, maar nu ze geen kikkervisjes worden, gebruiken ze hun collectieve intelligentie, een plasticiteit, om iets verbazingwekkends te doen.” 

In eerdere experimenten waren de wetenschappers verbaasd dat Xenobots konden worden ontworpen om eenvoudige taken uit te voeren. 

Nu zijn ze verbijsterd dat deze biologische objecten – een door de computer ontworpen verzameling cellen – zich spontaan zullen repliceren. “We hebben het volledige, ongewijzigde kikkergenoom”, zegt Levin, “maar het gaf geen aanwijzing dat deze cellen kunnen samenwerken aan deze nieuwe taak”, namelijk het verzamelen en vervolgens comprimeren van gescheiden cellen tot werkende zelfkopieën. 

“Dit is het repliceren of vermenigvuldigen van kikkercellen op een manier die heel anders is dan hoe kikkers het doen. Geen enkel dier of plant waarvan de wetenschap bekend is, repliceert op deze manier”, zegt Sam Kriegman, de hoofdauteur van de nieuwe studie, die zijn doctoraat behaalde in Bongard’s lab bij UVM en nu een postdoctoraal onderzoeker is bij Tuft’s Allen Center en Harvard University’s Wyss Instituut voor Biologisch Geïnspireerde Engineering.

Op zichzelf vormt de Xenobot-ouder, gemaakt van zo’n 3.000 cellen, is als een bol. “Hier kunnen kinderen van worden gemaakt, maar daarna sterft het systeem normaal gesproken uit. Het is eigenlijk heel moeilijk om het systeem continu en blijvend te laten blijven reproduceren”, zegt Kriegman. 

Maar met een programma voor kunstmatige intelligentie dat werkte aan het Deep Green-supercomputercluster bij UVM’s Vermont Advanced Computing Core, was een evolutionair algoritme in staat om miljarden lichaamsvormen in simulatie te testen – driehoeken, vierkanten, piramides, zeesterren – om degenen te vinden waarmee de cellen konden effectiever zijn in de op beweging gebaseerde “kinematische” replicatie die in het nieuwe onderzoek wordt gerapporteerd.
“We vroegen de supercomputer bij UVM om erachter te komen hoe de vorm van de oorspronkelijke ouders kon worden aangepast, en de AI kwam met een aantal vreemde ontwerpen op de proppen na maandenlang tuffen, waaronder een die op Pac-Man leek”, zegt Kriegman. 

“Het is erg niet-intuïtief. Het ziet er heel eenvoudig uit, maar het is niet iets dat een menselijke ingenieur zou bedenken. Waarom een klein mondje? Waarom geen vijf? We stuurden de resultaten naar Doug en hij bouwde deze Pac-Man-vormige ouder-Xenobots. Toen bouwden die ouders kinderen, die kleinkinderen bouwden, die achterkleinkinderen bouwden, die achter-achterkleinkinderen bouwden.” Met andere woorden, het juiste ontwerp breidde het aantal generaties enorm uit.
 

Een door AI ontworpen, Pac-Man-vormig “ouder” -organisme (in rood) naast stamcellen die zijn samengeperst tot een bal – de “nakomelingen” (groen). Krediet: Douglas Blackiston en Sam Kriegman
Kinematische replicatie is bekend op het niveau van moleculen, maar het is nog nooit eerder waargenomen op de schaal van hele cellen of organismen.
“We hebben ontdekt dat er een voorheen onbekende ruimte is binnen organismen of levende systemen, en het is een enorme ruimte”, zegt Bongard, een professor aan het UVM’s College of Engineering and Mathematical Sciences. “Hoe gaan we die ruimte dan verkennen? We hebben Xenobots gevonden die lopen. We hebben Xenobots gevonden die zwemmen. En nu, in deze studie, hebben we Xenobots gevonden die kinematisch repliceren. Wat is er nog meer?”
Of, zoals de wetenschappers schrijven in de studie Proceedings of the National Academy of Sciences: “het leven herbergt verrassend gedrag net onder de oppervlakte, wachtend om ontdekt te worden.”
 

Sommige mensen vinden dit misschien opwindend. Anderen reageren misschien met bezorgdheid, of zelfs angst, op het idee van een zichzelf replicerende biotechnologie. Voor het team van wetenschappers is het doel een dieper begrip.
“We werken eraan om deze eigenschap te begrijpen: replicatie. De wereld en technologieën veranderen snel. Het is belangrijk voor de samenleving als geheel dat we bestuderen en begrijpen hoe dit werkt”, zegt Bongard. Deze levende machines van millimeterformaat, volledig ondergebracht in een laboratorium, gemakkelijk te doven en doorgelicht door federale, staats- en institutionele ethische experts, “houden me niet ’s nachts wakker. Wat een risico oplevert, is de volgende pandemie; het versnellen van schade aan het ecosysteem door vervuiling; toenemende bedreigingen van klimaatverandering”, zegt Bongard van UVM. “Dit is een ideaal systeem om zelfreplicerende systemen te bestuderen. We hebben een morele verplichting om de voorwaarden te begrijpen waaronder we het kunnen beheersen, sturen, overdrijven, overdrijven.”

Bongard wijst op de COVID-epidemie en de jacht op een vaccin. “De snelheid waarmee we oplossingen kunnen produceren, is van groot belang. Als we technologieën kunnen ontwikkelen, lerend van Xenobots, waar we de AI snel kunnen vertellen: ‘We hebben een biologisch hulpmiddel nodig dat X en Y doet en Z onderdrukt’, zou dat zeer gunstig kunnen zijn. Dat duurt tegenwoordig enorm lang.” Het team wil versnellen hoe snel mensen kunnen gaan van het identificeren van een probleem naar het genereren van oplossingen, “zoals het inzetten van levende machines om microplastics uit waterwegen te halen of het bouwen van nieuwe medicijnen”, zegt Bongard.
“We moeten technologische oplossingen creëren die in hetzelfde tempo groeien als de uitdagingen waarmee we worden geconfronteerd”, zegt Bongard.
En het team ziet belofte in het onderzoek voor vooruitgang in de richting van regeneratieve geneeskunde. “Als we wisten hoe we verzamelingen cellen moesten vertellen om te doen wat we wilden dat ze deden, is dat uiteindelijk regeneratieve geneeskunde – dat is de oplossing voor traumatisch letsel, geboorteafwijkingen, kanker en veroudering”, zegt Levin. “Al deze verschillende problemen zijn hier omdat we niet weten hoe we moeten voorspellen en controleren welke groepen cellen zullen bouwen. Xenobots zijn een nieuw platform om ons les te geven.”

Sam Kriegman is hoogleraar Computer Wetenschap in Vermont