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Zuerst wurden “lebende Maschinen” mit tierischen Zellen geschaffen Wissenschaft

Einer der halben Millimeter großen Biobots, die das Team von Michael Levin und Josh Bongard entwickelt hat. Im Video Bilder des ersten Roboters, der als Lebewesen betrachtet werden kann. Foto: DOUGLAS BLACKISTON | Video: ATLAS

Vier junge amerikanische Wissenschaftler haben erstmals “lebende Maschinen” geschaffen, die aus tierischen Zellen bestehen und sehr einfache Aufgaben erfüllen können. Forscher, die vom US-Verteidigungsministerium finanziert werden, sind der Ansicht, dass ihre “reprogrammierbaren Organismen” in noch zu ferner Zukunft für medizinische Anwendungen wie die Erkennung von Tumoren, die Entfernung von Arterienplaques und die intelligente Abgabe von Medikamenten dienen könnten. von Medikamenten im menschlichen Körper – und sogar für Operationen der Umweltsanierung von kontaminierten Orten.

Die Autoren dieser lebenden Maschinen sind zwei Biologen, Michael Levin und Douglas Blackiston, und zwei Robotik-Experten, Josh Bongard und Sam Kriegman. Forscher haben als beschäftigt Ziegel zwei Arten von Zellen des afrikanischen Nagelfrosches: die Zellen Ihres Herzens (kontraktil) und die Ihrer Haut (passiver). Seit Monaten verwenden Wissenschaftler einen Supercomputer, um Tausende von Zellaggregaten auf unterschiedliche Weise zu simulieren und ihr Verhalten vorherzusagen. Die vielversprechendsten Entwürfe wurden ausgeführt. Das Hauptergebnis ist eine biologische Maschine mit einem halben Millimeter Durchmesser und einigen hundert Zellen, die sich in eine von Wissenschaftlern bestimmte Richtung bewegen kann (klicken Sie hier, um zu sehen, wie sie funktioniert).

“Es scheint, dass diese Biobots Sie sind eine dritte Klasse von animierten Materie: Sie sind weder Roboter noch reine Organismen. Ich denke diese Biobots Sie werden Biologen und Philosophen dazu zwingen, unsere Definitionen von Leben und was eine Maschine ist, zu überdenken. Sollten computergestützte Organismen in Zukunft die gleichen Rechte haben wie natürlich entwickelte Menschen und Tiere? “, Fragt Josh Bongard von der University of Vermont.


Wie ein Biobot entsteht

In dieser Infografik erklären wir, wie die vier Wissenschaftler die “lebenden Maschinen” aus den Entwürfen eines Supercomputers erstellt haben. Siehe Grafik>

Michael Levin erkennt, dass seine Kreaturen viele Fragen aufwerfen. Die Biobots Sie bestehen aus Froschzellen, sind aber weder froschförmig noch wirken sie wie ein Frosch. Der Biologe glaubt, dass diese neuen Organismen dazu dienen werden, große bisher unsichtbare Lebensregeln zu verstehen. Er erklärt es mit einem Beispiel: Keine Ameise hat das Flugzeug der Zukunft als Ameisenhaufen, aber alle kooperieren, um eins zu machen. Wie sollen die Ameisen gentechnisch verändert werden, um einen Ameisenhaufen mit zwei Eingängen anstelle von einem zu bauen? Wissenschaftler haben keine Ahnung.

„Die große Frage ist hier: Wie kooperieren Zellen, um komplexe und funktionelle Körper aufzubauen? Woher wissen sie, was sie bauen müssen? Welche Signale tauschen sie miteinander aus? “, Reflektiert Levin von der Tufts University in der Nähe von Boston. „Sobald wir herausgefunden haben, wie wir Zellen dazu anregen können, bestimmte Strukturen aufzubauen, werden wir nicht nur einen enormen Einfluss auf die regenerative Medizin haben – Teile des Körpers aufbauen oder ihre Regeneration auslösen -, sondern wir können diese Prinzipien auch zur Verbesserung der Robotik und der Systeme verwenden von Kommunikations- und vielleicht künstlichen Intelligenzplattformen “, berechnet Levin.

“Wir zeigen ein skalierbares Modell, um neue funktionale Lebensweisen zu schaffen”, sagen die Autoren

Sein Biobots, hergestellt mit hunderten von Froschzellen, sind nur ein Proof of Concept. “Wir zeigen ein skalierbares Modell, um neue funktionale Lebensweisen zu schaffen”, sagen die Autoren in ihrer Untersuchung, die am Montag in der Fachzeitschrift veröffentlicht wurde PNAS. „Wenn es uns gelingt, die Herstellung der Entwürfe per Computer zu automatisieren, könnten wir uns riesige Schwärme vorstellen Biobots. Und diese könnten sich sogar zu immer größeren Größen zusammenschließen. Wir könnten in Zukunft sehr große Biomaschinen haben “, lautet die Hypothese von Bongard. Sein Team hat bereits Simulationen von bis zu 270.000 Zellen durchgeführt. Ein menschlicher Körper hat ungefähr 30 Milliarden.

Die Autoren zeichnen eine Zukunft, in der “lebende Systeme geschaffen werden, die auf einen breiten Funktionsumfang zugeschnitten sind”. In ihrem Labor haben sie bereits eine Biobot Mit einem Loch in der Mitte, das nach Ansicht der Wissenschaftler als Tasche für den Transport oder die Neutralisierung giftiger Substanzen dienen könnte. Supercomputersimulationen sagen auch voraus, dass sich mehrere dieser Biomarker, wenn sie zusammenkommen, spontan im Kreis bewegen und alles, was sie auf ihrem Weg finden, an einen zentralen Punkt verschieben. „Vielleicht in der Zukunft große Schwärme von Biobots, so dass sie die Mikroplastik in großen Clustern sammelten, die von Schiffen gesammelt werden konnten. Am Ende wie die Biobots Sie sind zu 100% biologisch abbaubar und würden zu Nahrungsmitteln für Meereslebewesen “, sagt Bongard.

Froschroboter
Die amerikanischen Wissenschaftler Sam Kriegman, Douglas Blackiston, Michael Levin und Josh Bongard.

„Andere Schwärme könnten in kontaminierten Böden geringe Mengen an Schwermetallen finden. Und wenn es möglich ist, sie ausreichend klein zu machen, wird die Biobots Sie könnten in der Luft schweben und kontaminierende Partikel sammeln “, so der Robotik-Experte weiter.

Der Biologe und Physiker Ricard Solé begrüßt die neue Arbeit als “anregend und wegweisend”, betont jedoch, dass einige der von den Autoren vorgestellten Anwendungen “noch Lichtjahre entfernt sind”. Solé von der Universität Pompeu Fabra in Barcelona ist Experte für komplexe Systeme wie die kollektive Intelligenz von Ameisen. „Levins Team hat einen wichtigen Sprung in der synthetischen Biologie gemacht, aber diese Miniorganismen benötigen Sensoren, um komplexe Aufgaben zu erledigen. Das Hinzufügen dieser Sensoren wird der qualitative Sprung sein, der in Zukunft gemacht werden muss “, sagt Solé.

“Es ist jetzt schwer zu wissen, ob diese Technologie unerwünschte Folgen haben könnte oder wie jemand sie missbrauchen könnte”, sagt der Forscher Josh Bongard

Chemie Berta Esteban Fernández de Ávila entwickelt seit fünf Jahren Mikrorroboter an der Universität von Kalifornien in San Diego und kombiniert sie manchmal mit lebenden Zellen wie Spermien. Seiner Meinung nach hat die Strategie von Levins Team “viele Möglichkeiten”, insbesondere bei Anwendungen wie der Mikrochirurgie im menschlichen Körper. „Unabhängig von der Toxizität der Zellen sollten wir sicherstellen, dass sie nach Ausführung der gewünschten Funktion inaktiviert werden können. Zum Beispiel setzen wir manchmal Mikrokorroboter in den Magen ein und nutzen den Säuregehalt der Magenflüssigkeit selbst, um sie zu deaktivieren “, warnt der Forscher.

Levin erklärt, dass sein Biobots Sie vermehren sich nicht. “Im Grunde bleiben sie so wie sie sind und lösen sich in einer Woche auf”, sagt er. Seine Forschungen eröffnen jedoch die Möglichkeit, Zellen die Fähigkeit zur Fortpflanzung zu verleihen. „Es wäre eine riskante Straße. Es könnte sich jedoch als einer der besten Wege herausstellen, um die wichtigen ökologischen Herausforderungen des Klimawandels zu bewältigen “, sagt Bongard.

„Es ist jetzt schwer zu wissen, ob diese Technologie unerwünschte Konsequenzen haben könnte oder wie jemand sie missbrauchen könnte. Wir glauben jedoch, dass wir, wenn diese Technologie ausgereift ist, möglicherweise eine Regulierung benötigen. Es passiert bereits mit künstlicher Intelligenz und Robotik, die lange Zeit nicht reguliert waren “, sagt Bongard.

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