Jarenlang werd het vermogen om zich aan te passen aan veranderende omstandigheden gezien als een kenmerk van complexe levensvormen. Nu hebben wetenschappers een systeem ontwikkeld dat dit aanpassingsvermogen in een reageerbuis nabootst, waardoor de grenzen tussen biologie en informatica vervagen.
Stel je een bruisende chemische fabriek voor waar verschillende moleculen voortdurend strijden om hulpbronnen. Dit is in wezen de manier waarop onderzoekers van instellingen in Nederland en Australië vanaf het begin een besluitvormingscomputer hebben opgebouwd. Ze construeerden een netwerk van enzymen, proteasen genaamd, die elk met anderen wedijverden om toegang tot speciale peptiden. Deze interacties waren niet voorgeprogrammeerd; in plaats daarvan organiseert het systeem zichzelf op basis van binnenkomende signalen, net zoals een biologische cel reageert op zijn omgeving.
Deze chemische cocktail kan meer dan alleen reageren: hij leert. De onderzoekers hebben dit aangetoond door aan te tonen dat hun systeem nauwkeurig temperatuurveranderingen binnen een bereik van 25°C tot 55°C waarneemt met indrukwekkende precisie (ongeveer 1,3°C).
De complexiteit van het leven nabootsen
Levende wezens zijn meesters in het verzamelen en verwerken van informatie uit de omgeving, of het nu gaat om het waarnemen van voedingsstoffen, het detecteren van lichtverschuivingen of het voelen van temperatuurschommelingen. Deze opmerkelijke prestatie wordt niet bereikt door magie; ingewikkelde netwerken van moleculen communiceren en reageren voortdurend binnen cellen.
Wetenschappers zijn al lange tijd gefascineerd door deze ‘netwerkmotieven’: herhalende patronen die voorkomen in natuurlijke chemische netwerken. Ze hebben deze motieven gebruikt als blauwdrukken om kunstmatige systemen te bouwen die sommige aspecten van biologische informatieverwerking nabootsen. Maar het repliceren van de volledige complexiteit van levende organismen was tot nu toe ongrijpbaar.
Recursieve interacties: de sleutel tot aanpassingsvermogen
De doorbraak ligt in het incorporeren van iets dat ‘recursieve interacties’ wordt genoemd – waarbij de output van een reactie onderdeel wordt van de input, waardoor een lus van voortdurende verandering en aanpassing ontstaat. Zie het als een bericht dat heen en weer wordt gestuurd en telkens een beetje evolueert op basis van de vorige uitwisseling. Dit ingewikkelde feedbackmechanisme maakt een breed scala aan resultaten mogelijk vanuit relatief eenvoudige uitgangspunten.
De onderzoekers bereikten dit in hun nieuwe systeem door een complex netwerk van zeven enzymen en zeven peptiden te bouwen. Deze peptiden strijden voortdurend om toegang tot de enzymen, worden in verschillende combinaties in stukjes gehakt en weer in elkaar gezet. Het resultaat is een dynamisch, steeds veranderend chemisch landschap waarin het mengsel van moleculen dramatisch verandert, afhankelijk van initiële omstandigheden zoals temperatuur of peptideconcentratie.
Van moleculen tot beslissingen
Deze voortdurend veranderende moleculaire soep wordt in realtime geanalyseerd met behulp van een massaspectrometer – een hulpmiddel dat individuele moleculen binnen een complex mengsel kan identificeren. Deze gegevens worden ingevoerd in een eenvoudig algoritme dat deze patronen decodeert en vertaalt in betekenisvolle resultaten, zoals temperatuurmetingen, het herkennen van lichtpulsen of zelfs het detecteren van het verstrijken van de tijd.
Deze ‘chemische computer’ zou de weg kunnen vrijmaken voor slimmere biosensoren die in realtime kunnen reageren op specifieke omgevingssignalen. Stel je sensoren voor die subtiele verschuivingen in de pH-waarden in een lichaam kunnen detecteren, waardoor ziekten eerder kunnen worden gediagnosticeerd, of materialen die van kleur veranderen op basis van temperatuurschommelingen, wat intuïtieve feedback geeft in slimme huizen.
Hoewel dit onderzoek zich nog in de beginfase bevindt, demonstreert het potentieel voor het ontwikkelen van complexe systemen die leren en zich aanpassen aan hun omgeving – een opmerkelijke prestatie die de grenzen tussen kunstmatige intelligentie en het vernuft van de natuur zelf vervaagt.
