Ιδού τα πρώτα «ζωντανά ρομπότ»

31/01/2020

Είναι εντελώς νέες μορφές ζωής που δημιουργήθηκαν από κύτταρα βατράχου και υπόσχονται να νικήσουν πλήθος νόσων και συγχρόνως να μετατραπούν σε «σωτήρες» του περιβάλλοντος

Τα xenobots «βαφτίστηκαν» έτσι επειδή δημιουργούνται από τα βλαστικά κύτταρα ενός αφρικανικού βατράχου του είδους Xenopus laevis

Γράφει η Θεοδώρα Τσώλη 

Είναι τα πρώτα «ζωντανά ρομπότ» στον κόσμο. Είναι τόσα δα (το πλάτος τους δεν ξεπερνά το ένα χιλιοστόμετρο). Έχουν την ικανότητα να περπατούν και να κολυμπούν, να επιβιώνουν επί ημέρες χωρίς τροφή, να επουλώνουν τις «πληγές» τους και να συνεχίζουν ακάθεκτα. Μπορούν επίσης να συνεργάζονται για έναν κοινό σκοπό αρμονικά και να οδηγούνται σε προγραμματισμένο θάνατο όταν ολοκληρώσουν το έργο τους. Είναι τα xenobots – «βαφτίστηκαν» έτσι επειδή δημιουργούνται από τα βλαστικά κύτταρα ενός αφρικανικού βατράχου του είδους Xenopus laevis – και πρόκειται για εντελώς νέες μορφές ζωής, σύμφωνα με τους δημιουργούς τους. Και για όσους στο άκουσμα σχετικά με νέες μορφές ζωής έχουν ήδη κάνει σενάρια καταστροφής, φαίνεται ότι αντιθέτως τα xenobots έχουν όχι απλώς… φιλικές διαθέσεις προς την ανθρωπότητα, αλλά ακόμη και…  σωτήριες σε ό,τι αφορά τις καταστροφές που εκείνη προκαλεί στον δόλιο πλανήτη μας. Ας γνωρίσουμε λοιπόν καλύτερα τους νέους διαφαινόμενους «συμμάχους» μας που γεννήθηκαν στο εργαστήριο, με τη βοήθεια ενός εκ των επικεφαλής της νέας πρωτοποριακής μελέτης για τα xenobots, του καθηγητή Βιολογίας στο Πανεπιστήμιο Ταφτς, διευθυντή του Κέντρου Ανακαλύψεων Allen και του Κέντρου για την Αναγεννητική και την Αναπτυξιακή Βιολογία του Ταφτς, δρος Μάικλ Λέβιν, ο οποίος ήταν και ο… βιολογικός πατέρας τoυς.

Ο καθηγητής Βιολογίας στο Πανεπιστήμιο Ταφτς Μάικλ Λέβιν ήταν ο επιστήμονας που δημιούργησε τα xenobots στο εργαστήριο

Η μελέτη σχετικά με τα xenobots που δημοσιεύθηκε στις 13 Ιανουαρίου στην επιθεώρηση «Proceedings of the National Academy of Sciences» διεξήχθη από ερευνητές του Πανεπιστημίου του Βερμόντ και του Πανεπιστημίου Ταφτς με χρηματοδότηση της Υπηρεσίας Έρευνας Προηγμένων Αμυντικών Συστημάτων του αμερικανικού υπουργείου Αμυνας (DARPA) και του Εθνικού Ιδρύματος Επιστημών των ΗΠΑ. Και μπορεί να έμοιαζε με σενάριο επιστημονικής φαντασίας, επρόκειτο ωστόσο για ένα άκρως ρεαλιστικό σενάριο που εμπεριείχε άπλετη… επιστημονική φαντασία. «Τέκνα» αυτής της επιστημονικής φαντασίας ήταν οι «καινοτόμες ζωντανές μηχανές, που δεν αποτελούν ούτε παραδοσιακά ρομπότ ούτε κάποιο γνωστό είδος ζώου. Πρόκειται για μια νέα τάξη ζωντανών, προγραμματιζόμενων οργανισμών» κατά τους ερευνητές.

 

Σχεδιασμός και «γέννηση»

Τα νέα αυτά όντα σχεδιάστηκαν στον υπερυπολογιστή Deep Green του Πανεπιστημίου του Βερμόντ από τον Τζόσουα Μπόνγκαρντ, καθηγητή στο Τμήμα Επιστήμης Υπολογιστών και στο Κέντρο Πολύπλοκων Συστημάτων του Βερμόντ και τον διδακτορικό φοιτητή του και πρώτο συγγραφέα της νέας μελέτης Σαμ Κρίγκμαν. Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν έναν εξελικτικό αλγόριθμο (οι εξελικτικοί αλγόριθμοι αποτελούν μεθόδους αναζήτησης πιθανοτήτων που μιμούνται τη διαδικασία της βιολογικής εξέλιξης) προκειμένου να δημιουργήσουν πολλά υποψήφια σχέδια των νέων μορφών ζωής. Ανέθεταν ένα διαφορετικό καθήκον – όπως κίνηση προς μια κατεύθυνση – τη φορά σε αυτούς τους υποψήφιους οργανισμούς σε προσομοίωση και ανάλογα με τις επιδόσεις κρατούσαν κάποιους τους οποίους και βελτίωναν. Ο αλγόριθμος «έτρεξε» περί τις 100 φορές και τελικώς επελέγησαν για δοκιμές τα πιο υποσχόμενα σχέδια.

Στο σημείο αυτό ανέλαβε δράση ο καθηγητής Λέβιν (με τη σημαντική συμβολή του ειδικού στη μικροχειρουργική Ντάγκλας Μπλάκιστον) ο οποίος έδωσε «σάρκα και οστά» στα σχέδια του υπολογιστή. Αρχικώς, όπως περιέγραψε ο δρ Λέβιν στο «Βήμα», συνέλεξε βλαστικά κύτταρα από έμβρυα του βατράχου Xenopus laevis. Γιατί κύτταρα βατράχου; «Εργαζόμαστε συνέχεια με έμβρυα βατράχου καθώς αποτελούν ένα πολύ καλό μοντέλο για την κατανόηση της εμβρυογένεσης, της αναγέννησης ιστών, διαφορετικών νόσων, ακόμη και συμπεριφορών» εξήγησε ο καθηγητής. Μετά την απομόνωσή τους τα κύτταρα καλλιεργήθηκαν στο εργαστήριο ώστε να διαφοροποιηθούν σε κύτταρα του καρδιακού μυός τα οποία συσπώνται καθώς και σε κύτταρα του δέρματος τα οποία δεν συσπώνται. Στη συνέχεια με χρήση μικροσκοπικών λαβίδων και ακόμη πιο μικροσκοπικών ηλεκτροδίων, οι ειδικοί του Ταφτς έκοψαν ένα-ένα τα κύτταρα δέρματος και καρδιακού μυός που χρησιμοποίησαν και τα ένωσαν κάτω από το μικροσκόπιο ώστε οι οργανισμοί που δημιουργούσαν να προσομοιάζουν όσο πιο πολύ γινόταν στα σχέδια που είχαν παραχθεί από τον υπολογιστή. Ουσιαστικώς οι ερευνητές ανέμειξαν «ενεργητικά κύτταρα», όπως αυτά του καρδιακού μυός με «παθητικά» κύτταρα, όπως αυτά του δέρματος, εκμεταλλευόμενοι τη φυσική τάση των κυττάρων να φτιάχνουν ομάδες.
Τα κύτταρα δημιούργησαν τελικώς μικροσκοπικούς οργανισμούς με σχήματα που δεν υπάρχουν στη φύση και άρχισαν να συνεργάζονται μεταξύ τους. Τα δερματικά κύτταρα δημιούργησαν πιο «στατικές» δομές ενώ τα κύτταρα του καρδιακού μυός χάρισαν αυτόνομη κίνηση στα xenobots. Οι οργανισμοί που προέκυψαν απεδείχθη ότι ήταν σε θέση να κινούνται συντονισμένα και να εξερευνούν το υδάτινο περιβάλλον στο οποίο τοποθετήθηκαν επί ημέρες ή εβδομάδες χρησιμοποιώντας τις εμβρυϊκές αποθήκες ενέργειας. Περαιτέρω πειράματα, όπως ανέφερε ο καθηγητής Λέβιν, έδειξαν ότι «κάποιες ομάδες από xenobots ήταν σε θέση να κινούνται σε σχήμα κύκλου σπρώχνοντας μικρά σφαιρίδια σε ένα κεντρικό σημείο – οι οργανισμοί κινούνταν αυθόρμητα και συλλογικά. Άλλοι από τους οργανισμούς είχαν δημιουργηθεί ώστε να φέρουν μια οπή στο κέντρο τους και εκμεταλλευθήκαμε αυτή την οπή η οποία χρησιμοποιήθηκε ως «θήκη» για τη μεταφορά αντικειμένων. Οργανισμοί με τέτοιο σχήμα θα μπορούσαν να μετατραπούν σε πολύ καλά «οχήματα μεταφοράς» φαρμάκων».

Ένα xenobot που φέρει κύτταρα του καρδιακού μυός (αποτυπώνονται με κόκκινο χρώμα). Η τεχνητή νοημοσύνη προσδιόρισε το σχήμα του οργανισμού καθώς και το σημείο στο οποίο θα διαθέτει μυ ώστε να μπορεί να κινείται προς τα εμπρός

Θαυμαστές ιδιότητες για οργανισμούς που σχεδιάστηκαν σε υπολογιστή και δημιουργήθηκαν από βατραχίσια κύτταρα, σωστά; Και δεν είναι οι μόνες. Λάβετε επίσης υπόψη ότι τα xenobots είναι πλήρως βιοδιασπώμενα (αφού επιτελέσουν το έργο τους επί κάποιες ημέρες απλώς μετατρέπονται σε… νεκρά κύτταρα) – μεγάλο πλεονέκτημα σε σχέση με τις υπάρχουσες τεχνολογίες ρομπότ και άλλων προηγμένων ηλεκτρονικών συστημάτων οι οποίες βασίζονται στη χρήση πολλών συνθετικών υλικών που μπορούν να είναι ακόμη και τοξικά για το περιβάλλον και τον άνθρωπο. Και κάτι επιπλέον: ακόμη και αν τα ζωντανά ρομπότ κοπούν στη μέση, έχουν την ικανότητα να… μαζεύουν τα κομμάτια τους, να ανασυντάσσονται, να λαμβάνουν την προηγούμενη μορφή τους και να συνεχίζουν ακάθεκτα το έργο τους.

 

Πλήθος πιθανών εφαρμογών

Πώς θα μπορούσαμε λοιπόν να εκμεταλλευθούμε όλα αυτά τα χαρακτηριστικά; Τι εφαρμογές θα μπορούσαν να έχουν τα xenobots, ρωτήσαμε τον καθηγητή Λέβιν. Όπως απάντησε, «στο κοντινό μέλλον τέτοιου είδους οργανισμοί θα ήταν δυνατόν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία ιστών – όπως ο ιστός του χόνδρου ή των οστών –  για μεταμόσχευση στον ανθρώπινο οργανισμό. Θα μπορούσαν να βοηθήσουν επίσης σημαντικά στο κυνήγι των καρκινικών κυττάρων, στην απομάκρυνση της αθηρωματικής πλάκας από τα τοιχώματα των αρτηριών αλλά και στη μεταφορά φαρμάκων εντός του σώματος. Θα μπορούσαν να αποτελέσουν και σημαντικούς συμμάχους σε ό,τι αφορά την προστασία του περιβάλλοντος μέσω του εντοπισμού μικροπλαστικών ή τοξινών στο νερό τα οποία και θα συλλέγουν ή θα εξουδετερώνουν. Μια άλλη πιθανή εφαρμογή τους θα ήταν το να εντοπίζουν επικίνδυνες βιοχημικές ουσίες σε δυσπρόσιτα περιβάλλοντα». Ωστόσο, σύμφωνα με τον καθηγητή, ο μακροπρόθεσμος στόχος από τη χρήση των xenobots, «η μεγάλη εικόνα», αφορά το να δοθούν απαντήσεις σε κρίσιμα βιολογικά ερωτήματα: «Πώς τα κύτταρα συνεργάζονται ώστε να χτίσουν πολύπλοκα λειτουργικά σώματα; Πώς γνωρίζουν ποιους ακριβώς ιστούς πρέπει να δημιουργήσουν κάθε φορά και τι είδους σήματα ανταλλάσσουν ώστε να επιτύχουν κάτι τέτοιο; Οι απαντήσεις σε αυτά τα ερωτήματα είναι άκρως σημαντικές, όχι μόνο σε ό,τι αφορά την κατανόηση της εξέλιξης των διαφορετικών οργανισμών και της λειτουργίας του γονιδιώματος, αλλά και σε ό,τι αφορά το μέλλον της βιοϊατρικής. Αν καταφέρουμε να δημιουργούμε τρισδιάστατες βιολογικές δομές κατά παραγγελία, θα είμαστε σε θέση να «επιδιορθώνουμε» γενετικά ελαττώματα, να αναπρογραμματίζουμε καρκινικούς ιστούς ώστε να γίνονται και πάλι υγιείς, να αναγεννούμε τους ιστούς σε περιοχές τραυμάτων ή σε περιοχές που εμφανίζουν εκφύλιση, ακόμη και να νικήσουμε τη γήρανση, όπως το επιτυγχάνουν οργανισμοί με μεγάλη ικανότητα αναγέννησης σαν τις πλανάριες (σ.σ. είδος σκωλήκων)».  

Μία από τις νέες μορφές ζωής με οπή στο κέντρο της. Οργανισμοί με αυτού του είδους το σχήμα μπορούν να αποτελέσουν πολύ καλά «οχήματα μεταφοράς» φαρμάκων εντός του ανθρώπινου σώματος, σύμφωνα με τους ερευνητές

Τα κύτταρα φαίνεται τελικώς ότι κρατούν πολλούς «κρυμμένους άσους» στο μανίκι τους και εμείς καλούμαστε να τους ανακαλύψουμε. «Παραμένει ακόμη άγνωστο τι μπορούν να κάνουν τα κύτταρα εκτός από το προεπιλεγμένο έργο τους εντός του σώματος. Φανταστείτε ότι καταφέραμε να φτιάξουμε τέτοιες ζωντανές δομές με χρήση φυσιολογικών κυττάρων βατράχου που διέθεταν ένα φυσιολογικό γονιδίωμα βατράχου. Ωστόσο οι οργανισμοί που δημιουργήθηκαν έχουν εμφάνιση εντελώς διαφορετική από έναν βάτραχο ενώ παράλληλα καταφέρνουν να λειτουργήσουν διαφορετικά, παρότι δεν διαθέτουν εξελικτική ιστορία σε ό,τι αφορά την πίεση που ασκεί η φυσική επιλογή, η οποία θα τους είχε επιβραβεύσει για τη συμπεριφορά τους: χρησιμοποιήσαμε, για παράδειγμα, δερματικά κύτταρα τα οποία επί εκατομμύρια χρόνια είχαν ως μόνο καθήκον το να κάθονται ήσυχα επάνω στην επιφάνεια ενός βατράχου και να κρατούν σε απόσταση τους παθογόνους οργανισμούς. Και όμως, στις νέες δομές τα κύτταρα αυτά ανέλαβαν καινούριους, πλήρως διαφορετικούς ρόλους. Όταν κατανοήσουμε πώς τα κύτταρα ενεργοποιούνται για να δημιουργήσουν συγκεκριμένες δομές, θα είμαστε πλέον σε θέση να τους στέλνουμε τα επιθυμητά κάθε φορά σήματα ώστε να δημιουργούν όποια δομή θέλουμε. Κάτι τέτοιο δεν θα έχει τεράστια επίδραση μόνο στην αναγεννητική ιατρική. Οι ίδιες αρχές θα μπορούν να εφαρμοστούν για τη δημιουργία καλύτερων ρομποτικών συστημάτων και συστημάτων επικοινωνίας, ακόμη και για καλύτερες πλατφόρμες τεχνητής νοημοσύνης». 

 

Πειράματα με ανθρώπινα κύτταρα

Με στόχο να δοθούν απαντήσεις σε αυτά τα μεγάλα ερωτήματα, η ερευνητική ομάδα του Ταφτς πειραματίζεται τώρα και με άλλα είδη κυττάρων, και συγκεκριμένα με κύτταρα θηλαστικών, όπως μας πληροφόρησε ο δρ Λέβιν. «Βρισκόμαστε σε διαδικασία πειραμάτων με διαφορετικά είδη κυττάρων, συμπεριλαμβανομένων ενηλίκων κυττάρων θηλαστικών. Θέλουμε να δούμε αν μπορούμε να καταφέρουμε τη δημιουργία δομών με τόσες ιδιότητες όσες είδαμε στη συγκεκριμένη μελέτη μέσω της χρήσης ενηλίκων και όχι εμβρυϊκών κυττάρων. Εννοείται ότι σκοπεύουμε να πειραματιστούμε και με ανθρώπινα κύτταρα ώστε να δημιουργήσουμε ζωντανές δομές που θα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για βιοϊατρικούς σκοπούς». Σε αυτό το πλαίσιο η ερευνητική ομάδα προσπαθεί τώρα να ανακαλύψει σε ποια ακριβώς ερεθίσματα πρέπει να εκθέσει τα κύτταρα ώστε να τα ωθήσει να δημιουργήσουν διαφορετικές δομές. «Προσπαθούμε να ελέγξουμε τη δομή και τη συμπεριφορά των κυττάρων, να κατανοήσουμε όλες τις συμπεριφορές και τις ιδιότητές τους. Να ανακαλύψουμε αν έχουν τη δυνατότητα της μάθησης, αν έχουν προτιμήσεις κ.ά. Προσπαθούμε επίσης να τους προσδώσουμε νέες αισθήσεις – πώς να αντιλαμβάνονται, για παράδειγμα, τα χημικά ή το φως».
Όπως όλα δείχνουν, τα xenobots έχουν πολλά να διδάξουν στους επιστήμονες και πιθανώς πολλά να προσφέρουν στον καθένα μας. Ας τα καλωσορίσουμε λοιπόν στον κόσμο μας, αφού μια ημέρα μπορεί να κυκλοφορούν εντός μας!

 

Μπορούν να αποτελέσουν απειλή;

Με τη γέννηση άγνωστων μορφών ζωής στο εργαστήριο, αυτομάτως γεννιούνται και φόβοι σχετικά με το τι μπορούν να σημάνουν τέτοιες έρευνες για το μέλλον της ανθρωπότητας. Κινδυνεύουμε από τα «ζωντανά ρομπότ»; Ιδού το καυτό ερώτημα. Ιδού και η απάντηση του καθηγητή Λέβιν που τα δημιούργησε. «Αυτή τη στιγμή θα χαρακτήριζα τέτοιου είδους φόβους αρκετά παράλογους. Οι συγκεκριμένες δομές βρίσκονται πολύ χαμηλά στη λίστα των πραγμάτων για τα οποία θα έπρεπε να ανησυχεί η ανθρωπότητα. Προηγούνται όλες αυτές οι μελέτες με ιούς, βακτήρια και άλλους μικροοργανισμούς – διότι βεβαίως και υπάρχει σημαντική τέτοιου είδους έρευνα για καλό σκοπό αλλά πιθανώς υπάρχουν και μελέτες σχεδιασμού παθογόνων παραγόντων για τρομοκρατικού τύπου εφαρμογές. Αυτά θεωρώ ότι είναι τα πραγματικά προβλήματα. Τα ρομπότ μας δεν μπορούν να αναπαραχθούν, πεθαίνουν αυτομάτως μετά από μία με δύο εβδομάδες και δεν παράγονται σε μεγάλες ποσότητες. Δεν είναι επικίνδυνα με κανέναν τρόπο ενώ υπάρχουν πολλές άλλες τεχνολογίες – βιολογικές και μη – οι οποίες είναι πολύ πιο εύκολο να αποτελέσουν αντικείμενο επιτηδείων για επιβλαβείς σκοπούς. Η δυναμική της έρευνάς μας είναι καλή, έχει ως στόχο να βελτιώσει τη ζωή μας». 

 

Πού υπερτερούν

Δεν είναι η πρώτη φορά που επιστήμονες αναφέρουν τη δημιουργία τεχνητών μορφών ζωής. Ρωτήσαμε λοιπόν τον καθηγητή Λέβιν ποια είναι η διαφορά των xenobots από τους άλλους τεχνητούς οργανισμούς εργαστηρίου. Όπως μας είπε, «οι προηγούμενες προσπάθειες αφορούσαν κατά βάση χρήση ενός εκμαγείου που είχε προκύψει από τρισδιάστατη εκτύπωση το οποίο και «ντυνόταν» με κύτταρα. Στις περιπτώσεις αυτές ουσιαστικώς ο οργανισμός που προέκυπτε ήταν άμεσα σχεδιασμένος από τον άνθρωπο. Στη δική μας περίπτωση αρχικώς χρησιμοποιήθηκε η τεχνητή νοημοσύνη ώστε να κατανοήσουμε πώς συμπεριφέρονται τα κύτταρα και το σημαντικότερο ήταν ότι βασιστήκαμε στην ίδια την πλαστικότητα των κυττάρων και στην ικανότητα σήμανσης που διαθέτουν για να επικοινωνούν προκειμένου να συσπειρωθούν μόνα τους και να δημιουργήσουν δομές. Εντοπίσαμε πολλές κυτταρικές συμπεριφορές που δεν μπορούσαμε να προβλέψουμε εξαρχής, παρακολουθήσαμε τα κύτταρα να λαμβάνουν πρωτοβουλία και να δημιουργούν δομές πιο περίπλοκες από αυτές που μπορούν να προκύψουν από τρισδιάστατη εκτύπωση. Και αυτό είναι κάτι που δεν έχει ξανασυμβεί».

 

Δύσκολη διαδικασία στο εργαστήριο

Στο πλαίσιο της συγκεκριμένης μελέτης τα κύτταρα ελήφθησαν ένα προς ένα με το χέρι από τα έμβρυα βατράχου, μια διαδικασία άκρως δύσκολη. Ωστόσο οι ερευνητές μελετούν τώρα ευκολότερους τρόπους λήψης κυττάρων. Τα καλά νέα είναι ότι τα κύτταρα έχουν την τάση να συγκεντρώνονται σε ομάδες για να χτίσουν δομές και αυτή την ιδιότητά τους επιχειρούν να εκμεταλλευθούν οι επιστήμονες ώστε να επιτύχουν ομαδική λήψη κυττάρων.

ΠΗΓΗ: www.tovima.gr