Technologie

Poznaj Adama

Ma trzy metry wysokości, troje ramion, waży ponad tonę, prowadzi obserwacje na podstawie których formułuje hipotezy, a następnie testuje je w samodzielnie zaprojektowanych eksperymentach. Adam – tak ma na imię pierwszy całkowicie samodzielny robo-naukowiec i wygląda bynajmniej nie tak jak na zdjęciu obok.

Są obszary działalności naukowej, które łatwiej niż inne poddają się automatyzacji. Nie dziwią nas już pół-autonomiczne łaziki na Marsie. Nie zaskakują roboty wykonujące żmudne, powtarzalne czynności w laboratoriach. Komputerowa obróbka danych statystycznych jest dla nas wręcz oczywistością.

Jak dotąd jednak, ludzki umysł był niezastąpiony w formułowaniu hipotez, które wyjaśniają zaobserwowane fakty. Gdy zostaną poddane eksperymentalnej weryfikacji stanowią podstawę do powstania nowych teorii, podstawę do poszerzenia wiedzy o otaczającym nas świecie.

Adam powstał w wyniku prac naukowców różnych specjalności z trzech uniwersytetów w Zjednoczonym Królestwie. Zauważyli oni, że istnieje dziedzina gdzie zautomatyzowane tworzenie hipotez powinno być stosunkowo proste. Dość zaskakująco, okazała się być nią biologia systemowa – nauka zajmująca się badaniem złożonych oddziaływań występujących w systemach biologicznych.

Od dłuższego czasu produkowane są wysokowydajne, zautomatyzowane stanowiska laboratoryjne, które są w stanie samodzielnie wykonywać posiewy kultur bakteryjnych, dostarczać odpowiednie pożywki i odczynniki, i prowadzić obserwacje tempa wzrostu na tysiącach próbek jednocześnie. Wszystko to przy znikomej ingerencji człowieka.

Zespół pod kierownictwem dr. Rossa Kinga postanowił pójść o krok dalej. Rozbudował stanowisko o dodatkowe wyposażenie do manipulacji próbkami i prowadzenia obserwacji, a także – co najważniejsze – wyposażył je w komputery i odpowiednie oprogramowanie. Adam ma dostęp do zapisanej w formie syntetycznego języka wiedzy na temat metabolizmu drożdży Saccharomyces cerevisiae (dobrze nam znane drożdże spożywcze, czy winiarskie są szczepami tego gatunku). Jest to organizm, o którym wiemy bardzo wiele. Jest prosty w hodowli, a jego kod genetyczny daje się łatwo modyfikować, dlatego powszechnie wykorzystuje się go w laboratoriach. Nadal jednak kryje on przed nami pewne tajemnice. Nie znamy na przykład wszystkich genów kodujących wytwarzanie przez S. cerevisiae enzymów. Zadaniem Adama jest znalezienie tych genów.

Robot posiewający kultury drożdży

Robot posiewający kultury drożdży. By Masur (Own work) GFDL (www.gnu.org/copyleft/fdl.html) or CC-BY-SA-3.0-2.5-2.0-1.0 (www.creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0), via Wikimedia Commons

Swoją pracę Adam rozpoczyna od sformułowania hipotezy. W tym celu przegląda zapisane w swojej pamięci informacje dotyczące reakcji chemicznych w których bierze udział dany enzym i stara się przewidzieć jaki wpływ na rozwój drożdży miałoby wstrzymanie jego produkcji. Następnie w bazie genów innych organizmów, szuka tych odpowiedzialnych za kodowanie danego enzymu u innych organizmów. Na koniec sprawdza, czy podobne geny znajdują się w genomie S. cerevisiae. Jeśli tak jest, hipoteza brzmi: „Dany gen koduje wytwarzanie enzymu x”.

Następnym krokiem jest oczywiście doświadczalne zbadanie hipotezy. Adam usuwa badany gen i przystępuje do obserwacji tempa rozwoju zmutowanych drożdży. Jeżeli zmienia się ono w sposób przewidziany na etapie formułowania hipotezy, możemy z dużym prawdopodobieństwem uznać, że jest ona prawdziwa. Jeżeli po usunięciu genu rozwój drożdży przebiega inaczej niż przewidywała hipoteza, należy ją odrzucić.

Adam jest w stanie rozpocząć do tysiąca eksperymentów każdego dnia, przy czym jeden eksperyment może trwać do pięciu dni. Jest przy tym w stanie sprawdzić i zapisać tempo wzrostu każdej z próbek co najmniej raz na 30 minut. Wykonuje oczywiście wszystkie czynności z mechaniczną precyzją, a każdy krok eksperymentu i każdy pomiar skrupulatnie zapisuje na swoich twardych dyskach. Dane gromadzone są oczywiście po to, aby móc dowolny eksperyment zreplikować (czyli powtórzyć w celu jego potwierdzenia), ale są one także włączane do bazy wiedzy z której korzysta Adam, a przyszłości będą korzystać jego następcy.

Jak sobie radzi w praktyce robo-naukowiec? W artykule opublikowanym w Science w kwietniu 2009 roku, twórcy Adama opisują 20 sformułowanych i wstępnie potwierdzonych przez niego hipotez, dotyczących łącznie trzynastu enzymów. Dwanaście z nich zostało następnie potwierdzonych z dużym prawdopodobieństwem eksperymentami wykonanymi tym razem przez ludzi. Dodatkowo, po dokładniejszej analizie literatury, okazało się, że w sześciu przypadkach istniały już wcześniej mocne empiryczne przesłanki wskazujące na te same geny, które zidentyfikował Adam. Wiedza ta jednak była do tej pory „zagubiona”.

Adam jest prototypem, a jego twórcy już mają pomysły na dalsze ulepszenia. Być może najważniejszym będzie dodanie możliwości „podsuwania” przez ludzi hipotez i propozycji eksperymentów do wykonania. Rolą Adama nie jest bowiem wyeliminowanie człowieka z procesu badawczego, ale jego wyręczenie tak, by unikalne dla ludzkiego umysłu zdolności mógł wykorzystać tam, gdzie są naprawdę potrzebne.


ResearchBlogging.org

Więcej informacji:
King RD, Rowland J, Oliver SG, Young M, Aubrey W, Byrne E, Liakata M, Markham M, Pir P, Soldatova LN, Sparkes A, Whelan KE, & Clare A (2009). The automation of science. Science (New York, N.Y.), 324 (5923), 85-9 PMID: 19342587
Print Friendly, PDF & Email

O autorze

Michał Jarosz

Inżynier automatyki i robotyki. Utrzymuje się z projektowania systemów bazodanowych. Dorywczo koordynator badań klinicznych. Członek Association for Computing Machinery. Założyciel i opiekun zespołu obliczeń rozproszonych BOINC@Poland. Na koncie jeden maraton i aspiracje do kolejnych.