Artificial life conference, Paris.

Next week it’s the European Artificial Life Conference (ECAL) 2011 in Paris.

Artificial Life is an interdisciplinary undertaking that investigates the fundamental properties of living systems through the simulation and synthesis of biological entities and processes. It also attempts to design and build artificial systems that display properties of organisms, or societies of organisms, out of abiotic or virtual parts.

ECAL, the European Conference on Artificial Life, is a biennial event that alternates with the US-based Alife conference series.

Download the complete PDF program booklet (53-page, includes all the abstracts)



I borrow this!

So what is life?

Posted by STEEN RASMUSSEN 5.8. on steennewmexico

This question, of course, has to be addressed, if you want to create life from scratch. At our FLinT center in Denmark we study and implement life-like and minimal living processes in a variety of materials and systems. In particular we seek to assemble a minimal protocell, a minimal physicochemically based cell.

First a little history:

Von Neumann, the inventor of the modern computer, realized that if life is a physical process, it should be possible to implement life in other media than biochemistry. He was one of the first to propose the possibility of implementing genuine living processes in computers, robots and other media. This perspective, while still controversial, is rapidly gaining momentum in many science and engineering communities and it is the basis for our work. Ilya Prigogine reemphasized and clarified the importance of utilizing free energy fluxes to generate order in physicochemical systems through self-organization. The metabolic processes in our protocells utilize free energy to maintain local order. Our metabolism is a thermodynamic engine that locally drives our system away from equilibrium. Manfred Eigen pointed out that autocatalysis between functional physicochemical components could be a mechanism for the emergence of early life and that autocatalysis can enhance a systems ability to maintain information. All our protocellular components are autocatalytically coupled.

Now, what is minimal physicochemical life then?

There is not a generally agreed upon definition of life within the scientific community, as there is a grey zone of interesting processes between nonliving and living matter. Our work on assembling minimal physicochemical life is based on implementing systems that meets three criteria, which most modern biological life forms satisfy.

In my opinion, and from a practical point of view, a minimal living physicochemical system needs to:

1. use free energy to convert resources from the environment into building blocks so that it can grow and reproduce,
2. have the growth and division processes at least partly controlled by inheritable information, and
3. allow the inheritable information to change slightly from one generation to the next, thereby permitting variation of the growth and division processes and thus allow selection and hence evolution.

How difficult can that be? Implementing these three simple criteria?

Well, I’m telling you, it’s not easy. It’s very complicated, as it takes many components to fall into place at the same time, and these components are not only of scientific nature.

For me personally, it took many years to convince any funding agency (peer review committee), that this kind of work is even possible. Secondly, we had to convince the committees that this work is worthy to spent tax payers money on: “In which sense will assembling minimal life benefit society?” Very important question, which I’ll get back to in some later blog. Only very few funding agencies give you money for basic, or curiosity driven, science.

I’ll say, getting continued funding for our activities is still, and has been, the hardest part of creating life. It’s certainly more complex than doing the science.

Secondly, due to the necessary complexities of the involved physicochemical systems, this kind of science is not a one-man activity. It takes a small village of skilled scientists from different disciplines, which gets us back to the previous point about money, as well as being able to host an exciting research environment.

Finally, and of course most importantly, it takes human wondering and amazement about why things are the way they are, as well as the courage to dream about how things could be. And it takes very good people. Without good people nothing moves. And then it takes tenacity. A dedicated effort day after day (and sometimes nights), month after month, year after year.

So don’t become a scientist unless you can’t help it. It consumes too much of you. But if you can’t help it, playing with your imagination and dreaming up new stuff, I believe is one of the most exhilarating things you can do as a human being. However, fundraising, writing grants, doing budgets, paying bills, dealing with whatever organization you are a part of, managing very smart people (herding cats), teaching, correcting exams, etc., is exhausting and can take some of the fun out of it. But that’s how it is. There are no free lunch.

Nanotuber

Det händer saker inom biologin just nu. En stor omvärdering av fakta sker. Ett av de stora genombrotten är nanotuber. Ett annat är den nya teorin om nervimpulsen som en soliton. Det kan hända att dessa båda är länkade till varandra.

Nanotuber (och de mindre thether) är små membrankantade rör mellan cellerna, innehållande aktin-myosin-komplex. De är en nyupptäckt variant av cellkommunikation, ett fysiskt rörnätverk av sammanhängande cellinnehåll mellan cellerna. Tidigare har man känt till neuronala synapser och gap junctions. I de neuronala synapserna har gliacellerna också kommit aktivt med ex. som glutamat-tillverkare (reglerar aktivitetsnivån) och som tillverkare av ribosomer (reglerar tillverkning av signalämnen). Nervsystemet är inte på långa vägar så enkelt som man har trott. Det finns annat än nervceller och sinnesorgan som styr nervsystemet.

Som namnet säger är de små rör som förekommer i ett nätverk mellan celler, dock inte mellan alla celler. Rören är kortvariga, kanske de finns där några dagar. Just tidbegreppet är också indelat i olika nivåer i cellkommunikationen. Kortvarigast är apokrin, sedan parakrin, neuronal och endokrin kommunikation är långvarigast. Nu har då tillkommit nanotuber som den kanske långvarigaste kommunikationen. Man vet ännu rätt litet om dem. Jag skall här kort summera vad man vet:

1. funktion för cellkommunikation, provtagning av miljön och proteintransport. Man har också sett transport av organeller, ex. delar av mitokondrier, ribosomer men mest endosomer. Bl.a. som informationskanal för immunsystemet är de viktiga. Homeostasens reglering och cellorganisering tros vara viktiga funktioner, möjligen organutveckling. Reglering av proteinsyntes och genaktivitet genom transport av mikroRNA (fungerar epigenetiskt), transport av argosomer, melanosomer, membranbitar, endosomer och lysosomer. Synkroniserar vävnaderna.

2. storlek 50 -200 nm, med en ansenlig variation i storleken och längden. Som jämförelse kan nämnas att gap junctions är 0,5 - 2 nm, eller 100 gånger mindre. Är det en slump? Också gap junctions bildar ett nätverk av förbindelser mellan celler. De sköter mest transport av små joner och molekyler, samt om de livsviktiga kalciumvågorna, som är ett informationsmedium och utlöser olika aktiviteter i cellerna. Också tunnlarna ger kalciumvågor. Tunnlarna är alltid kortast möjliga (sträckta genom aktin-myosin komplexet?).

3. hastighet mycket snabb. Signalen går fram inom sek till celler flera hundra mikroner borta. Riktad och envägskommunikation. Även tvåvägskommunikation rapporterad. Orsak: membranerna mellan cellerna fusioneras; inget gap alls. Signalstyrkan påverkas mycket litet av avståndet jämfört med användandet av lösliga ämnen som skall förmedla signalen.

4. varaktighet kort från några minuter till som längst i dagar. Därför tror man nu att ex. ultraljudsundersökningar av foster ännu är ofarliga. Skadan av förstörda tunnlar repareras snabbt?

5. när finns tunnlar? Man har sett att trauman har ökat antalet tunnlar. Vid inflammation, i njurar, pancreas mm. I prostatacancerceller, kanske tumören bildar ett eget informationsnät för spridning av läkemedelsresistens (läkemedlet pumpas ut ur tumören?), prioner sprids via tunnlarna, ev. HIV (sprids 100 - 1000 gånger effektivare via tunnlar) och andra virus. Inuti cellen är virus i säkerhet för immunsystemet, endast apoptos kan döda dem. Tunnlarna som först byggdes för att immuncellerna skulle lätt kunna låta budet gå (kalciumvågorna) vid invadering, kapas av viruset.

6. vad reagerar de för? De är uttalat känsliga för långvarigt ljus, vibrationer, och mekaniskt drag och stress. Många kemiska ämnen skadar dem också. Från tidigare vet man att vibrationer skadar kalktransporten. Deras känslighet gjorde att de blev oupptäckta så länge, de sågs bara genom en miss i proceduren. Nackdelen i dag är att man inte kan skada tunnlarna utan att skada cellerna.

7. olika för olika celltyper. I dag känner man över 200 olika celltyper. Tunnlar finns överallt, både vid sjukdom och vid god hälsa. Olika celltyper kan också förenas ex. nerv- och immunceller. Vissa sjukdomar som tumörer kanske kan bekämpas ex. med ljus (laser?), vibrationer och ljud (Novafon?) etc..

8. två olika typer av nanotuber. Tunna membran, typ 1 nanotuber innehåller endast F-actin, medan tjockare nanotuber, typ 2, dvs > 0.7 µm i diameter, innehåller både F-actin och microtubuli (cytokeratinfilament). Lysosomer och mitokondrier kunde ses i de tjocka tunnlarna bara. Olika struktur ger olika funktion hos tunnlarna. Typ 1 bildas då cellerna utforskar sin omgivning för att få kontakt med andra celler.. typ 2 bildas då två redan förenade celler börjar röra sig från varann.

Om sambandet mellan nervimpuls och nanotuber återkommer jag till.

Konstgjort liv

I USA håller man på att få resultat när det gäller att skapa nytt liv, i form av protoceller. Resultaten gavs offentlighet i Nature, samt vid XV Internationella konferensen om Livets ursprung i Florens, Italien i slutet av augusti. Det är ett labb lett av Jack Szostak som bygger en primitiv cellmodell som nästan kan kallas liv.

Deras cellmodell byggs från enkla fettmolekyler (micell-struktur) som har förmågan att fånga in ”liv” i form av enkla nukleinsyror, och replikeras. Yttre energi som driver ”livet” fås från solen eller från kemiska reaktioner, precis som med naturliga celler. Detta ”liv” kan representera livet som det kanske såg ut en gång i tidernas begynnelse, här på jorden eller i universum. Ännu är inte modellen helt autonom vad gäller celldelning, men den är så nära någon har kommit att skapa artificiellt liv.

Hur membranen kan fås att växa och dela sig är en kvistig fråga. Hur få det genetiska materialet att kopiera sig självt en annan. Man har lyckats få enkla kodsekvenser kopierade, men att få ett material som ”kan göra något vettigt” är svårare.

Här måste jag påpeka att då livet uppstod på jorden gick det väldigt snabbt att få RNA (och DNA), det genetiska materialet. Troligen kom det färdigt till oss från universum. Men att få ihop en fungerande cell var det knepiga. Om det nu var som skapelseberättelsen säger oss borde det väl inte ha varit så svårt för Gud. Och varför måste Han skapa om livet, gång på gång på gång. Var Han aldrig nöjd? Varför så många försök och misstag? Inte kunde Han väl använda evolutionen som redskap?

Det allra första livet hade troligen inga celler alls, utan var just en ”ursoppa”. En ansamling av proteiner, socker, fetter och oorganiskt material.

Arbetet med protoceller är nytt liv och är ännu mera revolutionerande än andra försök att skapa artificiellt liv, ex. artificiella bakterier, där vanliga bakterier används som modeller, och tänkande (kvant)datorer. Lyckas man få de rätta förutsättningarna har det nya livet samma möjligheter att utvecklas via evolutionen som vilket annat liv som helst. Szostak hoppas ha ett helt själv-replikerande system klart i en nära framtid.

Frågan om livets uppkomst är en aspekt, en annan är synen på livet som små nano-maskiner som kan kopiera sig själva. Frågan om organisation dyker då också automatiskt upp. Utan organisation, ingen struktur (eller funktion/form). Och det är en brännhet fråga i dag. Energi tas från ett ställe och flyttas till ett annat, dit den oftast inte vill gå själv. Därför har moderna celler utvecklat ett komplicerat molekylärt maskineri. Många av dessa molekylkaskader är så avancerade att dagens teknik inte kan efterapa dem. Men hur göra en organisation utan invecklade molekyler? Det första livet var enkelt. Molekyl-maskinerna har tillkommit senare.

I fjol lyckades man få fram en cytidin 5'-ribonukleotid i två steg. Det svåra steget med ribos-5-fosfat kringgicks. Och med en sådan molekyl lyckades självreplikeringen av nukleinsyran inne i protocellen.

"Vad vi har I biologin är bara en av många, många möjligheter," sade Szostack. "En av de saker som alltid kommer upp är vattnets betydelse. Men är vattnet verkligen nödvändigt? Kanske livet kan byggas på något annat, ex. svaveljärn?

Dock kvarstår faktum. I dagens värld är vattnet en stark organisationsfaktor, inte minst för att hålla ihop det genetiska materialet. Hur det var vid tiden för livets uppkomst vet vi ej.

En helt annan sak är att vi faktiskt inte heller har en aning om vad vatten egentligen är. Hur fungerar det?

Litteratur:
Mansy SS, Schrum JP, Krishnamurthy M, Tobé S, Treco DA, Szostak JW. Template-directed synthesis of a genetic polymer in a model protocell. Nature. Published online 4 June 2008.
http://pubs.acs.org/cgi-bin/sample.cgi/jacsat/2007/129/i01/html/ja066495v.html
http://www.stealthskater.com/Documents/Life_02.doc udda forskning
Pressmeddelande från Uppsala universitet. Nya oväntade rön om vattens mikroskopiska struktur. Niklas Ottosson. 2008-09-04