Xenobots: Wissenschaftler erzeugen erstmals “lebende Roboter”

Basierend auf einem anatomischen Schaltplan (l.) haben US-Wissenschaftler mit Hilfe von Frosch-Haut- (grün) und Herz-Zellen (rot) einen neuen, lebenden Organismus erzeugt. Copyright: Sam Kriegman, UVM
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Basierend auf einem anatomischen Schaltplan (l.) haben US-Wissenschaftler mit Hilfe von Frosch-Haut- (grün) und Herz-Zellen (rot) einen neuen, lebenden Organismus erzeugt. Copyright: Sam Kriegman, UVM

Basierend auf einem anatomischen Schaltplan (l.) haben US-Wissenschaftler mit Hilfe von Frosch-Haut- (grün) und Herz-Zellen (rot) einen neuen, lebenden Organismus erzeugt.
Copyright: Sam Kriegman, UVM

Burlington (USA) – US-Forscher haben aus Froschembryonen gewonnene Zellen wiederaufbereitet und zu „völlig neuen Lebensformen“ zusammengesetzt. Diese millimeterbreiten sogenannten “Xenobots” können sich auf ein Ziel zubewegen, möglicherweise eine Nutzlast aufnehmen (etwa ein Medikament, das an einen bestimmten Ort innerhalb eines Patienten transportiert werden muss) und sich selbst heilen, nachdem sie zerschnitten oder verletzt wurden.

„Ein Buch besteht aus Holz. Aber es ist kein Baum“, erläutert die Pressemitteilung der University of Vermont und erklärt damit zunächst das grundlegende Prinzip hinter den ersten „lebenden Roboters“ für den Zellen zu einem neuen Zweck umprogrammiert wurden.

Wie das Team um den Robotik-Experten Joshua Bongard von der University of Vermond und Kollegen um Michael Levin von der Tufts University aktuell im Fachjournal „Proceedings der National Academy of Sciences“ (PNAS; DOI: 10.1073/pnas.1910837117) berichtet, handelt es sich dabei um „neuartige lebende Maschinen. Sie sind weder traditionelle Roboter noch eine bekannte Tierart. Es ist eine neue Klasse von Artefakten: ein lebender, programmierbarer Organismus‘.”

Die neuen Kreaturen wurden zunächst mit Hilfe eines Supercomputers entworfen und dann von Biologen an der Tufts University zusammengebaut und getestet. “Wir können uns viele nützliche Anwendungen dieser lebenden Roboter vorstellen, die andere Maschinen nicht können. So etwa die Suche nach chemischen Verbindungen oder radioaktiver Kontamination, das Aufsammeln von Mikroplastik in den Ozeanen oder das Auskratzen von Plaque in Arterien.” Damit haben die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen zum ersten Mal eine vollständig biologische Maschine von Grund auf entworfen.

Bei dem Versuch, eine von den Wissenschaftlern vorgegebene Aufgabe zu erfüllen – wie die Fortbewegung in eine Richtung -, setzte der verwendete Super-Computer immer wieder hunderte simulierter Zellen in unzählige Formen und Körperformen um. Während die auf den Grundregeln der Biophysik dessen, was einzelne Froschhaut- und Herzzellen können, basierenden Programme abliefen, wurden die erfolgreicheren simulierten Organismen beibehalten und verfeinert, während fehlgeschlagene Designs verworfen wurden. Nach rund hundert unabhängigen Durchläufen des Algorithmus wurden die vielversprechendsten Designs dann zum Testen ausgewählt.

Danach wurden Stammzellen aus den Embryonen afrikanischer Frösche der Art Xenopus laevis, gewonnen (…daher der Name “Xenobot”). Diese wurden dann in einzelne Zellen getrennt und inkubiert und sodann unter Verwendung einer winzigen Pinzette und einer noch winzigeren Elektrode geschnitten und unter einem Mikroskop zu einer der Computervorgabe möglich engen Annäherung an ein spezifiziertes Design zusammengefügt.

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Auf diese Weise entstanden Körperformen, die so in der Natur zuvor noch nie beobachtet wurden, deren Zellen aber tatsächlich zusammenarbeiten: „Die Zellhäute bildeten dabei eine Art passive Architektur, während die zuvor zufälligen Kontraktionen von Herzmuskelzellen genutzt wurden, um eine geordnete Vorwärtsbewegung zu erzeugen. Auf diese Weise und durch die durch Selbstorganisation entstandenen Muster, waren die Bots also in der Lage, sich selbst vorwärts zu bewegen und ihren Weg mehrere Tage bis zu einer Woche lang – je nachdem, wieviel embryonale Energie in den Zellen gespeichert war – in wässrigen Umgebungen zu finden.

Ein künstlich erzeugter, in diesem Fall viergliedriger Xenobot. Copyright: Sam Kriegman, UVM

Ein künstlich erzeugter, in diesem Fall ‘viergliedriger’ Xenobot.
Copyright: Sam Kriegman, UVM

In späteren Tests zeigt sich dann, dass die Xenobots sich in Kreisen bewegten und dabei Pellets an einen zentralen Ort bewegen konnten – spontan und im Kollektiv. Andere Bots wurden mit einem mittigen Loch konzipiert (s. Abb.), um auf diese Weise Wiederstand im Bewegungsmedium zu reduzieren. Mit simulierten Versionen dieser Bots waren die Forscher dann sogar in der Lage, dieses Loch auch zum Transport kleiner Objekte zu nutzen und erläutern, dass es sich dabei um einen Schritt hin zu am Computer gestalteten Organismen handelt, mit denen im Körper gezielt Medikamente transportiert und platziert werden können.

Während die meisten Technologien bislang basierend auf Plastik oder Stahl hergestellt werden, was sie entweder stark oder flexibel macht, erzeugen sie jedoch durch ihren Abfall und Reste sowohl ökologische wie potentielle Gesundheitsprobleme. „Die Kehrseite lebenden Gewebes ist, dass es meist schwach ist und leicht zerfällt“, erläutert Bongard. „Aus diesem Grund verwendet man lieber Plastik oder Stahl. Aber Organismen haben seit 4,5 Milliarden Jahren Übung darin, sich selbst zu regenerieren und jahrzehntelang zu existieren. Und wenn sie aufhören zu arbeiten – also absterben – zerfallen sie in der Regel zu harmlosen Stoffen. Auch unsere Xenobots sind vollkommen biologisch abbaubar. Wenn sie mit ihrem Auftrag nach etwa sieben Tagen fertig sind, bleiben nur noch tote Hautzellen übrig.” Zudem können sie Forscher zeigen, dass Xenobots sich selbst nach einer schweren Verwundung, wie dem gezielten Entzweischeiden, wieder zusammenfanden und heilten. „Auch das kann man von bisherigen klassischen Maschinen nun wirklich nicht erwarten.“

Für Levin, Bongard und Kollegen geht das durch die Erzeugung der Xenobots Erlernte aber weit über Fragen der Zellkommunikation und die Möglichkeiten der Computerwissenschaftlen hinaus: „Es geht um ein Verständnis des Lebens selbst: Die große Frage der Biologie ist doch die, nach den Algorithmen, die Form und Funktion bestimmen. Das Genom kodiert Proteine, aber aufgrund unserer Entdeckung können wir nun beobachten, wie sozusagen die Hardware es den Zellen ermöglicht, miteinander zu kooperieren, um so unter unterschiedlichen Bedingungen funktionierenden Anatomien zu erzeugen.“

Damit Organismen sich entwickeln und funktionieren können, braucht es fortwährend sehr viel Informationsaustausch und Kooperation – organische Computerleistung – zwischen den Zellen und das nicht nur zwischen Neuronen (Hirnzellen). Diese auftretenden und geometrischen Eigenschaften werden von bioelektrischen, biochemischen und biomechanischen Prozessen gelenkt, „die mittels einer auf DNA basierten Hardware läuft“, so Levin. „Genau diese Prozesse können rekonfiguriert werden und ermögliche so neue Lebensformen. (…) Als wir unsere Xenobots konfiguriert haben, bestanden diese ursprünglich, also genomisch betrachtet, zu 100 Prozent aus Frosch-DNA. Unsere Xenobots sind aber keine Frösche. Man muss sich also fragen, was diese (Frosch-)Zellen noch so alles erzeugen können. Wie wir gezeigt haben, können diesen Froschzellen sehr interessante neuen Lebensformen entlockt werden, wie sie sich vollständig von dem Unterscheiden, wofür sie ursprünglich anatomisch gedacht waren.“

Die Wissenschaftler um Levin zeigen sich denn auch zuversichtlich, mit ihrer Arbeit einen wichtigen Schritt hin zur Enträtselung eines „morphogenetischen Codes“ getan zu haben, indem sie neue Erkenntnisse darüber liefern, wie Organismen organisiert sind und wie sie, abhängig von ihrer Geschichte und Umgebung, Informationen speichern und verarbeiten.

Unterschiedliche am Computer erstellte Vorgaben und die biologischen Ergebnisse neuer Lebensformen. Copyright: Sam Kriegman, UVM

Unterschiedliche am Computer erstellte Vorgaben und die biologischen Ergebnisse neuer Lebensformen.
Copyright: Sam Kriegman, UVM

Mit derartigen Biotechnologien einhergehende Ängste (das Projekt wird tatsächlich unter anderem auch von der der „Defense Advances Research Projects Agency“ – DARPA – des US-Verteidigungsministeriums unterstützt…) bezeichnen die beteiligten Wissenschaftler selbst als „nicht grundlos“ und rechtfertigen und begründen ihre Arbeit aber wie folgt: „Immer dann, wenn wir damit beginnen, mit komplexen Systemen zu experimentieren, die wir noch nicht wirklich verstehen, gehen wir auch unbeabsichtigt gewisse Risiken ein. Viele komplexe Systeme, wie beispielsweise eine Ameisenkolonie, basieren auf einer einfachen und einzelnen Einheit – also einer einzelnen Ameise. Basierend auf einer einzigen Ameise wäre es uns unmöglich, auf die Form und Funktion eine Kolonie zu schließen. Wenn die Menschheit zukünftig überleben will, so müssen wir besser verstehen lernen, wie komplexe Merkmale basierend auf einfachen Regeln hervorgehen.“ Vieles in der Wissenschaft konzentriere sich auf die Kontrolle der Regeln auf niedrigster Ebene. „Wir müssen aber auch die hochrangigen Regeln verstehen lernen. Um bei unserem Bild zu bleiben, müssen wir also wissen, wie wir Ameisen modifizieren müssen, wenn wir wollen, dass sie zwei Schornsteine statt nur einen für ihren Bau errichten. Ich denke, es ist für die Weiterentwicklung unserer Gesellschaft absolut notwendig, ein besseres Wissen über die Steuerung komplexer Systeme zu erlangen.

Ein erster Schritt hierzu sehen die Autoren in der Forschung: Wie entscheiden sich lebende Systeme für eine grundlegende Verhaltenweise und wie können wir die Einzelteile so manipulieren, dass sie schlussendlich das tun, was wir wollen?“

„Mit anderen Worten stellt unsere Studie einen direkten Beitrag dazu dar, um genau das kontrollieren zu lernen, wovor die Menschen angesichts dieser Entwicklung Angst haben: unbeabchsichtige Konsequenzen“, so Levin abschließend: „Dabei ist es gleich, ob es sich um selbstfahrende Autos, Gentechnologie oder andere komplexe und autonome Systeme handelt, mit denen die Menschheit zusehend konfrontiert wird.“ und Bongard fügt erweiternd hinzu: „In allem Leben steckt diese angeborene Kreativität. Diese wollen wir besser verstehen. Wir wollen wissen, wie wir sie steuern und in neuen Formen lenken können.“

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Quelle: University of Vermont

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