Biorobotit

Tietokone hautoo uuseliöitä

Olemme astuneet keinotekoisen elämän uuteen aikakauteen: supertietokoneen luomisvoima on nyt tuottanut evoluution keinoin elävän robotin. Olio koostuu sammakon soluista mutta ei käyttäydy kuin luonnon luomat.

Olemme astuneet keinotekoisen elämän uuteen aikakauteen: supertietokoneen luomisvoima on nyt tuottanut evoluution keinoin elävän robotin. Olio koostuu sammakon soluista mutta ei käyttäydy kuin luonnon luomat.

claus lunau & Shutterstock

Petrimaljassa vilisee alle millimetrin kokoisia olioita. Osalla pehmeistä möykyistä näyttää olevan kädet ja jalat, toiset taas näyttävät etanamaisilta.

Niillä ei kuitenkaan ole raajoja eivätkä ne läheltä tarkasteltuna ole etanoitakaan. Oudot oliot eivät muistuta oikeastaan mitään ennalta tuttua, eivätkä ne olekaan luonnon oman tuotantolinjan tuotteita.

Ne on suunniteltu tietokoneella, joka on tiivistänyt Darwinin opit ja nopeuttanut digitaalista evoluutioprosessia niin, että on saatu aikaan 100-prosenttisesti elävistä soluista koostuvien robottien valmistusohje.

Uusi elävä robottilaji on lopuksi sorvattu tietokoneella sorvattujen ohjeiden perusteella.

Supertietokone on kiihdyttänyt simuloitua evoluutioprosessia ja tuottanut lukemattomien mutaatioiden ja sukupolvien avulla parhaiten eri tehtäviin sopivat eliöt. Tulos ei ole robotti eikä eläin vaan uusi ohjelmoitu elämänmuoto.

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

1. Rakennuspalikat sammakolta

Tutkijat koodaavat rakennuspalikoista eli afrikankynsisammakon iho- (siniset palikat) ja sydänsoluista (punaiset palikat) digitaaliset versiot. Ne myös määrittelevät kehitystyölle tavoitteen, esimerkiksi ”eliön pitää liikkua nopeasti”. Tavoitteen pohjalta tietokone rakentaa 50 oliota.

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

2. Evoluutio pääsee valloilleen

Tietokone luo vielä 50 versiota. Sataa oliota testataan simulaatiossa. 50 parasta, esimerkiksi nopeinta, pääsee jatkoon, ja niiden pohjalta tehdään 50 muunnosta. Jälleen sadan ryhmää testataan ja valitaan
50 parasta. Prosessi toistetaan 1 000 kertaa.

Tutkijat ottavat alkiolta soluja
© claus lunau & Brian Gratwicke & Douglas Blackiston/Sam Kriegman & shutterstock

3. Sammakon sikiön solut

Tietokone valitsee parhaiten tarkoitukseen soveltuvan digiyksilön, ja nyt siitä tehdään totta: Sammakon alkioista kerätään kantasoluja. Soluista kasvatetaan palloja, joissa on liikkuvia ja liikkumattomia
kerroksia eli sydän- ja ihosolukerroksia. (Vasemmalla ovat iho- ja sydänsolut ja oikealla itsenäinen olio.)

Eläviä robotteja muotoillaan petrimaljassa
© claus lunau & Brian Gratwicke & Douglas Blackiston/Sam Kriegman & shutterstock

4. Solupalloista muovataan biobotteja

Solupalloja aletaan leikellä muun muassa mikrokirurgiaan kehitetyillä välineillä. Palloista poistetaan soluja, jotta saadaan aikaan tietokoneella suunniteltu muoto. Sen jälkeen ne kykenevät toimimaan
tietokonesimulaatioissa ilmenneillä tavoilla.

Tuloksena on syntynyt aivan uusi elämänmuoto, joka ei ole lihaa ja verta oleva luonnollinen olento eikä mikrosirun ohjaama robottikaan vaan jotain siltä väliltä: ohjelmoitu eliö, biobotti.

Sen ovat kehittäneet Yhdysvalloissa muun muassa Tufts-yliopiston ja Harvardin yliopistojen tutkijat. He nimittävät otuksia lyhenteellä CDO, computer-designed organism (suomeksi ”tietokoneella suunniteltu eliö”).

CDO-oliot koostuvat afrikkalaisen Xenopus laevis -sammakon ihosoluista ja sydänlihassoluista, jotka eivät toimi enää iho- ja sydänsolujen tavoin.

Biobotti on tietokoneella suunniteltu elämänmuoto, joka ei ole oikeastaan robotti eikä eläin vaan jotain siltä väliltä.

Niille on annettu elävissä roboteissa uusia tehtäviä: sydänsolujen avulla botit pystyvät liikkumaan petrimaljassa, vaikka niillä ei ole hippustakaan aivoja eikä älykkyyttä. Biobotit kykenevät myös yhteistyöhön keskenään ja jopa korjaamaan vaurionsa.

Näistä ominaisuuksista on apua, jos niitä tulevaisuudessa käytetään ympäristön puhdistamiseen saasteista, kuten keräämään mikromuovia valtameristä tai hajottamaan ydinjätettä.

Biobotit kelpaavat muuhunkin kuin vain käytännön ongelmien ratkaisemiseen. Ne voivat auttaa tutkijoita ymmärtämään, miten solut viestivät keskenään ja miten niistä muodostuu eliöitä, biobottihankkeen johtava tutkija Michael Levin kertoo Tieteen Kuvalehdelle.

Sorbonnen yliopiston robotti

Muun muassa Sorbonnen yliopiston tutkijoiden kehittämä algoritmi kehitti jalkansa rikkoneelle robotille vaihtoehtoisen liikkumistavan, joka ei ollut juolahtanut tutkijoille mieleen: robotin on käännyttävä ”selälleen” ja ryömittävä ”kyynärpäillään”.

© Antoine Cully/Pierre and Marie Curie University

Tällainen tieto soluista voi Levinin mukaan auttaa tutkijoita periaatteessa ”rakentamaan” mitä tahansa millaisista soluista tahansa. Ja jos kaikki voidaan antaa digitaalisen Darwinin suunniteltavaksi ja rakentaa laboratoriossa, sairaudet ja jopa ikääntyminen ovat pian historiaa.

Tutkijat luovat elämänmuotoja

Kaikki elämä Maassa on syntynyt miljoonien vuosien evoluution aikana.

Jokaisella lajilla elinkelpoisuutta parhaiten edistävät ratkaisut, olipa kyse sitten raajojen lukumäärästä, sopeutuvuudesta tai älykkyydestä, ovat siirtyneet seuraavalle sukupolvelle, ja lukemattomien pienien mutaatioiden ansiosta laji on hioutunut nykyiselleen.

Entäpä, jos uusien lajien ilmestymistä ei tarvitsisi odottaa aina miljoonia vuosia, vaan voisimme itse askarrella niitä laboratoriossa? Tällä kysymyksellä ihmiset ovat leikitelleet pitkään.

Ajatellaanpa vaikka Mary Shelleyn 200 vuotta sitten kirjoittamaa tarinaa tohtori Frankensteinin hirviöstä. Tarinassa tohtori kokosi uuden pelottavan olion kuolleiden kudoksista ja onnistui vielä herättämään sen henkiin.

Viimeisten 20 vuoden aikana haave keinotekoisen elämän luomisesta on siirtynyt laboratorioihin.

Geenitutkija J. Craig Venter

J. Craig Venter loi vuonna 2010 uudenlaista elämää laboratoriossa siirtämällä soluun synteettistä dna:ta. Solu alkoi käyttäytyä dna:n koodin mukaan.

© David S. Holloway/Getty Images

Alan ovat mullistaneet hankkeet, joilla melko monen eliön koko perimä on onnistuttu kartoittamaan, mikä on antanut kehitystyölle hyvän pohjan.

Nyt tiedetään, millainen ”ohjelma” eri eliöiden toimintaa säätelee, ja vuonna 2010 tutkimus poikikin ison läpimurron.

Tuolloin yhdysvaltalaisen geenitutkijan J. Craig Venterin johtama ryhmä onnistui luomaan pätkän keinotekoista dna:ta ja siirtämään sen elävään soluun. Solu muutti käyttäytymistään siirretyn dna:n mukaiseksi.

Sitä voidaan pitää maailman ensimmäisenä synteettisenä eliönä, joka oli suunniteltu ja ”ohjelmoitu” laboratoriossa.

Sittemmin tutkijat ovat tehneet useita muitakin kokeita niin synteettisellä rna:lla kuin mekaanisista osista ja soluista kootuilla hybridieliöilläkin. Biobotit antavat tutkimukselle silti aivan uuden suunnan.

Katso, miten biobotteja luodaan laboratoriossa

Kaikki tähänastiset elämänmuodot ovat olleet tutkijoiden suunnittelemia. Ihmiset ovat kirjoittaneet reseptin, jonka pohjalta heidän ”Frankensteinin hirviönsä” ovat toimineet, kun ne on herätetty henkiin.

Biobotit ovat sen sijaan tietokoneen suunnittelemia, ja niiden henkiin herättäminen petrimaljassa on tapahtunut tietokoneen ohjeiden mukaan.

Uusia olioita versoaa elatusmaljasta

20:n viime vuoden aikana laboratorioissa on kehitetty useita uusia elämänmuotoja, mutta ne ovat yleensä olleet kemistien ja biologien käsialaa. Sen sijaan biobotit, joissa soluille annetaan uusia tehtäviä, ovat tietokoneen kehittämiä.

Diginä evoluutio kestää 20 tuntia

Uusi elämänmuoto rakennettiin muutamista peruspalikoista, joiksi oli valittu afrikankynsisammakon solut. Hankkeen ensimmäisessä vaiheessa sammakon kaksi solutyyppiä, ihosolut ja sydänlihassolut, muunnettiin tietokonekoodiksi.

Ihosolujen perustehtävä luonnossa on suojata sammakon sisäosia muun muassa tulehduksilta, eivätkä ne kykene liikkumaan.

Sydänsolujen tehtävä luonnossa on taas pumpata verta sammakon ruumiiseen, minkä vuoksi ne kykenevät supistumaan ja luomaan liikettä.

Solujen tai oikeammin tietokoneen käyttämien rakennuspalikoiden koodiin sisällytettiin nämä kaksi ominaisuutta eli liikkumattomuus ja liikkuvuus.

Lopuksi tietokoneohjelmaan syötettiin evoluution tavoite, esimerkiksi ”nopea siirtyminen suoraan paikasta A paikkaan B”, ja käynnistettiin nollien ja ykkösten muutoksina tapahtuva evoluutio.

Tietokoneohjelma käytti evoluutioalgoritmia, joka jäljittelee luonnossa tapahtuvia mutaatioita mutta tekee sen nopeasti.

Yhden biobotin kehittäminen kesti vain noin 20 tuntia, kun Oregonin osavaltionyliopiston laskelmien mukaan yhden olennaisen, esimerkiksi eliön kokoon vaikuttavan ja lajille pysyvän mutaation syntymiseen kuluu luonnossa noin miljoona vuotta.

Kokeessa digitaalinen evoluutio kehitti suurta voimaa, nopeutta tai muuta päämäärää kohden 50 satunnaisen biobotin piirustukset.

Tämän jälkeen nämä 50 versiota rakennettiin 3D-simulaatiossa, missä niitä testattiin ja niiden yksityiskohtia vielä hiottiin. Sen jälkeen evoluutioalgoritmi tuotti 50 uuden biobotin piirustukset. Ne muistuttivat alkuperäisiä mutta olivat silti joiltain yksityiskohdiltaan hieman erilaisia.

10 000 sammakon alkion solua muodostaa yhden niin sanotun biobotin.

Sadan biobotin ryhmää testattiin tietokonesimulaatiolla, jotta saatiin selville esimerkiksi se, kuinka nopeasti ne uivat petrimaljan poikki. 50 nopeinta bottia pääsi jatkoon, ja ne muodostivat parhaiten tehtävään soveltuvan sukupolven.

Tämän sukupolven pohjalta luotiin evoluutioalgoritmilla ja pienillä mutaatioilla jälleen 50 uutta biobottia, jolloin biobottien kokonaismäärä kasvoi taas sataan.

Taas ryhmää testattiin, ja 50 nopeinta valittiin jatkokehitykseen ja 50 hitainta hylättiin. Tätä toistettiin kaikkiaan tuhannen biobottisukupolven verran.

Biobotit suunnitellut supertietokone kehitti evoluutioprosessilla bioboteista sata alalajia, jotka poikkesivat hitusen toisistaan. Kun digitaalinen lajinkehitys oli valmis, Tufts-yliopiston tutkijat pääsivät rakentamaan botteja oikeista sammakonsoluista.

Ensin he eristivät afrikankynsisammakon alkioista ihon ja sydämen kantasoluja. Soluista muodostettiin kumpaakin solutyyppiä sisältäviä palloja, jotka saivat jakaantua, kunnes koossa oli noin 10 000 solua.

Sen jälkeen tutkijat alkoivat muokata solupalloja tietokoneella kehitettyjen piirustusten mukaiseksi.

Palloja muovattiin ja soluja poistettiin mikroskoopin alla mikrokirurgiassa käytetyillä pinseteillä ja elektrodeilla niin, että ne muistuttivat lopulta mahdollisimman pitkälti ohjetta.

Jokaisesta solupallosta jouduttiin käytännössä karsimaan noin puolet soluista.

Tietokonesimulaatiot

Tietokonesimulaatio antoi viitteitä siitä, että useat biobottityypit kykenevät yhteistyöhön, vaikka niillä ei ole minkäänlaisia aivoja. Simulaatio osoittautui paikkansapitäväksi: petrimaljassa biobotit onnistuivat yhdessä kokoamaan yhteen punaisia värihiukkasia.

© Douglas Blackiston/Sam Kriegman

10 000 solua kerää muovia

Biobotit alkoivat käyttäytyä tietokonemallinnuksen mukaisesti. Osa liikkui suoraan eteenpäin ja osa kiersi ympyrää, kun taas toiset liittyivät hetkeksi yhteen ja suorittivat tehtäviä pareittain.

Yhdistyminen tapahtui spontaanisti biobottien kohdatessa, ja ”yhteistyö” oli käyttäytymistä, jota oli yllättäen ilmaantunut tietokonesimulaatioihin.

Näytti jopa siltä, että ryhmä biobotteja kykenisi esimerkiksi keräämään yhdessä hiukkasia.

Digitaalisessa ympäristössä havaittua toimintaa testattiin käytännössä laittamalla biobotit petrimaljaan, jossa oli värihiukkasia. Joukko biobotteja sai kuin saikin koottua värihiukkaset kasaan.

Tulos antaa toivoa siitä, että bioboteilla voitaisiin jonain päivänä ratkaista yksi nykypäivän isoimmista ympäristöongelmista eli päästä eroon merien mikromuovista.

Biobotit voivat parantaa

Reiällinen biobotti voisi kuljettaa syöpälääkettä sisältäviä nanohiukkasia syöpäpotilaan elimistössä juuri oikeaan kohtaan vahingoittamatta ympäröiviä kudoksia kuten perinteinen solunsalpaajahoito.

Koska biobotit ovat alle millimetrin mittaisia ja ne hajoavat noin viikossa, niitä voitaisiin hyvinkin käyttää täsmälääkintään.

Muita biobotteja, jotka muotoilunsa ansiosta pystyvät siirtelemään hiukkasia, voitaisiin ehkä käyttää kalkkeumien poistamiseen verisuonista.

Koska biobotit koostuvat rasvoista ja proteiineista, niiden elinikä on vain noin viikon. Ne ehtisivät siksi esimerkiksi kerätä valtameristä mikromuovia tai kuljettaa syöpälääkkeitä ympäri kehoa, ennen kuin ne hajoaisivat luonnostaan.

Biobotit siivoavat muovia
© Claus lunau & Lotte Fredslund & Douglas Blackiston/Sam Kriegman

Muovijätteen siivous valtameristä

Erityyppiset biobotit voivat kytkeytyä yhteen. Sen ansiosta ne voivat suorittaa tehokkaasti tehtäviä, joissa vaaditaan yhteistyötä, kuten koota hiukkasia yhteen kasaan. Tästä syystä niistä voi olla apua mikromuovin keräämisessä merestä, vaikka ne hajoavatkin nopeasti.

Biobotti irrottaa kalkkia
© Claus lunau & Lotte Fredslund & Douglas Blackiston/Sam Kriegman

Kalkkeumien irrotus verisuonista

Yksi biobottityyppi on muodoltaan kolmiomainen, ja sen yhdessä kulmassa on lovi. Lovi toimii tarttumavälineenä, jolla biobotti voi pitää kiinni pienistä esineistä työntäessään niitä yhteen suuntaan. Tämän ansiosta sen arvellaan kykenevän siivoamaan verisuonia.

Biobotti kuljettaa lääkettä syöpäpotilaassa
© Claus lunau & Lotte Fredslund & Douglas Blackiston/Sam Kriegman

Lääkkeen kuljetus syöpäkasvaimeen

Osalla bioboteista on keskellään reikä, jonka alkuperäinen tehtävä on vähentää vastusta sen uidessa nesteessä. Reikää voidaan kuitenkin muokata niin, että biobotti voisi kuljettaa elimistössä esimerkiksi syöpälääkettä sisältäviä nanohiukkasia syöpäsoluihin.

Itsensä parantavat biobotit

Liikkumisen lisäksi biobotit osaavat myös parantaa itsensä. Tämä selvisi, kun tutkijat olivat pinseteillä tehneet yhteen bioboteista reiän, jonka biobotti sitten paikkasi kasvattamalla siihen uusia soluja.

Tämänkaltainen uusiutumiskyky on ollut korkealla itsenäisesti toimiva robotteja kehittävien tutkijoiden ja yritysten toivelistalla.

Jos esimerkiksi ydinonnettomuusaluetta siivoava robotti vaurioituu, säästyy aikaa, jos se pystyy korjaamaan itse itsensä eikä tarvita ihmisten apua.

Kun tutkijat käänsivät kokeeksi yhden biobotin selälleen, se ei enää pystynyt liikkumaan, kuten tietokonesimulaatiossa oli ennustettu.

Koe todisti, ettei simulaatioiden ja todellisen elämän kokeinen välinen yhteys ollut sattumaa. Testi osoitti myös, että tietokone oli kehittänyt elämänmuodon, joka käyttäytyi juuri siten kuin se oli ohjelmoitu käyttäytymään.

Uusi eliö enteilee uutta aikaa

Biobotit ovat kiistämättä uuden aikakauden airuita. Ne osoittavat, että tietokoneella voidaan luoda eliöitä, joita tutkijat eivät pysty edes kuvittelemaan, vaikka he ovat itse määritelleet eliöiden luomisen reunaehdot.

Vastaavalla evoluutioalgoritmilla voidaan kehittää paljon muitakin uusia eliöitä. Mullistavinta ei itse asiassa ole se, millaisia tehtäviä biobotit pystyvät hoitamaan, vaan se, millaista tietoa niistä saadaan soluista, tutkija Michael Levin selittää.

Levinin mukaan evoluutioalgoritmit voivat auttaa meitä ymmärtämään solujen toimintaa ihmisen kehityksen alussa: ”Iso kysymys on, miten solut tekevät yhteistyötä rakentaessaan kudoksia ja elimiä yksilönkehityksen aikana.

Miten ne tietävät, mitä pitää rakentaa, ja millaisia signaaleja ne vaihtavat ihmisen anatomiaa muovatessaan, ja miten ne osaavat pysähtyä juuri oikeaan aikaan? Sen selvittäminen on tärkeää – ei vain kehon muovautumisen ja perimän toiminnan evoluution ymmärtämiseksi vaan myös kaikelle biolääketieelle.”

Jos tutkijat löytävät vastaukset kaikkien eliöiden alkuvaihetta koskeviin kysymyksiin, eliöiden suunnittelu tietokoneella voi lähteä aivan uusille urille ja tiedon avulla voidaan ehkä muokata myös ihmisen elimistön osia. Levin ottaa yhdeksi esimerkiksi tarttuvien tautien hillitsemisen.

”Kyse on anatomian hallinnasta”, hän sanoo ja selittää, että jos voimme suunnitella biologista kudosta, voimme myös korjata sitä halutessamme.

Voimme ehkäistä vastasyntyneiden epämuodostumia, ohjelmoida syöpäkasvaimet muuttumaan tavalliseksi terveeksi kudokseksi ja ”opettaa” elimistön uusiutumaan onnettomuuksien jälkeen.

Kuolemakaan ei ole silloin enää väistämätön, sillä jos kudokset uusiutuvat jatkuvasti, ikääntymistä ei välttämättä tapahdu. Levinin mukaan biobotit ovat tärkeä ensi askel kohti huimaavia tulevaisuudennäkymiä.