En bok är gjord av trä. Men det är inte ett träd. De döda cellerna har återanvänts för att tjäna ett annat behov.

Nu har ett team av forskare gjort om levande celler – skrapat från grodembryon – och satt ihop dem till helt nya livsformer. Dessa millimeter breda "xenobots" kan röra sig mot ett mål, kanske plocka upp en nyttolast (som en medicin som måste bäras till en specifik plats inuti en patient)—och läka sig själva efter att ha blivit skuren.

"Det här är nya levande maskiner, " säger Joshua Bongard, en datavetare och robotexpert vid University of Vermont som var med och ledde den nya forskningen. "De är varken en traditionell robot eller en känd djurart. Det är en ny klass av artefakter:en levande, programmerbar organism."

De nya varelserna designades på en superdator vid UVM - och sedan monterades och testades av biologer vid Tufts University. "Vi kan föreställa oss många användbara tillämpningar av dessa levande robotar som andra maskiner inte kan göra, " säger medledare Michael Levin som leder Center for Regenerative and Developmental Biology vid Tufts, "som att leta efter otäcka föreningar eller radioaktiv kontaminering, samla in mikroplast i haven, reser i artärer för att skrapa ut plack."

Resultaten av den nya forskningen publicerades den 13 januari i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Skräddarsydda boendesystem

Människor har manipulerat organismer för mänsklig nytta sedan åtminstone jordbrukets gryning, genetisk redigering blir utbredd, och ett fåtal konstgjorda organismer har satts ihop manuellt under de senaste åren - kopiering av kroppsformer av kända djur.

Men denna forskning, för första gången någonsin, "designer helt biologiska maskiner från grunden, " skriver teamet i sin nya studie.

Med månader av bearbetningstid på Deep Green superdatorklustret vid UVM:s Vermont Advanced Computing Core, teamet – inklusive huvudförfattaren och doktoranden Sam Kriegman – använde en evolutionär algoritm för att skapa tusentals kandidatdesigner för de nya livsformerna. Att försöka uppnå en uppgift som tilldelats av forskarna – som att röra sig i en riktning – skulle datorn, om och om, sätt ihop några hundra simulerade celler till otaliga former och kroppsformer. När programmen kördes – drivna av grundläggande regler om biofysiken för vad enstaka grodhud och hjärtceller kan göra – hölls och förfinades de mer framgångsrika simulerade organismerna, medan misslyckade konstruktioner slängdes ut. Efter hundra oberoende körningar av algoritmen, de mest lovande designerna valdes ut för testning.

Sedan teamet på Tufts, ledd av Levin och med nyckelarbete av mikrokirurgen Douglas Blackiston – överförde in silico-designerna till livet. Först samlade de stamceller, skördas från embryon från afrikanska grodor, arten Xenopus laevis . (Därav namnet "xenobots.") Dessa separerades i enstaka celler och lämnades att inkubera. Sedan, med en liten pincett och en ännu mindre elektrod, cellerna skars och sammanfogades under ett mikroskop till en nära approximation av de mönster som specificerats av datorn.

Sammansatt i kroppsformer som aldrig setts i naturen, cellerna började arbeta tillsammans. Hudcellerna bildade en mer passiv arkitektur, medan hjärtmuskelcellernas en gång slumpmässiga sammandragningar sattes igång och skapade en ordnad framåtriktad rörelse enligt datorns design, och med hjälp av spontana självorganiserande mönster – så att robotarna kan röra sig på egen hand.

Dessa omkonfigurerbara organismer visade sig kunna röra sig på ett sammanhängande sätt - och utforska sin vattenmiljö i dagar eller veckor, drivs av embryonala energidepåer. Vänd, dock, de misslyckades, som skalbaggar som vänds på ryggen.

Senare tester visade att grupper av xenobotar skulle röra sig i cirklar, skjuta pellets till en central plats – spontant och kollektivt. Andra byggdes med ett hål genom mitten för att minska motståndet. I simulerade versioner av dessa, forskarna kunde återanvända detta hål som en påse för att framgångsrikt bära ett föremål. "Det är ett steg mot att använda datordesignade organismer för intelligent läkemedelstillförsel, säger Bongard, professor vid UVM:s institution för datavetenskap och komplexa systemcentrum.

Levande teknologier

Många tekniker är gjorda av stål, betong eller plast. Det kan göra dem starka eller flexibla. Men de kan också skapa ekologiska och mänskliga hälsoproblem, som det växande gisselet av plastföroreningar i haven och toxiciteten hos många syntetiska material och elektronik. "Nackdelen med levande vävnad är att den är svag och den bryts ned, säger Bongard. Det är därför vi använder stål. Men organismer har 4,5 miljarder år av praktik på att regenerera sig själva och pågå i årtionden." Och när de slutar fungera - döden - faller de vanligtvis sönder ofarligt. "Dessa xenobots är helt biologiskt nedbrytbara, "säg Bongard, "när de är klara med sitt jobb efter sju dagar, de är bara döda hudceller."

Din bärbara dator är en kraftfull teknik. Men försök att halvera den. Funkar inte så bra. I de nya experimenten, forskarna skar ut xenobotarna och såg vad som hände. "Vi delade roboten nästan på mitten och den syr ihop sig igen och fortsätter, ", säger Bongard. "Och det här är något man inte kan göra med typiska maskiner."

Knäcker koden

Både Levin och Bongard säger att potentialen i det de har lärt sig om hur celler kommunicerar och ansluter sträcker sig djupt in i både beräkningsvetenskap och vår förståelse av livet. "Den stora frågan inom biologi är att förstå algoritmerna som bestämmer form och funktion, " säger Levin. "Genomet kodar för proteiner, men transformativa applikationer väntar på vår upptäckt av hur den hårdvaran gör det möjligt för celler att samarbeta för att skapa funktionella anatomier under mycket olika förhållanden."

För att få en organism att utvecklas och fungera, det finns mycket informationsdelning och samarbete – organisk beräkning – som pågår i och mellan celler hela tiden, inte bara inom neuroner. Dessa framväxande och geometriska egenskaper formas av bioelektriska, biokemiska, och biomekaniska processer, "som körs på DNA-specificerad hårdvara, " säger Levin, "och dessa processer är omkonfigurerbara, möjliggör nya levande former."

Forskarna ser arbetet presenteras i deras nya PNAS studie - "En skalbar pipeline för att designa omkonfigurerbara organismer, "—som ett steg i att tillämpa insikter om denna bioelektriska kod på både biologi och datavetenskap. "Vad bestämmer egentligen anatomin mot vilka celler som samarbetar?" frågar Levin. "Du tittar på cellerna vi har byggt våra xenobots med, och, genomiskt, de är grodor. Det är 100 % grod-DNA – men det här är inte grodor. Då frågar du, väl, vad mer kan dessa celler bygga?"

"Som vi har visat, dessa grodceller kan lockas till att skapa intressanta levande former som är helt annorlunda än vad deras standardanatomi skulle vara, " säger Levin. Han och de andra forskarna i UVM- och Tufts-teamet – med stöd från DARPAs program för livslånga lärandemaskiner och National Science Foundation – tror att byggandet av xenobots är ett litet steg mot att knäcka vad han kallar den "morfogenetiska koden, " ger en djupare bild av det övergripande sättet organismer är organiserade på - och hur de beräknar och lagrar information baserat på deras historia och miljö.

Future shocks

Many people worry about the implications of rapid technological change and complex biological manipulations. "That fear is not unreasonable, " Levin says. "When we start to mess around with complex systems that we don't understand, we're going to get unintended consequences." A lot of complex systems, like an ant colony, begin with a simple unit—an ant—from which it would be impossible to predict the shape of their colony or how they can build bridges over water with their interlinked bodies.

"If humanity is going to survive into the future, we need to better understand how complex properties, på något sätt, emerge from simple rules, " says Levin. Much of science is focused on "controlling the low-level rules. We also need to understand the high-level rules, " he says. "If you wanted an anthill with two chimneys instead of one, how do you modify the ants? We'd have no idea."

"I think it's an absolute necessity for society going forward to get a better handle on systems where the outcome is very complex, " Levin says. "A first step towards doing that is to explore:how do living systems decide what an overall behavior should be and how do we manipulate the pieces to get the behaviors we want?"

Med andra ord, "this study is a direct contribution to getting a handle on what people are afraid of, which is unintended consequences, " Levin says—whether in the rapid arrival of self-driving cars, changing gene drives to wipe out whole lineages of viruses, or the many other complex and autonomous systems that will increasingly shape the human experience.

"There's all of this innate creativity in life, " says UVM's Josh Bongard. "We want to understand that more deeply—and how we can direct and push it toward new forms."