Vivo, vitro, silico

UNDER RADAREN: En rundorm kan studeres levende, in vivo, som celler i reagensglass, in vitro, eller gjenskapes i datamaskinen, in silico.  Men blir ormen in silico noensinne in vivo - levende?

Publisert
På nettstedet til Open Worm Project kan du selv rotere modellen av rundormen C. elegans i tre dimensjoner og kle den av, lag for lag, for å avdekke indre strukturer. (Foto: (Figur: Open Worm Project))
På nettstedet til Open Worm Project kan du selv rotere modellen av rundormen C. elegans i tre dimensjoner og kle den av, lag for lag, for å avdekke indre strukturer. (Foto: (Figur: Open Worm Project))

Blipp som glapp


 

I denne kommentarspalten flyr forskning.nos journalist Arnfinn Christensen lavt under nyhetsradaren og kretser over grenselandet mellom naturvitenskap og filosofi.

Rundormen Caenorhabditis elegans kalles en modellorganisme fordi den er gjennomstudert, og kan tjene som modell for andre organismer, også pattedyr.

Nå skal modellorganismen modelleres.  Open Worm Project vil gjøre det ingen tidligere har klart: Å gjenskape en hel flercellet organisme i datakretser av silisium – in silico.

Open Worm Project har ikke noe hovedkvarter. Deltakerne er spredt over hele verden, og møtes over internett. Resultatene er åpent tilgjengelige for alle.

Ga opp

C. elegans er en millimeter lang. Hjernen består av bare 302 nerveceller. Å lage en datamodell av dette dyret må da være enkelt?

Nei, det er nesten uoverkommelig vanskelig. Kanadiske forskere forsøkte det samme på begynnelsen av 2000-tallet med en encellet organisme, tarmbakterien E.coli. Prosjektet ble aldri fullført.

- Halvparten av E.Coli er fortsatt ukjent, sa lederen for prosjektet, Michael Ellison ved University of Alberta, til nettavisa The Atlantic i fjor.

Ovenfra og ned

Så hva med C. elegans? Forskerne bak Open Worm Project har klart å modellere musklene nøyaktig nok til at den virtuelle rundormen snor seg i et virtuelt agar, virtuell næringsrik gele.

Å modellere en orm som snor seg, er egentlig ikke vanskelig. Det er bare å modellere bevegelsen.

Men en slik modell er et ovenfra og ned-perspektiv på modelleringen. Bevegelsen er virkningen. Hvis du vil forstå organismen, er det årsaken til bevegelsen du vil forstå.

Nedenfra og opp

Da må du modellere biologien bak bevegelsen. Du må modellere nedenfra og opp.

Du må modellere nervecellene som stimulerer de virtuelt modellerte muskelcellene som får rundormen til å sno seg.

Dette har Open Worm Project klart. Ormen snor seg ut fra indre prosesser, ikke ut fra en ytre beskrivelse av bevegelsen.

Modellere hjernen

Men bare deler av de indre prosessene er modellert. De enkle buktningene til ormen skyldes like enkle elektriske buktninger i nervesignalene, sinusbølger som forskerne har sendt inn i de virtuelle nervebanene.

Det som gjenstår, er formidabelt: Å sørge for at ormen bukter seg ut fra prosesser i den ørlille hjernen.

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

Så må de modellere hvordan sanseorganene sender signaler inn i de 302 nervecellene. Videre må de modellere de 302 nervecellene, ned til den enkelte biokjemiske prosess i hver eneste synapse.

Klare seg selv

Ut av disse modellene skal det komme resultater i form av nervesignaler til de virtuelle musklene. Disse nervesignalene må ikke bare få rundormen til å sno seg, men til å sno seg slik en ekte rundorm ville gjort for å unngå farer og oppsøke næring.

Med andre ord: Forskerne må lage en modell som er så fullstendig at de bare kan lene seg tilbake og se hvordan rundormen klarer seg selv, der nede i den virtuelle agarskålen.

Og ennå har ikke forskerne nærmet seg problemet med å få den virtuelle rundormen til å spise virtuell mat eller lage virtuelle barn.

Minimalistisk bakterie

Er oppgaven umulig? Noen indisier peker mot nei, andre mot ja.

For å begynne optimistisk: Forskere ved Stanford-universitetet har faktisk allerede klart å datamodellere en organisme ned til minste molekylære detalj.

I 2012 klarte de å sette sammen data fra over 900 vitenskapelige artikler til Mycoplasma genitalium, en sjelden bakterie som smitter ved kjønnskontakt.

M. genitalium er livets svar på minimalismen. Arvestoffet har bare 525 gener, det minste antall hos noen levende celle.

Derfor har denne bakterien fått det ærefulle verv å bidra som modellorganisme i The Minimal Genome Project. Prosjektet skal finne ut hvor få gener som egentlig må til for at det overhodet skal stå til liv.

Mer av det samme

Sammenlignet med M. genitalium er rundormen C. elegans en fontene av kompleksitet.  Men forskjellen er bare kvantitativ.

Takk- mer av det samme, godt hjulpet av Moores lov som dobler datakapasiteten hver 18. måned og ivrige programmerere fra San Diego til St. Petersburg.

Det er ingen kvalitativ forskjell mellom å modellere bakterien som gir sviende vannlating, og modellere rundormen som trives i kompost og råtten frukt. Eller – er det?

Arv og miljø samhandler

En innfallsvinkel til et svar fikk jeg fra en diskusjon om epigenetikk i Oslo nylig.

Den engelske genetikeren Bryan Turner satt i diskusjonspanelet. Han kom med et viktig utsagn.

- Vi er organismer som interagerer på viktige måter med verden, sa han.

Turner tenkte ikke bare på hvordan organismen samhandler med verden direkte. Som genetiker var han spesielt opptatt av hvordan omgivelsene påvirker uttrykket i arvestoffet.

Dette er epigenetikk. Omgivelsene påvirker arvestoffet. Studier av eneggede tvillinger viser at de utvikler seg forskjellig, selv om arvestoffet i utgangspunktet er likt.  Disse endringene kan til og med arves.

Modellere resten av universet

Hva betyr dette for datamodellen av C. elegans? Det betyr at selv om rundormens arvestoff er kartlagt, så kan ikke rundormen beskrives fullt ut av en modell som bare beskriver rundormen.

For å modellere rundormen fullt ut, må vi også modellere omgivelsene til rundormen.

Hvis vi virkelig vil kontrollere at rundormen er modellert med alt sitt epigenetiske potensiale for livsutfoldelse, kan vi ikke bare modellere en stilisert virtuell agarskål.  Vi må modellere det frodige forfallet i en komposthaug eller en råtnende frukt.

Og for å modellere en komposthaug eller en råtnende frukt, må vi modellere omgivelsene som får dem til å kompostere og råtne.

I siste instans fører en slik kjede av krav til det ultimate, umulige: Vi må modellere hele resten av universet.

C. elegans. (Foto: Wikimedia Commons)
C. elegans. (Foto: Wikimedia Commons)

Ikke lukket system

En slik logikk gir gjenklang i matematikeren Kurt Gödels teoremer fra 1931: Logiske systemer kan aldri lukkes i indre fullstendighet.

Epigenetikken antyder at dette også gjelder de logiske systemene, programmeringen som modellerer rundormen. Systemet er ikke lukket. Det må ta hensyn til omgivelsene.

Deterministisk

Den engelske genetikeren Bryan Turner fortsatte innlegget sitt i diskusjonen med et like viktig utsagn: Ideen om at vi er beskrevet fullt ut av arvestoffet DNA er en deterministisk filosofi. Epigenetikk er det motsatte.

Så kan vi stille spørsmålet:  Er ikke en datamaskin nettopp et fullstendig, lukket deterministisk system?

En datamaskin er laget av mennesker, og hver enkelt strøm i datakretsene er kontrollert fullt og helt av oss.

Noen må oppleve

Og videre: Kan et slikt lukket, deterministisk system modellere et åpent system som ikke er deterministisk?

Hvis det virkelig er slik at kvantitativt økende kompleksitet gir ny kvalitet, er svaret kanskje ja.

Men for at svaret skal bli ja, må enda en betingelse være til stede: Det må være noen der for å oppleve denne emergente kvaliteten.

Og her er vi kanskje ved det største dilemmaet av dem alle rundt den digitale modellen av rundormen. For hva er denne digitale modellen uten mennesker til å oppleve den?

Da er modellen bare deterministiske elektroner i datakretser, som gir opphav til fotoner fra en dataskjerm.

Eller – snor det seg, et sted der inne i silisiumet?

Lenker:

Open Worm Project

Is This Virtual Worm the First Sign of the Singularity? The Atlantic, 17. Mai 2013

Project CyberCell (nedlagt)

Breakthrough: The First Complete Computer Model of a Living Organism, nettstedet io9, 23.juli 2012

Jonathan R. Karr et.al: A Whole-Cell Computational Model Predicts Phenotype from Genotype, Cell, Volume 150, Issue 2, p389-401, 20. Juli 2012, dx.doi.org/10.1016/j.cell.2012.05.044