Bilim insanları; kurbağa embriyolarından sıyrılmış yaşayan hücreleri yeniden tasarladı ve onları tamamen yeni yaşam formlarında birleştirdi. Bu milimetre genişliğindeki “xenobot’lar” bir hedefe doğru hareket edebilir, belki de bir yük alabilir (bir hastanın içindeki belirli bir yere taşınması gereken bir ilaç gibi) ve kesildikten sonra kendilerini tekrar iyileştirebilirler.
Vermont Üniversitesi Bilgisayar Uzmanı ve Robot Uzmanı Joshua Bongard: “Bunlar yeni canlı makineler… Onlar ne geleneksel bir robot ne de bilinen bir hayvan türü. Bu yeni bir sınıf: Yaşayan, programlanabilir bir organizma…”
Yeni yaratıklar; UVM’deki bir süper bilgisayarda tasarlandı ve daha sonra Tufts Üniversitesi’ndeki biyologlar tarafından bir araya getirildi ve test edildi.
Sipariş ÜzerineYaşam Sistemleri
İnsanlar, en azından tarımın başlangıcından beri genetik organizmaları manipüle ediyorlar, genetik düzenleme yaygınlaşıyor ve son birkaç yıl içinde birkaç hayvan organizması, bilinen hayvanların vücut formlarını kopyalayarak manuel olarak toplandı.
Ancak bu araştırma, yeni çalışmalarında ekibin de bahsettiği gibi “ilk kez baştan sona tamamen biyolojik makineler tasarlıyor.”
UVM’nin Vermont Advanced Computing Core’daki Deep Green süper bilgisayar kümesinde aylarca çalışan ekip; baş yazar ve doktora öğrencisi Sam Kriegman dahil olmak üzere yeni yaşam formları için binlerce aday tasarım oluşturmak için evrimsel bir algoritma kullandı.
Bilim insanları tarafından bir yöne hareket gibi atanan bir görevi gerçekleştirmeye çalışmak için bilgisayar; defalarca birkaç benzetilmiş hücreyi sayısız formlara ve vücut şekillerine yeniden birleştirir. Programlar; tek kurbağa derisinin ve kardiyak hücrelerin yapabileceklerinin biyofizikiyle ilgili temel kurallar tarafından yürütüldükçe, başarısız tasarımlar atılarak daha başarılı simüle organizmalar tutuldu ve rafine edildi. Algoritmanın yüz bağımsız çalışmasından sonra, en umut verici tasarımlar test için seçildi.
Daha sonra Levin liderliğindeki ve Mikro Cerrah Douglas Blackiston’un anahtar çalışmasıyla Tufts’taki ekip; in silico tasarımlarını hayata geçirdi. İlk önce, Afrika kurbağalarının embriyolarından, Xenopus laevis türünden elde edilen kök hücreleri topladılar. (“xsenobot’lar” adı buradan geliyor.) Bunlar tekli hücrelere ayrıldı ve inkübe edilmek üzere bırakıldı. Daha sonra, küçük forseps ve hatta daha küçük bir elektrot kullanılarak, hücreler kesildi ve bilgisayar tarafından belirtilen tasarımların yakın bir yaklaşımına bir mikroskop altında birleştirildi.
Doğada hiç görülmemiş vücut formlarına monte edilen hücreler birlikte çalışmaya başladı. Deri hücreleri daha pasif bir mimari oluştururken; kalp kası hücrelerinin bir zamanlar rasgele kasılmaları, bilgisayarın tasarımı tarafından yönlendirildiği gibi düzenli ileriye doğru hareket oluşturmaya ve robotların kendi başlarına hareket etmesine izin vererek, kendiliğinden organize olan desenlere yardımcı olmaya başladı.
Bu yeniden yapılandırılabilir organizmaların tutarlı bir şekilde hareket edebildikleri ve embriyonik enerji depoları tarafından desteklenen günlerce veya haftalarca sulu ortamlarını keşfedebildikleri gösterilmiştir. Bununla birlikte, sanki böcekler ters çevrilmiş gibi, başarısız oldular.
Daha sonraki testler, xenobot gruplarının çevrelerde hareket edeceğini, peletleri merkezi bir konuma (kendiliğinden ve toplu olarak) iteceğini gösterdi. Diğerleri sürtünmeyi azaltmak için merkezde bir delikle inşa edildi. Bunların simüle edilmiş versiyonlarında, bilim insanları, bir nesneyi başarılı bir şekilde taşımak için bu deliği bir kese olarak yeniden kullanabildiler.
UVM Bilgisayar Bilimi ve Karmaşık Sistemler Merkezi Profesör Bongard: “Akıllı ilaç dağıtımı için bilgisayar tasarımlı organizmaları kullanma yolunda bir adım…”
Yaşayan Teknolojiler
Birçok teknoloji çelik, beton veya plastikten yapılmıştır. Bu onları güçlü veya esnek yapabilir. Ancak, okyanuslarda plastik kirliliğinin artması ve birçok sentetik malzemenin ve elektroniğin toksisitesi gibi ekolojik ve insan sağlığı sorunları da yaratabilirler.
Prof. Bongard: “Canlı dokunun dezavantajı zayıf olması ve bozulmasıdır. Bu yüzden çelik kullanıyoruz. Fakat organizmaların kendilerini yenilemeleri ve onlarca yıl devam etmeleri için 4,5 milyar yıllık uygulamaları var ve çalışmayı bıraktıklarında (öldüklerinde) genellikle zararsız bir şekilde parçalanırlar. Bu xenobot’lar tamamen biyolojik olarak parçalanabilir.”
Örneğin dizüstü bilgisayarı güçlü bir teknolojidir. Ama onu ikiye kesmeyi denersek, çalışmaz. Yeni deneylerde, bilim insanları xenobot’ları kesti ve sonuçlarını gözlemledi.
Prof. Bongard: “Robotu neredeyse yarıya kadar dilimledik ve kendini tekrar dikiyor ve devam ediyor ve bu tipik makinelerle yapamayacağınız bir şey…”
Kodu Kırma
Hem Levin hem de Bongard; hücrelerin nasıl bağlantı kurduklarını öğrenme potansiyelinin hem hesaplama bilimine hem de yaşam anlayışımıza derinlemesine uzandığını söylüyor.
Levi: “Biyolojideki en büyük soru; biçim ve işlevi belirleyen algoritmaları anlamaktır. Genom; proteinleri kodlar, ancak dönüştürücü uygulamalar, bu donanımın hücrelerin çok farklı koşullar altında fonksiyonel anatomiler yapma konusunda nasıl işbirliği yapabileceğini keşfetmemizi bekler.”
Bir organizmanın gelişmesini ve işlev görmesini sağlamak için, sadece nöronlar içinde değil; hücreler arasında da sürekli olarak birçok bilgi paylaşımı ve işbirliği (organik hesaplama) vardır. Bu ortaya çıkan geometrik özellikler biyoelektrik, biyokimyasal ve biyomekanik süreçlerle şekilleniyor,
Levin: “DNA tarafından belirlenmiş donanım üzerinde çalışan bu süreçler yeniden yapılandırılabilir ve yeni canlı formları mümkün kılar.”
Bilim insanları, yeni PNAS çalışmalarında “Yeniden yapılandırılabilir organizmaların tasarlanması için ölçeklenebilir bir boru hattı”nın; biyoelektrik kod hakkında içgörüleri hem biyolojiye hem de bilgisayar bilimine uygulamada bir adım olarak görüyorlar.
Levin: “Gösterdiğimiz gibi, bu kurbağa hücreleri, varsayılan anatomilerinin ne olacağından tamamen farklı ilginç canlı formlar oluşturmak için birlikte olabilirler.”
Bilim insanları xenobotları inşa etmenin daha derin bir görüş sağlayarak “Morfogenetik Kod” olarak adlandırdığı şeyi kırmak için küçük bir adım olduğuna inanıyorlar. Bu organizmaların genel olarak nasıl organize edildiğini, tarihlerine ve çevrelerine göre bilgiyi nasıl hesaplayıp sakladıklarını gösterir.
