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2021

03

2021-03-01T12:00:00

IT-Automatisierung

RUBRIKEN

105

Forschungslabor

Aus dem Forschungslabor Folge 27

Programmierter Frosch

von John Pardey

Veröffentlicht in Ausgabe 03/2021 - RUBRIKEN

Ein Forschungsteam um Josh Bongard von der University of Vermont hat aus Froschzellen von einem Computer entworfene, weniger als einen Millimeter große Roboter erschaffen. Die Xenobots sind in der Lage, sich fortzubewegen und sich selbst zu heilen. Diese neuartigen lebendigen Maschinen sind weder ein traditioneller Roboter noch eine bekannte Tierart, sondern programmierbare Organismen.

Weltweit beschreiten Forscher unterschiedliche Wege, Organismen so zu verändern, dass sie bestimmte Eigenschaften annehmen – etwa für personalisierte Stammzelltherapien oder um Arzneimittel ohne Tierversuche zu prüfen. Jedoch erlauben die meisten der eingesetzten Methoden – als prominentestes Beispiel sei CRISPR genannt – recht wenig Einfluss auf die Struktur der veränderten Organismen und somit auch auf ihre Funktion. Bongard und seine Kollegen gehen mit Xenobots einen anderen Weg, für den sie Robotik und synthetische Biologie kombinieren.
Zwei Zellarten kombiniert
Dabei kombiniert ein Computer ein paar hundert Zellen zu verschiedenen Formen, immer mit dem Ziel, dass der so entstehende Zellhaufen eine von den Forschern gestellte Aufgabe meistern kann – etwa sich gezielt in eine Richtung zu bewegen. Dafür kommen zwei verschiedene Zelltypen zum Einsatz: pluripotente Stammzellen sowie Vorläufer von Herzmuskelzellen. Die Stammzellen sind dabei statisch, aber sie haben das Potenzial, eine Art Gewebe zu bauen. Herzmuskelzellen dagegen können pulsieren und liefern so die Bewegung.
Den "Bauplan" erstellte letztendlich der Deep Green Supercomputer an der Universität Vermont unter Einsatz künstlicher Intelligenz, in diesem Fall eines "Evolutionären Algorithmus". Dieser setzt die Zellen zunächst zufällig zusammen und ermittelt dann die Kombinationen, die die gestellte Aufgabe in der Simulation am besten bewältigen. Nach zahlreichen Durchläufen wählten die Forscher schließlich die vielversprechendsten aus, um sie im Labor aus echten Zellen nachzubauen.
Weltweit beschreiten Forscher unterschiedliche Wege, Organismen so zu verändern, dass sie bestimmte Eigenschaften annehmen – etwa für personalisierte Stammzelltherapien oder um Arzneimittel ohne Tierversuche zu prüfen. Jedoch erlauben die meisten der eingesetzten Methoden – als prominentestes Beispiel sei CRISPR genannt – recht wenig Einfluss auf die Struktur der veränderten Organismen und somit auch auf ihre Funktion. Bongard und seine Kollegen gehen mit Xenobots einen anderen Weg, für den sie Robotik und synthetische Biologie kombinieren.
Zwei Zellarten kombiniert
Dabei kombiniert ein Computer ein paar hundert Zellen zu verschiedenen Formen, immer mit dem Ziel, dass der so entstehende Zellhaufen eine von den Forschern gestellte Aufgabe meistern kann – etwa sich gezielt in eine Richtung zu bewegen. Dafür kommen zwei verschiedene Zelltypen zum Einsatz: pluripotente Stammzellen sowie Vorläufer von Herzmuskelzellen. Die Stammzellen sind dabei statisch, aber sie haben das Potenzial, eine Art Gewebe zu bauen. Herzmuskelzellen dagegen können pulsieren und liefern so die Bewegung.
Den "Bauplan" erstellte letztendlich der Deep Green Supercomputer an der Universität Vermont unter Einsatz künstlicher Intelligenz, in diesem Fall eines "Evolutionären Algorithmus". Dieser setzt die Zellen zunächst zufällig zusammen und ermittelt dann die Kombinationen, die die gestellte Aufgabe in der Simulation am besten bewältigen. Nach zahlreichen Durchläufen wählten die Forscher schließlich die vielversprechendsten aus, um sie im Labor aus echten Zellen nachzubauen.
Ein Xenobot besteht aus zwei Zellarten. Links der per künstlicher Intelligenz errechnete Bauplan,rechts ein lebendes Exemplar.
In Bewegung versetzt
Dazu vermehrte das Team um Josh Bongard Stammzellen und Herzvorläuferzellen des Afrikanischen Krallenfroschs "Xenopus laevis" – daher auch der Name "Xenobots". Anschließend fügten die Forscher sie möglichst genau nach den Bauplänen, die der Algorithmus ausgegeben hatte, zusammen und betteten in diese Hüllen dann die Vorläufer der Herzmuskelzellen ein.
Und tatsächlich begannen die etwas mehr als einen halben Millimeter kleinen gräulichen Geschöpfe, sich zu bewegen. Als Treibstoff dienen die embryonalen Energiereserven der Zellen, die die Xenobots Tage bis Wochen, ohne zusätzliche Nährstoffe, antreiben können. Auf den Rücken gedreht verloren die Bots jedoch ihre Bewegungsfähigkeit, ganz genauso wie der altbekannte Käfer. Dies ist laut Bongard jedoch mehr Feature als Bug, denn es zeige, dass die Bewegung nicht zufällig zustandekam, sondern durch die gegebene Form.
Besonders erstaunt zeigen sich die Forscher darüber, dass die Herzmuskelzellen ohne weiteres Zutun offenbar untereinander kommunizieren und sich dadurch gerichtet bewegen. Und sie reparierten sich auch selbstständig, nachdem die Wissenschaftler sie fast zerteilt hatten. Dies ist laut Bongard ebenso ein Vorteil gegenüber konventionellen Maschinen wie die Tatsache, dass Xenobots vollständig biologisch abbaubar sind.