Biorobotter

Nieuw leven kruipt uit het scherm

Er begint een nieuw tijdperk van ontworpen leven. De schepper is een computer, die de evolutiecode heeft gekraakt en een levende robot heeft gemaakt. En dit wezen van kikkercellen gedraagt zich anders dan alles wat we kennen.

Er begint een nieuw tijdperk van ontworpen leven. De schepper is een computer, die de evolutiecode heeft gekraakt en een levende robot heeft gemaakt. En dit wezen van kikkercellen gedraagt zich anders dan alles wat we kennen.

claus lunau & Shutterstock

Een troep zachte wezentjes van 1 millimeter groot stuift rond in de petrischaal. Sommige lijken armen en benen te hebben, en andere doen sterk denken aan slakachtigen.

Maar ze hebben geen armen en benen en slakken zijn het bij nader inzien toch ook niet. Ze lijken in feite op niets wat we ooit hebben gezien, omdat de schepsels niet zijn gemaakt door de natuur zelf.

Ze zijn bedacht en ontworpen door een computer die Darwin oversloeg, door zijn eigen digitale evolutieproces snelde en een kant-en-klaar recept afleverde voor een volkomen nieuwe soort levende robots, die voor 100 procent uit natuurlijke cellen bestaan.

Ten slotte hebben wetenschappers de wezentjes vormgegeven volgens de instructies van de computer.

Een supercomputer sprintte door een digitaal evolutieproces met virtuele mutaties en vond de meest geschikte organismen voor verschillende taken. Het resultaat is noch robot, noch natuurlijk leven – het is een nieuwe, geprogrammeerde levensvorm.

Frø leverer byggeklodser
© claus lunau & Brian Gratwicke & Douglas Blackiston/Sam Kriegman & shutterstock

1. Kikker levert de bouwstenen

Onderzoekers coderen de bouwstenen: digitale representaties van hart (rode bouwstenen) en huidcellen (blauwe bouwstenen) van de klauwkikker. Ze geven ze ook een doel mee, zoals ‘het organisme moet snel bewegen’. Om dit doel te bereiken bouwt de computer 50 willekeurige wezens.

© claus lunau & Brian Gratwicke & Douglas Blackiston/Sam Kriegman & shutterstock

2. Evolutie van de gegevens

Op basis van de eerste 50 worden 50 nieuwe varianten gemaakt. De 100 ‘dieren’ worden getest, en de 50 beste gaan door. De computer maakt er 50 varianten bij, selecteert de beste van de 100, enzovoort. Dit proces wordt 1000 keer herhaald.

Forskere tager celler fra fostre
© claus lunau & Brian Gratwicke & Douglas Blackiston/Sam Kriegman & shutterstock

3. Cellen brengen variant tot leven

De computer selecteert de beste kandidaat voor de taak, en nu gaat de levensvorm de praktijk in. Cellen die van kikkerembryo’s zijn afgenomen, groeien uit tot bolvormige organismen met lagen
van bewegende en niet-bewegende cellen. (Links zie je huid- en hartcellen, rechts een zelfstandig organisme.)

Levende robotter bliver skulpteret i petriskål
© claus lunau & Brian Gratwicke & Douglas Blackiston/Sam Kriegman & shutterstock

4. Levende robots krijgen vorm in petrischaal

De onderzoekers snijden de robots bij. Ze verwijderen weefsel met instrumenten die worden gebruikt voor de microchirurgie om tot de vorm te komen die de computer heeft bedacht. Nu maken de wezens de fysieke bewegingen die te zien zijn op de computersimulaties.

Het resultaat is een nieuwe levensvorm: noch een natuurlijk wezen van vlees en bloed, noch een robot die wordt bestuurd door microchips, maar iets ertussenin – een geprogrammeerd organisme: de biobot.

De onderzoekers achter de biobots, van onder meer Tufts University en Harvard University, hebben deze wezentjes dan ook computer-designed organisms (CDO) gedoopt.

De biobots bestaan uit huidcellen en hartcellen van de kikker Xenopus laevis, maar gedragen zich niet als huid- en hartcellen.

Biobots zijn een heel nieuwe, door de computer gemaakte levensvorm – geen robots en geen natuurlijke wezens, maar iets ertussenin.

De computer heeft de cellen nieuwe taken gegeven in de levende robots, die heel doelbewust door een petrischaal bewegen, al hebben ze geen hersenen of intelligentie.

De merkwaardige biobots kunnen dingen verplaatsen, samenwerken aan taken en zichzelf genezen bij letsel – en misschien kunnen ze op een dag ernstige milieukwesties oplossen, zoals het verwijderen van microplastics uit oceanen of het bergen van gevaarlijk kernafval.

En biobots kunnen niet alleen praktische taken uitvoeren, ze kunnen wetenschappers ook helpen begrijpen hoe cellen met elkaar communiceren en organismen vormen.

Dit legt Michael Levin, een toonaangevende onderzoeker van het biotbotproject, uit aan Wetenschap in Beeld.

Robot fra Sorbonne Universitet

Onderzoekers van o.a. de universiteit van Parijs ontwikkelden een algoritme om de kapotte poot van een robot te maken. Het algoritme stelde iets voor waar ze zelf niet op waren gekomen: de robot moet ‘op zijn rug’ liggen en bewegen op zijn ‘ellebogen’.

© Antoine Cully/Pierre and Marie Curie University

Met die kennis van de cellen, zegt Levin, kunnen wetenschappers in principe alles ‘bouwen’ uit welke cel dan ook. En als alles kan worden ontworpen door een digitale Darwin en in het lab kan worden gebouwd, kunnen ziekten – en zelfs veroudering – tot het verleden behoren.

Levensvormen komen uit het lab

Onze organismen zijn gedurende miljoenen jaren van evolutie ontstaan. Van elke soort hebben de allerbeste overleefd, of ze nu veel armen, souplesse of intelligentie hebbenen die zijn door allerlei verschillende mutaties verfijnd tot de vorm die we nu kennen.

Maar wat nu als we niet miljoenen jaren hoeven te wachten om nieuwe soorten door de evolutie ter wereld te zien komen – wat als we ze zelf in het lab maken? Die vraag stelt de mens zich al jaren.

Denk maar aan het 200 jaar oude verhaal van Mary Shelley over het monster van dokter Frankenstein: een nieuwe, angstaanjagende levensvorm die gemaakt is uit dood weefsel, dat de dokter op mysterieuze wijze tot leven wekt.

De wens om synthetisch leven te creëren is de laatste 20 jaar van de fantasiewereld naar onderzoekslaboratoria verplaatst.

Genforsker J. Craig Venter

J. Craig Venter schiep in 2010 leven in het lab toen hij synthetisch DNA bij een cel inbracht die zich begon te gedragen volgens de kunstmatige DNA-code.

© David S. Holloway/Getty Images

Het internationale onderzoek dat ons DNA heeft opgetekend, leverde ons de werktekening van de natuur waarin staat hoe de diverse organismen zijn ‘geprogrammeerd’, en in 2010 zorgde dit onderzoek voor een enorme doorbraak.

Een team onder leiding van de Amerikaanse genwetenschapper J. Craig Venter maakte een kunstmatige DNA-code en bouwde die in een bestaande cel in.

De cel ging zich daardoor gedragen volgens de nieuwe DNA-code. Zo hadden onderzoekers het eerste synthetische leven ooit gecreëerd – ontworpen en ‘geprogrammeerd’ in een laboratorium.

Sindsdien zijn er talloze experimenten gedaan met synthetisch RNA of hybride wezens die mechanica en natuurlijke cellen combineren. Maar biobots zijn iets heel anders.

Zo worden de biobots gemaakt in het laboratorium

Alle tot nu toe in het lab gecreëerde levensvormen zijn bedacht en ontworpen door wetenschappers, die tot in detail planden hoe hun ‘Frankenstein’ zich zou moeten gedragen wanneer hij tot leven wordt gewekt.

De nieuwe biobots worden daarentegen geprogrammeerd door een computer, en de onderzoekers hebben slechts het recept van de computer gevolgd om ze tot leven te wekken in petrischalen.

Nieuwe wezens komen uit petrischalen

Wetenschappers creëren al 20 jaar nieuwe levensvormen in het laboratorium, maar waar synthetisch leven tot voor kort door chemici en biologen werd ontworpen, zijn biobots ‘bedacht’ door een computer die cellen nieuwe taken geeft.

De digitale evolutie in 20 uur

Een nieuwe levensvorm ontstaat uit enkele basisbouwstenen. Dat zijn in het geval van de biobots de cellen van de klauwkikker.

De eerste stap in het baanbrekende project was het noteren van twee celtypen van de kikker – huidcellen en hartcellen – als datacodes.

Een basiseigenschap van huidcellen in de natuur is het beschermen van de inwendige kikker tegen infecties van buitenaf, en deze cellen kunnen niet bewegen.

De taak van de hartcellen in de natuur is om bloed door het lichaam te pompen, dus die kunnen zich wel samentrekken en beweging creëren.

Die twee basiseigenschappen, niet-bewegend en bewegend, werden aan de cellen gehecht, die de computer daarna als 3D-bouwstenen gebruikte.

Tot slot voerden de onderzoekers een overkoepelend doel in, zoals ‘een snelle beweging in een rechte lijn van A naar B’, en toen begon de evolutie – in nullen en enen.

De computer werkte met een zogeheten evolutionair algoritme, dat zijn eigen snelle versie van natuurlijke mutaties doorvoert.

Zo duurde het slechts circa 20 uur om een biobot te ontwikkelen, terwijl het volgens onderzoek van de Oregon State University ongeveer een miljoen jaar duurt voordat een wezenlijke mutatie, bijvoorbeeld een nieuwe lichaamslengte, een blijvende eigenschap van een soort wordt.

De computerevolutie begon voor elk doel, zoals kracht of snelheid, 50 willekeurige biobots samen te stellen.

De 50 ‘ontwerpen’ werden in een gesimuleerde 3D-wereld gemaakt, waarin het algoritme de biobots kan bouwen, testen, ontwikkelen en verfijnen. Daarna maakte de computer 50 nieuwe aan, vergelijkbaar met de eerste 50, maar met kleine mutaties en variaties in de exacte samenstelling van bouwstenen.

10.000 cellen van kikkerembryo’s vormen samen een van de zogeheten biobots.

Bij de groep van in totaal 100 biobots werd vervolgens getest – in een simulatie op de computer – hoe snel ze bijvoorbeeld door een petrischaal heen trokken.

De snelste 50 werden geselecteerd en de langzaamste 50 werden weggegooid. Zo kwam de computer met een nieuwe generatie van nog betere biobots.

Vanuit deze generatie ontwierp de computer opnieuw 50 biobots met kleine mutaties, zodat het totaal weer 100 was. En weer werden ze getest; de 50 snelste werden uitgeroepen tot ‘winnaars’ en de 50 traagste werden weggedaan. En zo ging het evolutieproces in totaal 1000 generaties door.

De supercomputer die de biobots heeft gemaakt, voerde het evolutieproces uit voor 100 vertakkingen van de levende robotjes. En toen de digitale evolutie voltooid was, konden de biologen van Tufts University de wezentjes voorzien van echte kikkercellen.

Eerst namen ze huid- en hartstamcellen van embryo’s van de klauwkikker af. De cellen werden samengevoegd in kleine bolletjes en groeiden door celdeling.

Toen er circa 10.000 cellen per bolletje waren met afwisselende lagen van huid- en hartcellen, begonnen de wetenschappers de wezens vorm te geven volgens het recept van computerevolutie.

Ze verwijderden cellen met elektroden en een pincet onder een microscoop, instrumenten van de microchirurgie, om de ‘blauwdruk’ van de computer zo veel mogelijk te benaderen.

Daarbij werd circa de helft van de cellen uit elk biobotje gesneden.

Computersimulationer

Computersimulaties lieten tot verrassing van de onderzoekers zien dat verschillende typen biobots kunnen samenwerken, al hebben ze geen hersenen. Het principe werd getest in een petrischaal met roze kleurstofdeeltjes, die door biobots op een ‘hoop’ werden geschoven.

© Douglas Blackiston/Sam Kriegman

10.000 cellen pikken plastic op

De biobots begonnen zich te gedragen zoals de computer al had voorspeld. Sommige bewogen in rechte lijnen en sommige in cirkels, terwijl andere even samengingen om taken op te lossen.

Deze verbindingen kwamen spontaan tot stand als de biobots elkaar raakten, en de ‘samenwerking’ was een gedrag dat de computer, tot verbazing van de onderzoekers, zelf in zijn simulaties had ontwikkeld.

Het leek er zelfs op dat een stel biobots samen deeltjes kon verzamelen. De onderzoekers testten het digitale gedrag in de echte wereld door een petrischaal te vullen met kleurstofdeeltjes en biobots.

En inderdaad, een groepje biobots schoof de kleurstofdeeltjes op een hoop. Dit geeft de wetenschappers de hoop dat de biobots ooit een van de grootste milieuproblemen van nu kunnen oppakken: microplastics in zee.

Biobots kunnen genezen

Het vermogen van biobots om objecten te verplaatsen kan ook in andere contexten worden gebruikt.

Bij één type biobot heeft de computer een gat in het midden gemaakt om de taak ‘beweging met zo min mogelijk wrijving door een vloeistof’ uit te voeren. Maar door kleine mutaties bleek dat het gat ook voorwerpen kan vervoeren.

Hier roken de onderzoekers meteen kansen: zo kan een biobot nanodeeltjes met kankermedicijnen in het lichaam van een kankerpatiënt rondbrengen en zieke cellen behandelen zonder het gezonde weefsel te beschadigen, zoals bij traditionele chemotherapie wel gebeurt.

Omdat de biobots nog geen millimeter groot zijn en na circa een week vanzelf worden afgebroken, kunnen ze de nieuwe bezorgers van het lichaam worden en kleine beetjes medicatie afleveren op specifieke plekken.

En biobots die tegen kleine objecten kunnen duwen, kunnen wellicht aderverkalking uit de aderen van patiënten verwijderen.

Biobots bevatten vetten en eiwitten, waarmee ze circa een week kunnen leven. In die tijd kunnen ze bijvoorbeeld microplastics uit zee vissen of kankermedicijnen in een lichaam afleveren, waarna ze op natuurlijke wijze worden afgebroken.

Biobotter fjerne plastik
© Claus lunau & Lotte Fredslund & Douglas Blackiston/Sam Kriegman

Plasticafval uit de oceaan verwijderen

Verschillende typen biobots kunnen samenwerken in paren. Daarmee kunnen ze een taak veel efficiënter oplossen, zoals kleine deeltjes op een hoop schuiven. Daardoor kunnen biobots, die zelf snel afbreken in de natuur, microplastics in de oceanen verzamelen.

Biobot løsner kalk
© Claus lunau & Lotte Fredslund & Douglas Blackiston/Sam Kriegman

Kalk losmaken van bloedvaten

Eén type biobot heeft de vorm van een driehoek met een haakje eraan. Dit haakje werkt als een grijper, waarmee de biobot kleine dingen kan vastpakken en één kant op kan duwen. Volgens de onderzoekers kunnen biobots dus ook bloedvaten zuiveren van bijvoorbeeld kalk.

Biobot leverer medicin til kræftpatient
© Claus lunau & Lotte Fredslund & Douglas Blackiston/Sam Kriegman

Medicijnen afleveren aan kankerpatiënten

Sommige biobots hebben een gat in het midden om de wrijving met de omringende vloeistof te verminderen. Maar met dat gat kan een biobot ook kleine objecten vervoeren, zoals nanodeeltjes met kankermedicijnen, die in het lichaam naar kankercellen worden gebracht.

Zelfgenezende biobots

Biobots kunnen zichzelf ook genezen. De onderzoekers ontdekten dit nadat ze een van de wezentjes met een pincet uit elkaar hadden gehaald, want er groeiden nieuwe cellen die de breuken dicht maakten.

Het zelfherstellend vermogen staat heel hoog op de verlanglijst van wetenschappers en van bedrijven die robots ontwikkelen die veel meer op eigen houtje moeten gaan werken.

Als een robot bijvoorbeeld een rampgebied opruimt na een nucleair ongeval en gewond raakt, zal hij tijd besparen als hij zichzelf herstelt in plaats van te moeten wachten op de hulp van menselijke technici.

De onderzoekers hebben ook een biobot op zijn rug gelegd, waarna hij bijna niet meer kon bewegen. Dat kwam overeen met de resultaten van de computersimulaties.

Daarmee werd duidelijk dat het verband tussen het biobotgedrag in de digitale en in de analoge wereld niet zomaar toeval was.

Deze aanvullende test bewees dus dat de computer inderdaad een nieuwe vorm van leven had gecreëerd die zich precies zo gedroeg als hij was geprogrammeerd.

Levensvorm kondigt tijdperk aan

De biobots kondigen een nieuw tijdperk aan van door de computer ontworpen leven.

Inmiddels is wel bewezen dat een computer organismen kan produceren die mensen niet konden voorspellen, ook al hebben de onderzoekers zelf de richtlijnen opgesteld.

Biobots zijn dus nieuwe organismen die computers bedenken door middel van een digitale evolutie. En de grootste doorbraak is niet eens gelegen in het uitvoeren van taken – dat is de kennis die biobots ons kunnen geven over cellen. Wetenschapper Michael Levin legt dit uit: evolutionaire algoritmen kunnen ons helpen de cellen van het zeer prille menselijke lichaam te begrijpen.

‘De hamvraag is hoe cellen samenwerken om lichamen met een complexe werking op te bouwen tijdens de ontwikkeling van de foetus. Hoe weten ze wat ze moeten maken, en welke signalen wisselen ze uit om deze anatomie op te bouwen – en daar op het juiste moment mee te stoppen? Dat is heel belangrijk, niet alleen om de evolutie van de lichaamsvormen en de functies van het DNA te kunnen begrijpen, maar voor alle biogeneeskunde,’ aldus Levin.

Als er een antwoord komt op die vragen, zal er een wereld opengaan van ontworpen organismen – of lichaamsdelen.

‘Het gaat om controle over de anatomie,’ licht Levin toe. Door biologisch weefsel te ontwerpen, kunnen we repareren wat we willen.

We kunnen misvormingen bij baby’s verhelpen, tumoren herprogrammeren tot normaal weefsel en het lichaam leren zich te herstellen na ongevallen. Zelfs de dood zal niet langer onvermijdelijk zijn, want als computers lichaamsweefsels zo ontwerpen dat ze continu regenereren, verouderen we dan nog wel?

De nieuwe biobots zijn volgens Michael Levin een belangrijke eerste stap in de richting van deze duizelingwekkende hoeveelheid vooruitzichten.