Biologische Revolution? Der bioelektrische Code jenseits der Gene
(bitsofwonder.co)- Michael Levins Forschung betrachtet biologische Entwicklung nicht nur genzentriert, sondern stellt die Hypothese in den Vordergrund, dass Zellen die Struktur des Körpers über bioelektrische Netzwerke koordinieren
- In Planarien-Experimenten waren das Ruhemembranpotenzial und der relative elektrische Zustand von Zellen an der Regeneration von Kopf und Schwanz beteiligt, und mit Medikamenten, die bestimmte Ionenkanäle blockieren, ließ sich die Körperstruktur verändern
- Einige Veränderungen bei Planarien blieben ohne Gen-Editierung bestehen, und eine zweiköpfige Struktur wurde ohne weitere Eingriffe an die nächste Generation weitergegeben
- Derselbe Ansatz wurde auf zusätzliche Gliedmaßen bei Fröschen und anormal platzierte Augen, auf sich bewegende und selbstreplizierende Biobots (biobot) sowie auf Biobots aus menschlichen Zellen ausgeweitet, die beschädigte Neuronen heilen
- Wenn auch Zellen, Gewebe und Organe eine kollektive Intelligenz besitzen können, die Mittel verändert, um ein Ziel zu erreichen, könnte sich der Forschungsrahmen der Biomedizintechnik und Kognitionswissenschaft erheblich erweitern
Wie aus einer einzelnen Zelle ein Körper wird
- Damit sich aus einer einzigen befruchteten Eizelle ein Embryo und ein erwachsener Organismus entwickeln, müssen Knochen, Haut, Muskeln, Organe sowie die Anordnung und Verschaltung von etwa 100 Milliarden Neuronen entstehen
- Maschinen werden von Menschen nach Bauplan aus Einzelteilen zusammengesetzt, doch in der biologischen Entwicklung gibt es kein zentrales Kontrollzentrum, das den gesamten Körper überblickt und jedem Teil Anweisungen gibt
- Die klassische Biologie entsprach weitgehend einer Bottom-up-Struktur, in der molekulare Mechanismen Zellfunktionen erzeugen und Zellfunktionen wiederum Organe und den Körper hervorbringen
- Seit der Sequenzierung des menschlichen Genoms im Jahr 2003 konzentriert sich viel Forschung darauf, wie Gene und chemische Signalwege hochrangige biologische Strukturen bestimmen
- Levins Kerngedanke ist, dass Gene zwar viele der Informationen enthalten, die zum Aufbau des Körpers nötig sind, aber nicht die einzige Abstraktionsebene sind, auf der sich Entwicklung verstehen und beeinflussen lässt
- In der Programmiermetapher sind Gene eher mit Maschinencode vergleichbar, während moderne Programmierer mit höherstufigen Konstrukten wie Objekten, Modulen und Anwendungen arbeiten
- Auch in der Biologie gibt es bedeutende höhere Steuerungsebenen, und eine davon sind bioelektrische Netzwerke
Bioelektrische Netzwerke und die Regeneration von Planarien
- Neuronen kommunizieren über elektrische Muster in ihren Membranen und über Neurotransmitter als Netzwerk, doch auch die Zellen des gesamten Körpers verfügen über dieselben Kommunikationsbausteine und senden langsamer Signale aus und empfangen sie
- Levin und seine Kollegen nennen dies zur Abgrenzung von neuronalen Netzen bioelektrische Netzwerke
- Planarien sind etwa 2 cm lange Organismen, die nicht altern, keinen Krebs bekommen und ihren Körper selbst dann regenerieren können, wenn sie in mehr als 250 Stücke zerschnitten werden
- Die zentrale Frage bei der Regeneration lautet, wie jedes abgeschnittene Stück erkennt, welche Körperteile bereits vorhanden sind und welche neu gebildet werden müssen
- In den Zellen des ganzen Körpers existiert ein Gradient des Ruhemembranpotenzials
- Über diesen elektrischen Zustand verfolgen Zellen ihre Position im Körper
- Experimente zeigten, dass die relative Position des elektrischen Zustands einer Zelle gegenüber dem Rest des Körpers an der Entscheidung beteiligt ist, ob ein Kopf oder ein Schwanz regeneriert wird
- Für die Regenerationsfähigkeit sind auch adulte Stammzellen, die Neoblasten (neoblasts), wichtig; sie machen bis zu 30 % des Planarienkörpers aus
- Nicht alle Biologen stimmen der zentralen Bedeutung bioelektrischer Netzwerke zu; Alfonso Martinez Arias meint, man sollte sich stärker auf die Fähigkeiten von Stammzellen konzentrieren
Experimente, die Körperstrukturen ohne Veränderung der Gene umformten
- Levins Team setzte Planarien in eine Lösung mit Medikamenten, die bestimmte Ionenkanäle blockieren, veränderte damit den elektrischen Zustand ihrer Zellen und brachte sie dazu, nicht einen, sondern zwei Köpfe zu bilden
- In ähnlichen Experimenten entstanden auch Fälle, in denen überhaupt kein Kopf gebildet wurde oder ein Kopf einer anderen Wurmart
- Diese Würmer wurden genetisch nicht editiert und waren dennoch allesamt lebende, funktionale Organismen, obwohl ihre Körperstruktur verändert war
- Einige Veränderungen waren dauerhaft, sodass zweiköpfige Planarien auch ohne weitere Medikamente oder Manipulationen weiterhin zweiköpfige Nachkommen hervorbrachten
- Die betreffende Planarienlinie vermehrt sich durch Teilung, bei der sich der Körper in zwei Hälften spaltet
- Dieses Ergebnis zeigt, dass sich dauerhafte Veränderungen der Körperstruktur auch ohne Veränderung der Gene erzeugen lassen, und entspricht aus Levins Sicht einem Ansatz zur Entschlüsselung des bioelektrischen Codes des Körpers
Entwicklungssteuerung, ausgeweitet auf Frösche, Augen und Biobots
- Levins Labor und andere Forschende haben mehrere Beispiele geschaffen, in denen die Entwicklung durch Steuerung bioelektrischer Netzwerke beeinflusst wurde
- Bei Fröschen wurden zusätzliche Gliedmaßen entwickelt
- Bei Fröschen wurden Augen im Darm erzeugt oder funktionsfähige Augen am Schwanz
- Levins langfristiges Ziel ist ein anatomischer Compiler, der bei Eingabe eines beliebigen Organ- oder Körperdesigns die chemischen und elektrischen Signale ausgibt, die nötig sind, um dieses Organ zu erzeugen
- Die Idee besteht darin, statt jede mikroskopische Detailstruktur festzulegen eine hochrangige Beschreibung wie „ein zusätzliches Auge am Schwanz“ vorzugeben; verglichen wird das mit einem DALL-E für die Biologie
- Langfristig wird über mögliche Anwendungen bei Traumata, angeborenen Defekten, degenerativen Erkrankungen, Krebs und Alterung gesprochen
- Allerdings ist ein solches System noch hochgradig spekulativ und fernliegend, und bei seiner Entwicklung könnten viele ethische Fragen entstehen
Intelligenz und Anpassungsfähigkeit in Entwicklungsprozessen
- In Levins weiterem Blickwinkel sind „Intelligenz“ und „Kognition“ nicht nur auf Neuronen im Gehirn beschränkt, sondern könnten auf mehr Ebenen der Biologie anwendbar sein
- Experimente, in denen Gesichtsorgane von Kaulquappen manuell vertauscht wurden und sich während der Reifung dennoch an die richtige Position bewegten, deuten darauf hin, dass sich ein sich entwickelnder Körper auf einen Zielzustand hin bewegen kann
- Da diese „picasso frogs“-Situation in einer evolutionären Umgebung kaum wahrscheinlich entstanden wäre, wird sie als schwer mit einem genetisch hartkodierten Ablauf für genau diese Lage vereinbar interpretiert
- Levin definiert Intelligenz als die Fähigkeit, dasselbe Ziel mit unterschiedlichen Mitteln zu erreichen
- Entsprechende Beispiele zeigen sich auf mehreren biologischen Ebenen
- Wird ein Embryo chirurgisch in zwei Teile geteilt, entwickeln sich nicht zwei halbe Körper, sondern zwei gesunde Zwillinge
- Selbst wenn Salamanderzellen künstlich vergrößert werden, entwickeln sich Nierentubuli mit weniger Zellen auf dieselbe objektive Größe
- Werden die Zellen noch größer, können Salamander sogar Tubuli bilden, die aus einer einzigen nach innen eingerollten Zelle bestehen
Kreativität, Agency und kollektive Intelligenz
- Biologische Systeme können nach einer Störung nicht nur dieselbe Funktion wiederherstellen, sondern bei passenden Signalen auch neue Funktionen annehmen
- Levins Team gab Hautzellen embryonaler Frösche bestimmte Signale und erzeugte dadurch sich selbst bewegende und selbstreplizierende Biobots
- Auch in diesem Fall geschah dies ohne genetische Manipulation, sondern durch die Gabe von Medikamenten an gewöhnliche Stammzellen
- In jüngerer Zeit wurden bewegliche Biobots aus Zellen erwachsenen menschlichen Lungengewebes erzeugt, die beschädigte Neuronen heilen können
- Zu den potenziellen Anwendungen zählen der Angriff auf Krebszellen, die Reinigung von Umweltgiften und die Heilung degenerierter Nervengewebe
- Levin meint, dass die Evolution schon vor dem Auftreten von Gehirnen Agency und intelligente Informationsverarbeitung in Subsystemen wie der Morphogenese, Bakterienkolonien und Gennetzwerken gefunden haben könnte
- Wenn man Zellen und Zellverbände als Systeme mit angeborener Intelligenz betrachtet, eröffnet das einen Forschungsansatz, diese Intelligenz für beabsichtigte Zwecke zu nutzen
Erweiterung des Rahmens der Kognitionswissenschaft
- Wenn Gehirn, Organe und Zellen dieselben grundlegenden kognitiven Bausteine besitzen, könnten Werkzeuge und Ideen zwischen Disziplinen geteilt werden
- „Kognitionswissenschaft“ könnte sich über die Erforschung von Gehirnneuronen hinaus auf alle koordiniert zusammenwirkenden Zelltypen und weiter gefasst auf alle Kollektive ausdehnen
- Bereits erforscht wurden Ansätze, Krebs als „dissoziative Identitätsstörung“ von Zellverbänden zu betrachten, sowie Phänomene, bei denen Ameisenkolonien auf eine dem Gehirn ähnliche Art in visuelle Täuschungen geraten
- Levin betrachtet jede Intelligenz als kollektive Intelligenz
- Unterschiedliche Intelligenzformen entstehen jeweils aus der Kombination vieler Untereinheiten mit eigenen Fähigkeiten und Unterintelligenzen
- Auch der einzelne Mensch ist ein Verbund aus etwa 100 Milliarden Neuronen und Billionen weiterer kooperierender Zellen
- Der Körper ist eine Gesellschaft von Zellen, und die Verbindung zwischen menschlichen Gesellschaften und den Zellgesellschaften im Körper könnte mehr als nur eine Metapher sein
1 Kommentare
Meinungen auf Hacker News
Michael Levins Sichtweise nähert sich ziemlich stark Humberto Maturanas Autopoiesis und Nick Lanes Protonenpumpen an.
Autopoiesis ist kein einfacher Begriff, aber ein Kerngedanke ist, dass wichtiger als die Details der Struktur die Bewahrung jener Beziehungen ist, die dafür sorgen, dass die eigenen Bestandteile fortlaufend erneuert werden. Dass Planarien äußerst anpassungsfähig sind, ist keine wirklich neue Nachricht.
Nick Lane betont stärker als DNA die Bioenergetik und das Pumpen von Protonen über Membranen hinweg; in seinem jüngsten Buch „Transformer“ behandelt er den Krebszyklus und Mitochondrien als Kern des Lebens. Lane ist sehr gut lesbar, während Maturana nahezu schwer verständlich ist.
Den betreffenden Artikel habe ich gern gelesen, aber ich habe ein Unbehagen dabei, Entwicklung auf „Bioelektrizität“ zu reduzieren. Es ist zwar eine ergänzende Perspektive, aber ich weiß nicht, ob sie uns weiter bringt als die ältere molekulare Entwicklungsbiologie.
Es ist schwer, in anderen Bereichen Autoren zu finden, bei denen man so viel lernen kann, ohne dass es sich wie echte Arbeit anfühlt.
Wenn man sich von einer massenzentrierten Sichtweise löst und zur in der Elektrotechnik idealisierten mathematischen Vollständigkeit elektromagnetischer Strahlung übergeht, zeigt sich meiner Meinung nach ihr Wert in der theoretischen Anwendung.
Ich habe eine Simulation erstellt, in der ein Baum als programmierbarer zellulärer Automat wächst. Jede Zelle führt je nach Umgebungsbedingungen und Alter/Iterationszahl Operationen wie Replikation aus.
Mit dieser Technik lassen sich auch komplexere Organismen wachsen lassen. Man kann es hier direkt ausprobieren: https://acionescu.github.io/digitalfire/WebContent/
In Fußnote 5 steckt eine wichtige Tatsache. Wenn zweiköpfige Planarien zweiköpfige Nachkommen hervorbringen, vermehren sie sich nicht durch Eiablage, sondern durch Teilung.
Das heißt, diese physiologische Eigenschaft wird nicht über Gene weitergegeben. Wenn sie genetisch weitergegeben würde, wäre das eine ziemlich erstaunliche lamarckistische Tatsache.
Planarien nutzen im Allgemeinen sowohl sexuelle als auch asexuelle Fortpflanzung, also sowohl Ei und Spermium als auch die Teilung des Körpers.
Die Formulierungen des Artikels sind etwas überzogen. Es gibt bereits mehrere Beispiele dafür, dass Gradienten an der Musterbildung beteiligt sind; elektrische Potenziale sind lediglich ein vergleichsweise neues Forschungsgebiet.
Dazu gehören chemische Gradienten auf Basis der WNT-Signalgebung in der Entwicklung der Fruchtfliege, chemische SHH-(sonic hedgehog)-Gradienten bei der Musterbildung von Gliedmaßen und der Asymmetrie der Körperachse sowie Auxin-Signale in der Pflanzenentwicklung.
Auch Alan Turings berühmte Arbeit aus den 1950er-Jahren behandelte Reaktions-Diffusions-Mechanismen zur Musterbildung. Damit Evolution reproduzierbare Muster erzeugen kann, muss sie mit irgendeiner Art von Gradient beginnen und ihn mit der Gentranskription verknüpfen.
Im Fall der Fruchtfliege ist es ein chemischer Trigger, der über WNT-Signale den Zellkern erreicht; im Fall von Plattwürmern treibt statt eines chemischen Gradienten ein Gradient der Membranpolarisation den Prozess an. Muster, die sich durch elektrische Depolarisation erzeugen lassen, dürften einfacher sein als chemische Interaktionen, weil dabei die interessanten Wechselwirkungen aus Reaktions-Diffusions-Systemen verloren gehen.
Der tatsächlich beschriebene Zustand wird durch die Konzentrationen verschiedener Ionen und Moleküle innerhalb und außerhalb des Tierkörpers bestimmt. Weil elektrisch geladene atomare Ionen und Moleküle beteiligt sind, entsteht als Folge chemischer Konzentrationsänderungen eine Potenzialverteilung; dieses Potenzial ist eher ein Mechanismus, der mehrere chemische Konzentrationen miteinander koppelt.
Derselbe „bioelektrische“ Zustand, also dieselbe Potenzialverteilung, kann aus unterschiedlichen Ionenverteilungen entstehen, und selbst wenn der elektrische Zustand äußerlich gleich wirkt, kann sich das tatsächliche Verhalten erheblich unterscheiden.
Das ähnelt Halbleitern: Auch dort lässt sich der Betrieb nicht allein anhand der Ladungsverteilung simulieren; man muss mehrere Ladungsträgerkonzentrationen wie Elektronen, Löcher und feste Kristalldefekte separat berücksichtigen.
Wie wissen Zellen während des Wachstums eines Organismus, was sie in Zeit und Raum tun sollen, und wie ist diese Logik im Genom kodiert?
Eric Davidson leistete Pionierarbeit, indem er diese räumlich-zeitliche genomische Logik beim Seeigel sorgfältig „debuggte“ – wirklich erstaunlich. Eukaryoten wie wir besitzen nicht nur regulatorische Elemente direkt upstream eines Gens, sondern auch solche, die Hunderttausende Basenpaare entfernt liegen.
In der DNA-Region direkt vor dem offenen Leserahmen am Anfang eines Gens befinden sich normalerweise DNA-Motive, an die Proteine binden, die die Genexpression erhöhen oder verringern. Davidson und andere zeigten, dass auf den an diese regulatorischen Motive gebundenen Transkriptionsfaktoren eine weitere Proteinschicht bindet und dass diese sekundäre Proteinsequenz wiederum eine tertiäre Proteinschicht rekrutiert, die die Expression abhängig von ihrer Identität bedingt reguliert.
Die sekundären und tertiären Schichten kodieren Hierarchien logischer Operationen und können daher buchstäblich als eine Art Abstraktion verstanden werden. Eine frei zugängliche Übersicht, die das Konzept auch für allgemeine Leser genauer erklärt, ist Ellen Rothenbergs „ERIC DAVIDSON: STEPS TO A GENE REGULATORY NETWORK FOR DEVELOPMENT“: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4828313/
Wer die entschlüsselte Logik als Pseudocode und Diagramme sehen möchte, kann Howard und Davidsons „cis-Regulatory control circuits in development“ lesen: https://doi.org/10.1016/j.ydbio.2004.03.031
Mit meinem grundlegenden neurowissenschaftlichen Wissen, das in Erinnerung, Lernen und dem Verständnis von Aktionspotenzialen verwurzelt ist, habe ich ein LLM zu diesem Thema befragt; aber da die Forschung dazu noch wenig entwickelt und verstreut ist, fällt es schwer, sicher zu sein, ob die Antwort stimmt.
Ich möchte wissen, was genau ein Spannungsgradient ist, wie er sich von einem Aktionspotenzial unterscheidet und wie Prozesse auf Zellebene mit größeren Systemen verbunden sind. Zum Beispiel interessiert mich, ob SHH nicht nur für Musterbildung, sondern auch für die Regeneration von Gliedmaßen genutzt wird, ob es in normalen Gliedmaßen inaktiv ist, ob es um Gliedmaßenzellen oder Gehirnzellen geht und welche Arbeiten das gezeigt haben.
Claude erklärte, bei der Gliedmaßenregeneration von Amphibien spielten der spannungsabhängige Protonenkanal Hv1, die Depolarisation von Epithelzellen an der Amputationsstelle, pH- und Protonengradienten, Kalzium- und Natriumgradienten, die Ausbreitung bioelektrischer Signale über große Entfernungen durch Gap Junctions sowie Muster von Spannungs- und Ionengradienten eine Rolle, die das Regenerationsergebnis bestimmen.
Außerdem antwortete es, Spannungsgradienten oder bioelektrische Felder seien kein einzelner Spannungswert an einem Punkt, sondern räumlich verteilte Muster von Spannungsunterschieden; Aktionspotenziale unterschieden sich dadurch, dass sie eine Spannungsdifferenz über die Zellmembran zu einem bestimmten Zeitpunkt seien. Trotzdem habe ich das Gefühl, dass hier irgendetwas Wesentliches „unter den Teppich gekehrt“ wird.
Das sind verwandte Materialien. Gibt es noch weitere?
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Memory in the Flesh: Can memories survive outside the brain? - https://news.ycombinator.com/item?id=9226391 - März 2015
Growing Neural Cellular Automata https://news.ycombinator.com/item?id=22300376, Februar 2020
Es ist erstaunlich, dass die Informationen, die nötig sind, um einen Menschen zu machen, selbst unkomprimiert nur etwa 750 MB umfassen. Zum Beispiel einschließlich sehr spezifischer Formen wie der des Schulterblatts oder sogar Dingen wie Spinnenangst.
Wenn man 10 identische befruchtete Eizellen in 10 verschiedene Personen einsetzt, entstünden nicht, wie viele denken, 10 Klone, sondern 10 unterschiedliche Menschen. Das liegt daran, dass nicht nur die Gene der Mutter, sondern auch Ernährung, Lebensstil und Vorgeschichte die frühe Entwicklung des Fötus stark beeinflussen.
Wir wissen nicht, wie viele Daten nötig wären, um eine lebende Zelle vollständig zu beschreiben. Aus DNA allein lässt sich ohne eine vorhandene Zelle keine Zelle erzeugen; die nötigen Informationen stecken also nicht nur in der DNA.
Wenn sich eine Zelle teilt oder fortpflanzt, wird der gesamte Nanoroboter mit kleinen Modifikationen kopiert. Die DNA sagt, wie der kopierte Nanoroboter zu verändern ist, und im Prinzip lässt sich jede Zelle auch in ihren ursprünglichen Zustand zurückprogrammieren.
Niemand weiß, wie man den Nanoroboter Zelle von Grund auf baut. So wie ein Computerprogramm keine Anleitung zum Bau eines Computers enthält, steckt diese Information nicht in der DNA.
Außerdem kratzen wir bei der Epigenetik bisher nur an der Oberfläche.
Eine Formulierung wie „Seine Arbeit wurde an vielen Stellen vorgestellt, von Scientific American über den Lex-Fridman-Podcast bis hin zu The New Yorker“ ist als Beschreibung wissenschaftlicher Leistung seltsam.
Wenn es hieße, er habe in Lancet, Nature oder Science publiziert, wäre das wissenschaftliche Gewicht klar. Dass er in populärwissenschaftlichen Medien, einem bekannten Podcast oder einem Magazin für ein allgemeines Publikum vorgestellt wurde, zeigt dagegen nur, wie gut sich die Forschung erklären oder verkaufen lässt, nicht wie belastbar sie ist.
Bei der Stelle, er habe „Frösche dazu gebracht, zusätzliche Gliedmaßen zu bilden oder echte, sichtbare Augen im Darm oder am Schwanz entstehen zu lassen“, habe ich zwei widersprüchliche Reaktionen.
Die eine ist: „Wissenschaft ist wirklich erstaunlich!“, die andere: „Arme Frösche, das ist ja furchtbar.“
Der Titel ist wirklich schlecht. Ein besserer Titel wäre meiner Meinung nach etwa Bioelectric Signals Guide Body Development and Regeneration.
Er verwendete keine Lungenzellen, sondern menschliche Bronchialzellen.
Er sagt, „weil es eines der wenigen Gewebe im Körper ist, das bewegliche Zilien besitzt“.
Deshalb können sie sich fortbewegen.
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