Forskere konstruerer flercellet organisme over nettet

Rundormen Caenorhabditis elegans kaldes en modelorganisme, fordi den er gennemstuderet og kan bruges som model for andre organismer, også pattedyr.

Nu skal modelorganismen modelleres. Open Worm Project vil gøre det, som ingen tidligere har været i stand til: At genskabe en hel flercellet organisme i datakredsløb af silicium – in silico.

Open Worm Project har ikke noget hovedkvarter. Deltagerne er spredt ud over hele verden og mødes over internettet. Resultaterne er åbent tilgængelige for alle, men også beskrevet i tidsskriftet Cell.

Nærmest uoverkommelig at skabe kunstig organisme

Caenorhabditis elegans er en millimeter lang. Hjernen består af blot 302 nerveceller. Det kan da ikke være så svært at fremstille en model af dette dyr?

Jo, det er næsten en uoverkommelig opgave. Canadiske forskere forsøgte det samme i begyndelsen af år 2000 med en encellet organisme, tarmbakterien E.coli. Projektet blev aldrig fuldført.

»Halvdelen af E.Coli er endnu ukendt,« sagde lederen af projektet, Michael Ellison ved University of Alberta til netavisen The Atlantic sidste år.

Problemet er ikke bevægelsen

Så hvad med C.elegans? Forskerne bag Open Worm Project har formået at modellere musklerne lige nøjagtig nok til, at den virtuelle rundorm snor sig i en virtuel agar, virtuel næringsrig gele.

Egentlig er det ikke vanskeligt at modellere en orm, der snor sig. Det er blot at modellere bevægelsen.

Men en sådan model er et ovenfra og ned perspektiv på modelleringen. Bevægelsen er virkningen. Hvis du vil forstå organismen, er det årsagen til bevægelsen, som du ønsker at forstå.

Indre processer skaber rundormens bevægelse

I så fald må du modellere biologien bag bevægelsen. Du bliver nødt til at modellere nedefra og op. Du må konstruere nervecellerne, der stimulerer de virtuelt modellerede muskelceller, som får rundormen til at sno sig.

Det er lykkes for Open Worm Project. Ormen snor sig ud fra indre processer, ikke ud fra en ydre beskrivelse af bevægelsen.

Forskerne skal modellere hjernen

Men der er kun dele af de interne processer, der er modelleret. Ormens simple krumninger skyldes lige så simple elektriske krumninger i nervesignalerne, sinusbølger, som forskerne har sendt ind i de virtuelle nervebaner.

Det, der står tilbage, er formidabelt: At sørge for at ormen bugter sig ud fra processer i den lillebitte hjerne.

Forskerne må modellere, hvordan næringsstoffer og giftstoffer, varme og kulde i den virtuelle agar påvirker de virtuelle sanseorganer.

Derpå må de modellere, hvordan sanseorganerne sender signaler ind i de 302 nerveceller. Endvidere skal de modellere de 302 nerveceller, ned til den enkelte biokemiske proces i hver eneste synapse.

Virtuel rundorm skal klare sig selv

Disse modeller skal føre til resultater i form af nervesignaler til de virtuelle muskler. Disse nervesignaler skal ikke blot få rundormen til at sno sig, men få den til at sno sig, som en ægte rundorm ville have gjort for at undgå farer og opsøge næring.

Med andre ord: Forskerne skal lave en model, der er så fuldkommen, at de bare kan læne sig tilbage og se, hvordan rundormen klarer sig selv, der nede i den virtuelle agarskål.

Og forskerne har endnu ikke nærmet sig problemet med at få den virtuelle rundorm til at spise virtuel mad eller lave virtuelle børn.

Forskere har før modelleret bakterie

Er opgaven umulig? Der er både indicier for og imod.

For at begynde optimistisk: Forskere ved Stanford-universitetet har faktisk allerede lykkes med at datamodellere en organisme ned til mindste molekylære detalje.

I 2012 lykkedes det dem at sætte data sammen fra over 900 videnskabelige artikler til Mycoplasma genitalium, en sjælden bakterie, der smitter ved kønslig omgang.

M. genitalium er livets svar på minimalismen. Arvestoffet har kun 525 gener, det mindste antal hos nogen levende celle.

Derfor har denne bakterie fået det ærefulde hverv at bidrage som modelorganisme i The Minimal Genome Project. Projektet skal finde ud af, hvor få gener, der egentlig skal til for, at det overhovedet skal stå til liv.

Rundorm er kompleks i forhold til bakterie

Sammenlignet med M. genitalium er rundormern C. elegans yderst kompleks. Men forskellen er kun kvantitativ.

Tak - mere af samme skuffe, godt hjulpet på vej af Moores lov, der fordobler datakapaciteten hver 18. måned og ivrige programmører fra San Diego til St. Petersborg.

Der er ikke nogen kvalitative forskelle på at modellere bakterien, der giver sviende vandladning, og at modellere rundormen, der trives i kompost og rådden frugt. Eller er der?

Epigenetik kan kaste lys over modelleringen

For nylig fik jeg en indfaldsvinkel på et svar fra en diskussion om epigenetik i Oslo.

Den engelske genetiker Bryan Turner sad i diskussionspanelet. Han kom med et vigtigt udsagn.

»Vi er organismer, som interagerer på vigtige måder med verden,« sagde han.

Bryan Turner tænkte ikke bare på, hvordan organismen samarbejder med verden direkte. Som genetiker var han særligt optaget af, hvordan omgivelserne påvirker udtrykket i arvematerialet.

Det er epigentik. Omgivelserne påvirker arvematerialet. Studier af enæggede tvillinger viser, at de udvikler sig forskelligt, selv om arvematerialet som udgangspunkt er ens. Disse ændringer kan endda gå i arv.

Hele universet må konstrueres

Hvilken betydning har det for C. elegans?

Det betyder, at selvom rundormes arvemateriale er kortlagt, så kan rundormen ikke beskrives fuldt ud af en model, som bare beskriver rundormen.

For at modellere rundormen fuldt ud, må vi også modellere dens omgivelser.

Hvis vi virkelig vil kontrollere, at rundormen er modelleret med alt sit epigenetiske potentiale for livsudfoldelse, kan vi ikke nøjes med at modellere en stiliseret virtuel agarskål.

Vi bliver nødt til, at konstruere det frodige forfald i en kompostbunke eller en rådnende frugt.

Og for at konstruere en kompostbunke eller en rådnende frugt, må vi modellere hele resten af universet.

En sådan kæde af krav vil i sidste instans føre til det ultimative umulige: Vi skal konstruere hele resten af universet.

Systemet må tage hensyn til omgivelserne

Denne logik vækker genklang i matematikeren Kurt Gödels teoremer fra 1931: Logiske systemer kan aldrig lukkes i en indre fuldstændighed.

Epigenetikken antyder, at det også gælder de logiske systemer, programmeringen, der modellerer rundormen. Systemet er ikke lukket. De må tage hensyn til omgivelserne.

Er en computer for lukket et system?

Den engelske genetiker Bryan Turner fortsatte sit indlæg i diskussionen med et lige så vigtigt udsagn: Ideen om, at vi er beskrevet fuldt ud af arvematerialet DNA, er en deterministisk filosofi. Epigenetik er det modsatte.

Så kan vi stille spørgsmålet: Er en computer ikke netop et fuldstændig lukket deterministisk system?

En computer er lavet af mennesker, og hver enekelte strømning i datakredsløbet er kontrolleret fuldstændigt af os.

Og videre: Kan et sådan lukket deterministisk system modellere et åbent system, som ikke er deterministisk?

Kunstigt væsen skal have et publikum

Hvis det virkelig forholder sig sådan, at kvantitativ stigende kompleksitet skaber ny kvalitet, er svaret måske ja. Men for at svaret skal blive ja, må endnu en betingelse være tilstede: Der må være nogen til at opleve denne emergente kvalitet.

Og her er vi måske ved det største dilemma af dem alle omkring den digitale model af rundormen. For hvad er denne digitale model overhovedet uden mennesker til at opleve den?

Så er modellen blot deterministiske elektroner i datakredsløb, som giver ophav til fotoner fra en computerskærm. Eller snor det sig et sted inde i siliciummet?

© forskning.no Oversat af Anna Bestle