US-Forscher bauen Bioroboter aus Froschzellen

  Lorenzo Fabbri 20. Februar 2020
Ein am Computer entworfener Xenobot, gebaut aus amphibischen Stammzellen Ein am Computer entworfener Xenobot, gebaut aus amphibischen Stammzellen © Dr. Douglas Blackiston

    Roboter, die sich selbst heilen und nach erledigter Arbeit einfach auflösen: Das klingt nach Hollywood, ist aber einer der jüngsten Erfolge aus der Robotik-Forschung. US-Forscher haben die ersten programmierbaren Organismen aus Stammzellen entwickelt, mit denen sie die „Software des Lebens“ verstehen möchten.

    Sie sind keine Tiere, auch wenn sie aus Zellen hergestellt werden, die aus Froschembryonen gewonnen wurden. Es sind auch keine Roboter im engeren Sinne, obwohl sie im Labor zusammengebaut wurden. Die in den "Proceedings of the National Academy of Sciences" von Forschern der Tuft University und der University of Vermont beschriebenen Exemplare sind Xenobots, d.h. wenige Millimeter lange Lebewesen, die sich auf ein Ziel zubewegen, sich nach dem Schneiden selbst reparieren und gegebenenfalls eine kleine Last tragen können.

    Das Ergebnis eröffnet eine völlig neue Forschungsrichtung, denn bisher hatten Versuche, künstliche Organismen zusammenzusetzen, die Anatomie bestehender Tiere als Vorbild, während es in diesem Fall das erste Mal ist, dass biologische Maschinen von Grund auf neu entworfen werden.

    Die Autoren verwendeten den Deep Green-Supercomputer-Cluster der Universität Vermont, auf dem ein evolutionärer Algorithmus "läuft", der Tausende von Kandidatenmodellen neuer Lebensformen erstellen kann. Um das von den Forschern gesteckte Ziel zu erreichen, zum Beispiel die Fortbewegung in eine Richtung, aggregiert der Computer mehrere hundert simulierte Zellen in verschiedenen Körperformen, wobei die Grundlagen der Biophysik und die Möglichkeiten der einzelnen Zellen berücksichtigt werden.

    Nach Hunderten von unabhängigen Simulationen wurden die vielversprechendsten Modelle für in-vivo-Tests ausgewählt. Zu diesem Zweck sammelten die Autoren Stammzellen von afrikanischen Froschembryonen der Art Xenopus laevis, um sie dann in einzelne Zellen zu zerlegen und unter dem Mikroskop nach dem vom Computer entwickelten Projekt "wieder zusammenzusetzen".

    Die Zellen wurden in anatomischen Formen zusammengesetzt, die in der Natur nie beobachtet wurden, und begannen miteinander zu interagieren. Die der Haut entnommenen Zellen haben eine passivere Architektur gebildet, während die Zellen des Herzens sich selbst organisiert haben, um eine geordnete Vorwärtsbewegung zu erzeugen.

    Der Xenobot-Prototyp hat sich als fähig erwiesen, sich konsequent zu bewegen und seine aquatische Umgebung tage- oder wochenlang zu erforschen. Eine weitere erstaunliche Fähigkeit der neuen Xenoboter ist, dass sie sich spontan selbst reparieren, wenn sie in zwei Teile geteilt werden. Schliesslich sind sie vollständig biologisch abbaubar.

    "Wir können uns viele nützliche Anwendungen dieser lebenden Roboter vorstellen, die konventionellen Maschinen verwehrt bleiben", erklärte Michael Levin, Direktor des Zentrums für Regenerations- und Entwicklungsbiologie an der Tufts-Universität und Mitautor der Studie. "Sie können zum Beispiel nach schädlichen Verbindungen oder Verunreinigungen suchen, Mikroplastiken in den Ozeanen sammeln, durch Blutgefässe reisen, um sie von atherosklerotischen Plaques zu reinigen.

    Zweitens bieten die Autoren, die neuen Xenobots, auch die Möglichkeit, mehr darüber zu verstehen, wie Zellen miteinander kommunizieren und sich miteinander verbinden, mit tiefgreifenden Konsequenzen sowohl für die Computerwissenschaft als auch für die Biologie. "Ein wichtiges Thema in der Biologie ist es, zu verstehen, welche Algorithmen verwendet werden, um die Form und Funktion des Organismus zu bestimmen", fügte Levin hinzu. "Wir wissen, dass das Genom für Proteine kodiert, aber wir wissen immer noch nicht, wie diese Hardware es den Zellen ermöglicht, unter sehr unterschiedlichen Umweltbedingungen zu kooperieren, um funktionelle Anatomien zu erzeugen".

    "Das Genom der Zellen, mit denen wir unsere Xenobots hergestellt haben, ist aus genetischer Sicht reine Frosch-DNA, aber es sind lebende Formen, die sich aus anatomischer Sicht völlig von Fröschen unterscheiden", schloss der Forscher ab. "Deshalb ist es legitim zu fragen: Was genau bestimmt die Anatomie, zu deren Herstellung die Zellen beitragen? Und was können diese Zellen noch bauen?"

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