Parcie na rolę stwórcy. Życie syntetyzowane
Życie sztuczne, albo syntetyczne, to pojęcie, pod którym kryją się różne znaczenia w zależności od kontekstu i perspektywy. W najprostszym ujęciu, sztuczne życie to życie stworzone przez człowieka, a nie przez naturę. Może dotyczyć to zarówno życia biologicznego, jak i niebiologicznego, takiego właśnie jak roboty lub inne maszyny albo też programy i algorytmy.
Badania nad sztucznym życiem to interdyscyplinarna dziedzina nauki, która zajmuje się modelowaniem, symulacją i eksperymentowaniem z różnymi aspektami życia, jego ewolucją, adaptacją, samoorganizacją, reprodukcją, inteligencją i zachowaniami. Chodzi w tych badaniach zarówno o lepsze zrozumienie życia naturalnego, ale także odkrycie nowych możliwości życia syntetycznego, które mogą mieć zastosowanie w technice, medycynie a nawet w sztuce.
Od konferencji po poruszającą się sztuczną bakterię
Pierwsza konferencja poświęcona sztucznemu życiu (Artificial Life, AL, Alife) odbyła się w Los Alamos w roku 1987 z inicjatywy amerykańskiego biologa, Christophera Langtona. Konferencję przeprowadzono pod nazwą International Conference on the Synthesis and Simulation of Living Systems. Potem dziedzina ta rozwijała się powoli, przyspieszając dopiero w poprzedniej dekadzie.
W 2010 r. powstała pierwsza komórka syntetycznej bakterii, która zawierała cały sztucznie wytworzony genom i była zdolna do samodzielnego wzrostu i podziału, a jej DNA zawierało ponad 4 miliony liter kodu genetycznego. Projekt ten został zrealizowany przez zespół naukowców pod wodzą J. Craiga Ventera (2). Potem, w 2014 r., udało się opracować pierwszy sztuczny chromosom drożdży. Dokonano tego w ramach większego projektu stworzenia całkowicie syntetycznego organizmu eukariotycznego. Chromosom ten został zaprojektowany i złożony przez zespół naukowców z Uniwersytetu Nowojorskiego z ponad 270 tysięcy par zasad DNA.
Zdjęcie: commons.wikimedia.org
Pierwszy sztuczny organizm, który może ewoluować bez ingerencji człowieka, został zbudowany przez zespół naukowców z Uniwersytetu Cornella w 2015 roku, z elektronicznych komponentów, które mogą się łączyć, rozdzielać i zmieniać swoje funkcje. Organizm ten był zdolny do adaptacji do zmieniających się warunków środowiska i do optymalizacji swojej wydajności.
Dwa lata później grupa badaczy z Instytutu Scrippsa stworzyła, jak podano w naukowej publikacji w „Proceedings of the National Academy of Sciences”, pierwszą stabilną formę życia, która zawierała całkowicie syntetyczne, nieznane naturze, DNA. Udało się wykreować dwie nowe, poza czterema znanymi z natury, zasady azotowe - d5SICS i dNaM - oznaczone literkami X i Y. Uczeni z tego samego instytutu stworzyli podobny organizm już wcześniej, w 2014 roku, jednak nie był stabilny. Dzięki wprowadzeniu nowej cząsteczki, która bardziej wydajnie transportuje nukleotydy (podstawowe składniki strukturalne DNA i RNA) przez błonę komórkową, proces replikacji przebiegał prawidłowo.
Minęły kolejne dwa lata i naukowcy z Uniwersytetu Cambridge stworzyli pierwszy w historii syntetyczny genom. Na jego podstawie powstał pierwszy sztuczny, żywy organizm z własnym kodem DNA. Był to mikrob, nowy szczep bakterii, bardzo podobny do tych, który znajdują się w ludzkich jelitach. Przy całym podobieństwie organizm syntetyczny potrzebował mniejszej ilości informacji genetycznej. Sztuczny kod DNA został wydrukowany na arkuszach A4. Było ich aż 970. Wyniki badań zostały opublikowane w prestiżowym czasopiśmie naukowym „Nature”.
Amerykańscy naukowcy z Uniwersytetu Stanowego w Vermont, Tufts i Instytutu Inżynierii Inspirowanej Biologicznie na Uniwersytecie Harvarda opracowali w 2020 r. pierwsze „żywe roboty”, nazwane „ksenobotami”. Mogą się rozmnażać, i to w sposób niespotykany u roślin i zwierząt. Stworzone przez nich w 2020 r. z komórek macierzystych afrykańskiej żaby szponiastej (Xenopus laevis), od której wzięły swoją nazwę, ksenoboty mają mniej niż milimetr szerokości. Eksperymenty wykazały, że potrafią się poruszać, współpracować w grupach i regenerować się samodzielnie. Pod koniec 2021 r. naukowcy poinformowali, że odkryli zupełnie nową formę reprodukcji biologicznej, inną niż jakiekolwiek zwierzę lub roślina znane nauce. Ksenoboty wykorzystywały „replikację kinetyczną”, proces, o którym wiadomo, że zachodzi na poziomie molekularnym, ale nigdy wcześniej nie zaobserwowano go w skali całych komórek lub organizmów.
Według publikacji w „Science Advances”, w 2022 r. japońscy naukowcy z Metropolitarnego Uniwersytetu w Osace zaprojektowali sztuczną formę życia, znaną pod nazwą syn3, która była w stanie samodzielnie się poruszać. Udało im się to dzięki wprowadzeniu odpowiadających za ruch białek pochodzących z bakterii, do struktury prostej, syntetycznej bakterii, która normalnie jest nieruchoma. Zabieg ten spowodował, że syntetyczna forma życia zmieniła kształt i stała się mobilna. „Badanie bakterii z najmniejszym na świecie aparatem ruchowym może być wykorzystane do opracowania mechanizmów napędowych dla mikrorobotów naśladujących komórki lub silników opartych na białkach”, zauważał w publikacji profesor Makoto Miyata, członek zespołu badawczego z Osaki.
W końcu najnowsze osiągnięcie to JCVI-syn3A, syntetyczne komórki rosnące i dzielące się tak jak naturalne organizmy jenokomórkowe, uzyskane na początku 2024 r., w ramach współpracy kilku amerykańskich ośrodków badawczych w tym instytutu J. Craiga Ventera.
Procesy życiowe to też życie
Życie to nie tylko organizmy, ale również określone procesy. Należy do nich fotosynteza. Okazuje się, że nie trzeba tworzyć syntetycznych organizmów imitujących np. komórki roślinne, by naśladować proces przekształcenia wody i dwutlenku węgla w glukozę z wydzielaniem wolnego tlenu, przy wykorzystaniu energii słonecznej.
Nad sztuczną fotosyntezą, która poza produkcją energii i żywności, mogłaby neutralizować CO2, naukowcy eksperymentują od lat, np. badania prowadzone przez Uniwersytet Cambridge w Wielkiej Brytanii w 2018 r. zaowocowały lepszym sposobem podziału wody na wodór i tlen poprzez połączenie ścieżki fotosyntezy z enzymem zwanym hydrogenazą. W 2019 r. naukowcy z Cambridge opracowali sztuczny liść, który tworzył gaz syntetyczny przez gromadzenie energii z wykorzystaniem światła słonecznego, dwutlenku węgla i wody. Cały korzystał z dwóch absorberów światła, podobnych do cząsteczek roślinnych, zbierających światło słoneczne, które były połączone z katalizatorem wykonanym z kobaltu. Jeden absorber światła wykorzystywał katalizator do produkcji tlenu w środowisku wodnym, zaś drugi przeprowadzał reakcję chemiczną, która redukowała dwutlenek węgla i wodę do tlenku węgla i wodoru, tworząc mieszaninę gazów syntezowych.
Znaną już od dekad jest koncepcja naśladowania naturalnych procesów mózgowych za pomocą sieci neuronowych. Od dawna próbowano to robić z wykorzystaniem chipów krzemowych jako węzłów i przewodów jako połączeń. Jest to jednak metoda mało wydajna. Dlatego poszukuje się innych rozwiązań. W 2015 roku badacze z uniwersytetu w Santa Barbara opracowali oparty na memrystorach sztuczny obwód imitujący połączenia neuronowe. Układ syntetycznych synaps wykonywał typowe dla ludzkiego mózgu zadanie - klasyfikację symboli liter „z”, „v” i „n” na podstawie demonstrowanych obrazów. Jak informował serwis ZDNet, zespół inżynierów chemicznych z UCLA nauczył się w 2019 r. rozwijać nanoobwody miedziane z dodatkiem azotanu srebra, które przypominają strukturę i aktywność elektryczną części mózgu. Badania są projektem Jamesa Gimzewskiego, który już w 2012 roku głosił projekt budowy syntetycznego mózgu.
Jednak ostatnio poszukiwania idą w kierunku rozwiązań hybrydowych, częściowo opartych na biologii. W 2021 r. naukowcy z Cortical Labs, australijskiego start-upu zajmującego się bioinformatyką, przeprowadzili eksperymenty, w których połączyli neuronowe komórki macierzyste z opartymi na krzemie matrycami wieloelektrodowymi. Ich badania wykazały, że można odtworzyć, metodą in vitro, symulowaną, quasi-biologiczną sieć neuronową wykazującą „biologiczną inteligencję”, która w przeprowadzonych eksperymentach uczyła się grać w znaną grę komputerową Pong. Naukowcom z Cortical Labs udało się zsynchronizować sieć neuronową z drążkiem wykorzystywanym przez graczy, czyli sieć neuronowa nauczyła się, jak kontrolować sprzęt do gry w Ponga. Odkryli oni, że quasi-biologiczny system, który nazwali DishBrain, był w stanie nauczyć się grać w Ponga szybciej niż AI. Opanowała grę po kilkunastu rundach, podczas gdy znanym algorytmom sztucznej inteligencji potrzeba takich rund kilka tysięcy w tym samym celu. Naukowcy z Cortical Labs ustalili, iż syntetyczna inteligencja biologiczna może nauczyć się adaptować do niektórych środowisk i kontekstów szybciej niż „tradycyjna”. Wskazuje to, że syntetyczna inteligencja biologiczna może mieć, przynajmniej pod pewnymi względami przewagę nad AI, opartą na układach krzemowych.
Fotosynteza czy myślenie to tylko drobny fragment repertuaru procesów związanych z życiem. W pracy opublikowanej w 2019 r. w „Science Robotics”, międzynarodowy zespół opisuje opartą na DNA metodę generowania sztucznego metabolizmu, nazywaną metodą DASH-DNA. Oparta jest na nanobotach bazujących na DNA, które dynamicznie poruszają się po swoich środowiskach i aktywnie przetwarzają „surowiec” genetyczny. Niektóre z nich rosły w kształtach molekularnych podwójnych spirali, inne „pisały” litery DNA w mikroukładach. Boty oparte na DNA mogłyby stawać się nanodiagnostami w przypadku infekcji. Ostatecznie, zdaniem uczonych, ten materiał genetyczny mógłby pozwalać na budowę maszyn samoreprodukujących się.
Dążenia do imitacji procesów biologicznych mają całkiem praktyczny wymiar. Niedawno start-up Bolt Threads z Kalifornii zaproponował nową technikę produkcji na skalę przemysłową włókien naśladujących pajęcze nici. Polega ona na wytwarzaniu syntetycznych protein, z których można splatać włókna o różnych właściwościach, w zależności od wymagań postawionych na początku procesu produkcji. Linia biotechnologiczna syntetycznych nici pajęczych zaczyna się od zbiornika, w którym drożdże karmione dekstrozą wytwarzają genetycznie zmodyfikowane cząsteczki protein. Z białkowego kondensatu wytwarza się następnie włókna w maszynie, która nawija je i wyciąga. Po sprawdzeniu wytrzymałości nawijane są na szpule. Bolt Threads zapowiada, że tkaniny z zawartością tak produkowanych włókien pojawią się na rynku już w przyszłym roku. Włókna te są znacznie cieńsze niż np. bawełna i znacznie wytrzymalsze niż nylon. Mogą posłużyć do produkcji wysokiej jakości ubiorów, znacznie np. lepiej znoszących pranie.
Kilka lat temu w „ACS Nano” opisano osiągnięcie uczonych z Uniwersytetu Waszyngtona w St. Luis pod kierownictwem prof. Fuzhonga Zhanga, którzy wykorzystując zmodyfikowane genetycznie bakterie, wyprodukowali amyloidy hybrydowych białek jedwabiu i amyloidu, które tworzą włókna wytrzymalsze od stali, kevlaru i wszystkich znanych syntetycznych włókien, a nawet trwalsze od niektórych naturalnych włókien jedwabiu pajęczego.
Sztuczny śluz o właściwościach antybakteryjnych, czyli potencjalnie użyteczny, stworzyli specjaliści z Massachusetts Institute of Technology. Jak się okazuje, jego zdolność do naśladowania innego naturalnego procesu - zwalczania drobnoustrojów - jest lepsza niż naturalnego śluzu wydzielanego przez człowieka. Naukowcy odtworzyli właściwości zawartej w tej substancji proteiny o nazwie mucyna, która oddziałuje na bakterie, neutralizując je. Zespół z MIT użył nowej metody do tworzenia mucyny. Używając katalizatora opartego na wolframie, rozwinęli pierścień węglowy do kształtu linearnej cząsteczki, która zawiera podwójne wiązanie węgiel-węgiel. Co ważne, powstały konfiguracje wiązań podwójnych nazywane „cis”, w których atomy węgla mają dołączone grupy chemiczne po jednej stronie - jest to przeciwieństwo konfiguracji „trans”, w których grupy znajdują się po przeciwnych stronach. Konfiguracja ta, jak odkryli badacze, była bliższa kształtowi naturalnych mucyn, dzięki czemu były one bardziej rozpuszczalne w wodzie. W kolejnych testach badacze wystawili syntetyczne mucyny na działanie toksyn wytwarzanych przez bakterie wywołujące cholerę. Okazało się, że syntetyczne polimery cis nie tylko lepiej wychwytują toksyny niż polimery trans, ale nawet przewyższają pod tym względem mucyny naturalne. Sztuczny śluz może mieć wiele zastosowań w medycynie. Wyniki badań opublikowano w „ACS Central Science”.
Algorytmy inspirowane i odtwarzające naturę
Oprócz biologicznego życia syntetycznego i procesów z nich związanych, pojęciem „życie sztuczne” obejmuje się również często maszyny, które mają zdolność samopowielania i autonomicznego funkcjonowania w środowisku, a także, niemającą cech typowego bytu fizycznego, sztuczną inteligencję, która po wieloma względami dorównuje nawet wysoce rozwiniętym istotom żywym.
Jest zarazem pojęcie inspirowanych i naśladujących życie i naturę algorytmów. W informatyce znanych jest wiele takich. Czasem trudno orzec, czy dany algorytm powstał jako zaplanowana próba naśladownictwa natury, czy też powstał bez takiego zamysłu, a dopiero później skojarzył się z istniejącym procesem naturalnym. Są one często odporne na zakłócenia (niedoskonałe dane, zmienne warunki, niepewność informacji) i zwykle nie prowadzą do uzyskania ściśle optymalnych (najlepszych możliwych) rozwiązań. Ponadto dosyć często mają charakter rozproszony, zdecentralizowany, są skalowalne, a rozwiązania uzyskane w wyniku ich działania mogą sprawiać wrażenie nadmiaru i trudno wykrywać w nich zależności.
Trzy przykładowe klasy algorytmów inspirowanych biologicznie to: algorytmy ewolucyjne, algorytmy oparte na roju oraz sztuczne układy odpornościowe.
Algorytmy ewolucyjne czasem bywają nazywane „automatem do wynalazków” i są stosowane właściwie w wielu dyscyplinach - elektronice, inżynierii, medycynie, ekonomii, itd. Dzięki ich zastosowaniu uzyskano pamięci USB o trzydziestokrotnie wyższej trwałości, światłowody o dwukrotnie większym paśmie, wskutek użycia otworów o nieregularnych kształtach doskonalsze kile, turbiny, śmigła, skrzydła, obiektywy, implanty ślimakowe, wzmacniacze, filtry, anteny i inne.
Inteligencja grupowa, nazywana też czasem inteligencją roju (swarm intelligence), obejmuje podejścia, w których zachowanie inteligentne wynika ze współdziałania wielu prostych jednostek (agentów). Natura dostarcza nam wielu przykładów społeczności organizmów, w których pojedyncze osobniki są nieświadome całości zadania, w jakim uczestniczą, natomiast ich liczność oraz specyficzne zachowanie prowadzi do wykonania tego zadania. Jest to obecnie intensywnie rozwijający się dział robotyki - samoorganizujące się i współpracujące grupy robotów, gdzie prostota przekłada się zarówno na odporność na zakłócenia, jak i na niską cenę i możliwość masowej produkcji.
Model układu odpornościowego przydaje się wszędzie tam, gdzie zachodzi potrzeba wykrywania anomalii, np. nietypowego działania systemu operacyjnego spowodowanego przez podejrzanie działający program (program błędnie napisany lub wirus). Najpierw, na etapie selekcji negatywnej, tworzy się pewną liczbę detektorów (przeciwciał). Podczas pracy systemu, jeśli nadchodzący nowy przypadek jest odpowiednio blisko jakiegoś detektora, zostaje uznany za „zły”, a uaktywniony detektor (lub detektory) w procesie selekcji klonalnej ulega powieleniu i mutacjom. W ten sposób system wzmacnia swoją reakcję na antygeny, z którymi się zetknął. Wychodzimy z założenia, że wszystko, co nie przypomina znanej, normalnej sytuacji (pozytywnego przypadku lub komórki macierzystej), jest anomalią.
Widać praktyczne zastosowania ale jest też wielki niepokój
Zwolennicy biologii syntetycznej uważają, że przeprogramowanie biologii pozwoli wydajniej produkować żywność i użyteczne chemikalia, zwalczać choroby, generować energię i oczyszczać wodę. Biologia syntetyczna może być wykorzystywana do tworzenia mikroorganizmów modelowych, takich jak Escherichia coli, za pomocą narzędzi do edycji genomu w celu zwiększenia ich zdolności do wytwarzania produktów, takich np. leki i biopaliwa. Innym przykładem zastosowania biologii syntetycznej jest przeprojektowanie szlaków metabolicznych E. coli za pomocą systemów edycji genów CRISPR w kierunku produkcji 1,4-butanodiolu, wykorzystywanego w produkcji włókien.
Integracja biochemicznych komponentów pochodzących z systemów żywych z komponentami nieorganicznymi może prowadzić do powstania nowych materiałów, które są w stanie wyczuwać środowisko (lub sygnały wewnętrzne) i zmieniać swoje właściwości. Cechy te mogą być szczególnie przydatne do ulepszania odzieży ochronnej lub materiałów budowlanych. Co ciekawe, zamiast modyfikować lub ulepszać istniejące materiały na bazie białek, alternatywne podejście polega na wykorzystaniu technik obliczeniowych do projektowania zupełnie nowych białek, które samoczynnie składają się w przewidywane kształty. „Programowalne” białka otwierają przed biologią syntetyczną jeszcze większe możliwości nie tylko w dziedzinie materiałów, ale także w medycynie i chemii.
Inicjatywa biologii syntetycznej znana pod nazwą Human Genome Project-write sięga jeszcze dalej, zachęcając naukowców do konstruowania całych ludzkich chromosomów. Pojawiły się zarazem obawy dotyczące etyki tworzenia „syntetycznych ludzi”. W ramach HGP-write zaproponowano stworzenie chromosomu odpornego na wirusy przez wprowadzenie co najmniej setek tysięcy zmian w ludzkim genomie usuwających sekwencje DNA, które wirusy wykorzystują do porywania komórek i replikacji.
Rodzi się cybergenetyka, nowa dziedzina, w której opracowuje się narzędzia eksperymentalne do komputerowej kontroli procesów komórkowych na poziomie genów w czasie rzeczywistym. Kontrolę cybergenetyczną można osiągnąć poprzez połączenie żywych komórek za pomocą komputera cyfrowego, który włącza lub wyłącza wbudowany „przełącznik genetyczny” za pomocą światła, co należy do dziedziny zwanej optogenetyką, lub substancji chemicznych. Połączenie tych technik z metodami edycji DNA, takimi jak CRISPR/Cas9, ma ułatwić i przyspieszyć tworzenie platform produkcyjnych oraz wytwarzanie złożonych produktów biosyntezy. Jednym z przykładów mogą być procesy, w których podstawowe mechanizmy komórkowe są odtwarzane in vitro i wykorzystywane jako platforma produkcyjna, bez tworzenia nowych komórek. Środowiska bezkomórkowe, połączone z półprzewodnikami, oferują drogę do elastycznych i sterowalnych systemów produkcyjnych. Na przykład nanocząstki wykonane z materiałów półprzewodnikowych lub kropek kwantowych można wykorzystać do zwiększenia aktywności enzymów w środowisku bezkomórkowym przy użyciu minimalnego zestawu składników. Wieloetapowe szlaki enzymatyczne mogą być powiązane z powierzchniami nanocząstek, a dzięki uniknięciu efektu dyfuzji, który ma miejsce w komórkach, szybkość reakcji może być zwiększona stukrotnie. Ekspresja genów w tych „sztucznych komórkach” może być kontrolowana za pomocą elektrod, które zapobiegają składaniu białek przez rybosomy.
Biologia syntetyczna obiecuje wiele praktycznych, użytecznych zastosowań, ale zdaniem sceptyków, równie dobrze może zaszkodzić ludziom i środowisku naturalnemu. Co, jeśli ktoś stworzy sztuczne, znacznie bardziej śmiercionośne niż te znane z natury, patogeny? A jeśli syntetyczne życie okaże się gatunkiem inwazyjnym i zacznie wypierać z naturalnego środowiska życie ziemskie? Takie rzeczy działy się i dzieją w naszym środowisku od dawna. Jest w idei sztucznego życia coś bardzo niepokojącego. Chyba nie powinniśmy nad tym przechodzić do porządku dziennego w dążeniu do wejścia w rolę stwórców nowego życia.
Mirosław Usidus
