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Forscher entwickeln mittels Künstlicher Intelligenz selbstreproduzierende Bioroboter

Wissenschaftler der University of Vermont haben eine neue Form der Fortpflanzung entdeckt und diese genutzt, um "lebendige" Bioroboter mit der Fähigkeit zur Selbstreplikation erschaffen. In der Zukunft könnten diese lebenden Maschinen auch in der regenerativen Medizin eine Rolle spielen.

Eine der elementarsten Eigenschaften lebendiger Organismen ist es, sich fortpflanzen zu können. Forscher der University of Vermont, der Tufts University und des Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering der Harvard University haben nun eine neue Möglichkeit der biologischen Fortpflanzung entdeckt und diese genutzt, um die ersten lebenden Roboter mit der Fähigkeit zur Selbstreplikation zu erschaffen.

Das Forscherteam, das bereits die ersten lebenden Roboter (sogenannte Xenobots, die aus Froschzellen bestehen und einfache Aufgaben erledigen können) entwickelt hatte, entdeckte nun, dass die am Computer entworfenen und von Hand "zusammengebauten" Organismen in einer Petrischale umherschwimmen und einzelne Zellen finden können. Weiterhin können sie Hunderte dieser Zellen zusammentreiben und mit ihrem "Mund", der an die Computerspiel-Figur Pac-Man erinnert, zu Mini-Xenobots zusammenbauen. Diese entwickeln sich innerhalb von ein paar Tagen zu neuen Xenobots, die genauso aussehen und sich genauso bewegen. Außerdem können diese neuen Xenobots ebenfalls umherschwimmen, Zellen finden und Kopien von sich selbst bauen. Dieser Vorgang lässt sich beliebig oft wiederholen, wie die Wissenschaftler in ihrer Arbeit beschreiben, die im Fachjournal Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurde.

Joshua Bongard, Robotik-Experte und einer der Studienleiter, erklärte dazu, dass sich die Xenobots mit dem richtigen Design spontan selbst replizieren können. Normalerweise würden sich diese embryonalen Stammzellen zu der Hautschicht eines Krallenfrosches (Xenopus laevis) entwickeln. Diese Zellen würden dann normalerweise an der Außenseite der Kaulquappe sitzen, Krankheitserreger abwehren und Schleim absondern. Doch im experimentellen Design ihrer Versuche setzen die Forscher die Zellen einer neuen Umgebung und einem neuen Kontext aus. Michael Levin, einer der Forscher, erklärte das so, dass sich den Stammzellen dadurch die Möglichkeit eröffnet, sich an genetischen Code zu "erinnern", um sich damit auch zu anderen Zellen entwickeln zu können. Sam Kriegmann, ein weiterer an der Studie beteiligter Wissenschaftler, erläutert das:

"Dies sind Froschzellen, die sich auf eine Weise replizieren, die sich sehr von der Art und Weise unterscheidet, wie Frösche dies tun. Kein Tier und keine Pflanze, die der Wissenschaft bekannt ist, repliziert sich auf diese Weise."

Man habe lange Zeit geglaubt, dass man alle Möglichkeiten der Fortpflanzung von Lebensformen erforscht habe und kenne. Doch den Wissenschaftlern zufolge sei dies etwas, was noch nie zuvor beobachtet wurde. Die Zellen haben zwar das Genom eines Frosches, doch da sie sich nicht zu Kaulquappen entwickeln, können sie ihre kollektive Intelligenz nutzen, um so etwas Außergewöhnliches zu bewerkstelligen. Bereits in früheren Versuchen waren die Forscher über die Möglichkeit erstaunt, Xenobots so konstruieren zu können, dass sie einfache Aufgaben erledigen. Umso verblüffter waren die Forscher nun festzustellen, dass sich diese vom Computer entworfene Ansammlung von Zellen spontan zu vermehren begann. Aus dem vollständigen Froschgenom ergab sich laut Levin kein Hinweis darauf, dass die Zellen zusammenarbeiten und aus den eingesammelten Zellen funktionsfähige Kopien von sich selbst verdichten können.

Das aus etwa 3.000 Zellen bestehende "Elternteil" hat die Form einer Kugel und bildet selbstständig Nachkommen. Üblicherweise sterbe dieses System schnell ab, sodass es in der Regel schwierig sei, es dazu zu bringen, sich weiterzuvermehren. Doch die Forscher nutzen ein Programm für Künstliche Intelligenz an einem Supercomputer-Cluster und testeten mit einem evolutionären Algorithmus in einer Simulation Milliarden verschiedener Körperformen, von Kugeln über Pyramiden bis hin zur Gestalt von Seesternen. So fanden sie eine Form, die es den Zellen ermöglichte, bei der auf ihrer Bewegung beruhenden "kinematischen" Replikation möglichst effektiv zu arbeiten. Wie Kriegmann, einer der Studienautoren, erläutert, ließ sich dadurch herausfinden, wie man die Form der ursprünglichen Elternteile anpassen kann:

"Die KI hat nach monatelanger Arbeit einige merkwürdige Designs gefunden, darunter eines, das an Pac-Man erinnert. Es ist sehr unintuitiv. Es sieht sehr einfach aus, aber es ist nichts, was sich ein menschlicher Ingenieur ausdenken würde."

Doch in der Praxis habe sich gezeigt, dass gerade dieses System funktioniert: Die Eltern-Xenobots waren in der Lage, "Kinder" zu bauen, die dann "Enkel" zusammenbauen, welche wiederum Urenkel und diese dann Ur-Ur-Enkel erzeugen. Mit dem richtigen Design konnte die Zahl der Generationen erheblich erweitert werden. Bisher war die kinematische Replikation nur auf der Ebene einzelner Moleküle bekannt, wurde aber nie auf der Ebene ganzer Zellen oder Organismen beobachtet. Mit der Arbeit der Forscher hat sich dies jetzt geändert. Man habe entdeckt, dass es innerhalb lebender Systeme einen riesigen, bisher unbekannten Raum gibt. Den Forschern zufolge berge "das Leben überraschende Verhaltensweisen direkt unter der Oberfläche".

Einige Menschen mögen mit Entsetzen auf die Vorstellung von sich selbst replizierenden Nanorobotern blicken, doch die Wissenschaftler erklärten, dass es ihnen in erster Linie um das Verständnis der Prozesse geht. Die millimetergroßen lebenden Maschinen, die sich ausschließlich im Labor befinden, sind nach dem Ende der Versuche leicht zu eliminieren und wurden zudem von Ethikexperten auf verschiedenen Ebenen geprüft. Bongard sagte, dies sei "nichts, was ihn nachts wach halte". Hingegen habe man die "moralische Verpflichtung", die Bedingungen selbstreplizierender Systeme zu verstehen, unter denen man diese kontrollieren, lenken oder eindämmen könne. In diesem Zusammenhang verweist er auch auf die Corona-Krise:

"Die Geschwindigkeit, mit der wir Lösungen entwickeln können, ist von großer Bedeutung. Wenn wir Technologien entwickeln können, die von Xenobots lernen, und der KI schnell sagen können: 'Wir brauchen ein biologisches Werkzeug, das X und Y bewirkt und Z unterdrückt', dann könnte das sehr nützlich sein. Heute dauert das sehr lange."

Mit der neuen Technologie könne man in Zukunft die Entwicklung von Problemlösungen beschleunigen – etwa durch den Einsatz von lebenden Maschinen beim Entfernen von Mikroplastik aus Gewässern oder der Entwicklung neuer Medikamente. Das Team sieht in ihrer Forschung auch vielversprechende Möglichkeiten im Bereich der regenerativen Medizin. Levin erklärte dazu:

"Wenn wir wüssten, wie wir Ansammlungen von Zellen dazu bringen können, das zu tun, was wir von ihnen wollen, dann wäre das letztlich regenerative Medizin – die Lösung für traumatische Verletzungen, Geburtsfehler, Krebs und Alterung."

Bisher könne man noch nicht vorhersagen oder kontrollieren, welche Zellgruppen sich bilden oder woraus sich diverse Probleme in der Medizin ergeben. Mit Xenobots habe man jetzt eine neue Plattform, mit der man dies lernen und erforschen könne.

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