Američtí vědci před rokem vytvořili biologické stroje z žabích buněk. Teď je naučili, aby se tito bioroboti začali sami rozmnožovat. Ve vývoji pomohla pokročilá umělá inteligence.
Xenoboti jsou první umělý život, který se umí sám replikovat
Jednou ze základních vlastností života je, že se musí rozmnožovat. Během miliard let se vyvinulo mnoho způsobů replikace organismů, od pučících rostlin přes pohlavní živočichy až po útočící viry. Teď ale vědci objevili zcela novou formu biologické reprodukce – a svůj objev použili k vytvoření vůbec prvních samoreplikujících se živých robotů.
Stejný tým, který před rokem sestrojil první živé roboty neboli xenoboty, zjistil, že tyto počítačem navržené a ručně sestavené organismy mohou vplout do sousední misky, najít tam jednotlivé buňky, shromáždit jich stovky a sestavit pak malé xenoboty uvnitř svých „úst“. Celé to vypadá, jako když ve videohře Pac-Man požírá kuličku. O několik dní později se z nich stanou noví xenoboti, kteří vypadají a pohybují se stejně jako oni sami.
A tito noví xenoboti pak mohou vyrazit ven, najít další buňky a vytvořit z nich své další kopie. Tento proces tak může pokračovat znovu a znovu, pořád dokola. „Pokud je správně navrhneme, pak se budou opravdu samoreplikovat,“ popsal proces Joshua Bongard, počítačový vědec a odborník na robotiku z Vermontské univerzity, který se na vytvoření xenobotů a jejich úpravě podílel. Se svými kolegy výsledky experimentu popsal koncem listopadu 2021 v časopise Proceedings of the National Academy of Sciences.
Cesta do neznáma
U žáby drápatky vodní by se z těchto embryonálních buněk vyvinula kůže. „Buňky by se rozmístily na vnější straně pulce, kde by ho chránily před patogeny a byly by zodpovědné za rovnoměrné rozprostření ochranného hlenu,“ popisuje biolog Michael Levin, který byl jedním z hlavních autorů xenobotů. „Ale my ty buňky umísťujeme do nového kontextu. Dáváme jim šanci znovu si představit jejich mnohobuněčnost.“
Místo buněk kůže vznikají zcela noví xenoboti. „Lidé si poměrně dlouho mysleli, že jsme už přišli na všechny způsoby, jak se život může rozmnožovat nebo replikovat. Ale tohle je něco, co nikdy nikdo předtím nepozoroval,“ říká spoluautor Douglas Blackiston, který sestavil „rodiče“ xenobotů a vypracoval biologickou část nové studie.
„Tyto buňky sice mají genom žáby, ale osvobodili jsme je od toho, aby se z nich staly pulci. Teď používají svou kolektivní inteligenci, plasticitu, k něčemu zcela ohromujícímu,“ říká Levin. Už v dřívějších experimentech vědce překvapilo, že xenoboty lze snadno navrhnout tak, aby plnili jednoduché úkoly. A teď jsou zaskočení tím, že se tyto biologické objekty – počítačem navržené soubory buněk – samovolně replikují. „Máme k dispozici úplný, nezměněný žabí genom,“ přibližuje Levin, „ale ten nijak nenaznačoval, že tyto buňky mohou spolupracovat na tomto novém úkolu,“ tedy shromáždit a následně stlačit oddělené buňky do fungujících kopií sebe sama.
„Jedná se o žabí buňky, které se rozmnožují způsobem, který je velmi odlišný od toho, jak to dělají žáby. Žádný z vědě známých živočichů ani rostlin se tímto způsobem nereplikuje,“ vysvětluje Sam Kriegman, hlavní autor nové studie, který pracuje na Harvardově univerzitě.
První generace xenobotů tyto schopnosti neměla, tvar jejich těla to neumožňoval. Vědci ale pomocí algoritmů označovaných zjednodušeně jako umělá inteligence spočítali miliony možností, jak by mohlo tělo xenobota vypadat – nakonec se ukázala jako nejvhodnější právě podoba připomínající videoherního Pac-Mana.
Xenoboti sice dokázali vytvářet své kopie už dříve, ale ty se většinou rychle rozpadaly a nikdy nebyly schopné vytvářet své vlastní kopie. To se teď změnilo – umělý život je nyní schopen kopírovat sám sebe a pokračovat.
Co jsou xenoboti
Vědci poprvé představili své xenoboty v lednu 2020 – nebýt tehdy začínající koronavirové pandemie, mluvilo by se o nich zřejmě mnohem víc. Američtí vědci tehdy oznámili, že vytvořili první biologické stroje. Z buněk drápatky vodní postavili miniaturní roboty, kteří jsou schopní samostatného pohybu. Vzniklo rovnou několik variant, nejúspěšnější byla dvounohá verze s končetinami na hrudi.
Výzkumníci dokonce vytvořili i prototyp, který měl uprostřed těla otvor, v němž byl schopný transportovat miniaturní náklad.
„Jedná se o úplně nové formy života, které na Zemi nikdy předtím neexistovaly,“ uvedl tehdy Levin. „Jsou to živoucí programovatelné organismy,“ dodal.
Experti na robotiku pracují nejčastěji s kovy a plasty – dá se s nimi precizně manipulovat a také jsou tyto materiály pevné a odolné. Levinův tým ale vidí výhody biologické tkáně, podle nich nad umělými materiály převažují. Například při poškození jsou schopné se samy léčit. A když splní svůj úkol, tak se rozpadnou, stejně jako se rozloží přirozené organismy.
Tyto vlastnosti předurčují budoucí verze těchto bio-strojů, aby byly nasazené například k čištění oceánů od mikroplastů v oceánech, k vyhledávání a požírání toxických materiálů nebo k dopravě léčiv po lidském těle. Možností je podle autorů výzkumu ale prakticky neomezené množství, zmiňují například i cílené odstraňování povlaků z povrchu cév.
„Je nemožné předvídat, jaké aplikace tu budou pro nové technologie, takže teď můžeme jenom hádat,“ komentoval budoucnost objevu Bongard.
Vytvořené biologické stroje jsou velice drobné; měří méně než jeden milimetr. Vyvinul je „evoluční algoritmus“, tedy specializovaný program, který běží na superpočítači. Nejprve vytvoří náhodné 3D konfigurace z pěti set až tisíce buněk.
Každý tento návrh se pak testuje ve virtuálním prostředí – tam zkouší, jaké jsou jejich pohybové schopnosti, jak fungují srdeční buňky nebo jak systém pracuje dohromady jako celek. S návrhy, které ve virtuální laboratoři uspějí nejlépe, pak program pracuje dál; právě od nich odvozuje další úpravy a nové vzory.
Superpočítač má obrovské výpočetní možnosti, takže je schopný takových návrhů vytvořit gigantické množství. Vědci ho nechali vytvořit sto generací těchto strojů, než pokročili do další fáze: přesun experimentu z prostředí virtuálního do reálné laboratoře.
Základem robotů se staly buňky ze žabí srdeční tkáně. Ty totiž mají schopnost spontánně se stahovat a zase uvolňovat – tím vlastně fungují jako miniaturní stroječky. Tento pohyb se dá využít k tomu, že se stroje mohou pohybovat, přinejmenším do doby, než jim dojdou zdroje energie. Té mají dostatek asi na týden.
V odborném žurnálu PNAS popsali, jak z buněk odebraných z embryí žáby drápatky vytvořili xenoboty. Pak je vypustili do nádob s vodou, kde sledovali, jak si laboratorně vyrobené stroje povedou. Některé se pokoušely pohybovat přímo, jiné se točily dokolečka, anebo dokonce společně s jinými.
„Jsou teď velice drobné, ale náš plán spočívá v tom nechat je vyrůst,“ uvedl Levin. Vědec věří, že nebude problém tyto organismy upravit tak, aby měly i cévy, základní nervový systém a senzorické buňky, které vytvoří jednoduché oči. Díky nim by měly být schopné vnímat okolní svět a také na něj reagovat – když se použijí buňky z embryí savců, mohl by organismus přežít i mimo vodu, na souši.
Etika výzkumu je pod dohledem
Sam Kriegman z Vermontské univerzity přiznává, že tato práce vyvolává řadu etických otázek. Zejména proto, že budoucí varianty budou mít nervový systém, a tedy i schopnost vnímat svět.
Čtyřnohý biorobot
„Pro mne je důležité, že je výzkum veřejný, takže se o tom jako společnost můžeme bavit a politici se pak rozhodnou, jaká cesta je nejlepší,“ konstatoval vědec pro deník The Guardian. Že by xenoboti měli představovat hrozbu pro lidstvo, si nepřipouští: „Když se podíváte na video, je jen těžké se bát, že by nám tyhle stroje měly někdy v dohledné době vládnout,“ dodal.
Další obavy může vyvolávat fakt, že byl výzkum financován americkou armádou – konkrétně agenturou DARPA, která se snaží podporovat nejmodernější technologie v zájmu Spojených států.
Tato práce má ale i ambicióznější cíle: nechce jen vyrábět robůtky, ale chce pochopit samotný „software života“. „Když přemýšlíte o porodních defektech, rakovině, rakovině způsobené nemocemi – všechny tyto věci by se daly vyřešit, kdybychom věděli, jak vytvářet biologické struktury, a měli tedy kontrolu nad růstem různých forem,“ dodává Levin.