Xenoboti jsou první umělý život, který se umí sám replikovat

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.

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
Zdroj: uvm.edu

„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. 

Výběr redakce

Aktuálně z rubriky Věda

Alkohol poškozuje DNA a působí rakovinu, buňky se mu brání, ukazuje český výzkum

Alkohol poškozuje lidskou DNA a způsobuje rakovinu, zjistila studie vědců z Ústavu organické chemie a biochemie Akademie věd ČR (ÚOCHB). Buňky se dle výzkumu poškození brání a DNA opravují, u některých lidí ale méně účinně. Článek o studii zveřejnil časopis Communications Biology ze skupiny Nature, uvedl ÚOCHB. V míře, která poškozuje zdraví, pije podle výzkumů alkohol 1,5 milionu Čechů.
před 11 hhodinami

Lidé si ochočili oheň o 350 tisíc let dříve, než se předpokládalo, hlásí vědci

Objev zažehnutí ohně měl prehistorického člověka vrhnout na dráhu směřující k modernímu lidstvu. Doposud se vědci domnívali, že se toto odehrálo relativně nedávno. Nový objev ale posouvá „zkrocení“ tohoto živlu o statisíce let dál do minulosti.
před 13 hhodinami

Ani slovo o změnách klimatu způsobených člověkem. Americká EPA vše smazala

Americká Agentura pro ochranu životního prostředí (EPA) smazala zmínky o změně klimatu způsobené člověkem ze svého webu. V popisu změny klimatu se nyní soustředí pouze na přírodní procesy přispívající k tomuto jevu, jako jsou sopečná aktivita a změny ve sluneční aktivitě, píše deník The Washington Post (WP).
před 16 hhodinami

Tetování poškozuje imunitu a může snižovat účinnost vakcín, zjistila studie

Průlomová mezinárodní studie, na níž se podíleli i vědci z Biologického centra Akademie věd ČR, ukazuje, že běžně používané tetovací pigmenty mají vliv na imunitu, vyvolávají zánět a mohou snižovat účinnost některých vakcín. Hned po aplikaci se barviva rychle šíří lymfatickým systémem a hromadí se v mízních uzlinách, kde přetrvávají celé roky. Výzkum zkoumal toxicitu tří nejpoužívanějších barev – černé, červené a zelené – a odhalil, že pigmenty nejen zůstávají v kůži, ale také se trvale ukládají v imunitních buňkách.
před 16 hhodinami

Francouzská studie na 30 milionech dospělých ukázala, jak bezpečné jsou vakcíny proti covidu

Francouzští vědci prozkoumali data o dospělých lidech, kteří v této zemi byli očkováni proti covidu. Srovnali jejich zdravotní stav s těmi, kdo vakcínu nedostali. Studie, která z tohoto výzkumu vzešla, ukázala dopady očkování a vyvrátila podezření na vážné vedlejší účinky.
10. 12. 2025

Dárce spermatu s genem způsobujícím rakovinu zplodil dvě stě dětí. Většině hrozí nádory

Dánská spermabanka, která dodává spermie pro umělé oplodnění po většině kontinentu, využívala celé roky jako dárce muže se vzácnou genetickou poruchou. Dvěma stovkám dětí, které díky jeho genetickému materiálu přišly na svět, tak hrozí rakovina. Některé už na nemoc zemřely, popsali výsledky rozsáhlé investigace novináři.
10. 12. 2025

Vědci popsali v srdci Prahy pro Česko nové druhy lišejníků a hub

Mohlo by se zdát, že hustě osídlená území velkoměst jsou spíše pouštěmi než oázami. Ale výzkumy ukazují, že to tak není: metropole totiž vytvářejí zcela nové ekosystémy, které mohou nabízet příležitosti spoustě druhů. A podle nového výzkumu se to týká i Prahy.
10. 12. 2025

Archeologové objevili vrak egyptské bárky luxusu, tance a nevázanosti

Archeologové našli u břehů egyptského města Alexandrie vrak luxusní rekreační bárky z antických dob, napsala agentura AFP s odvoláním na Evropský institut podmořské archeologie (IEASM). Stáří plavidla se odhaduje na dva tisíce let a potápěči ho objevili na dně moře u královského ostrova Antirhodos, kde se nacházel palác dynastie Ptolemaiovců a chrám zasvěcený egyptské bohyni Isis.
10. 12. 2025
Načítání...