Team di ricercatori costruisce i primi robot viventi

Team di ricercatori costruisce i primi robot viventi

Piccoli "xenobot" riuniti da cellule promettono progressi dalla consegna dei farmaci alla pulizia dei rifiuti tossici

 Un libro è fatto di legno. Ma non è un albero. Le cellule morte sono state riproposte per soddisfare un'altra necessità.

Ora un team di scienziati ha riproposto le cellule viventi - raschiate da embrioni di rana - e le ha assemblate in forme di vita completamente nuove. Questi "xenobot" millimetrici possono spostarsi verso un bersaglio, forse raccogliere un carico utile (come una medicina che deve essere trasportata in un luogo specifico all'interno di un paziente) e guarire se stessi dopo essere stati tagliati.

"Queste sono nuove macchine viventi", afferma Joshua Bongard, uno scienziato informatico ed esperto di robotica all'Università del Vermont che ha co-condotto la nuova ricerca. "Non sono né un robot tradizionale né una specie conosciuta di animali. È una nuova classe di artefatti: un organismo vivente, programmabile."

Le nuove creature sono state progettate su un supercomputer presso UVM e poi assemblate e testate da biologi dell'Università di Tufts. "Possiamo immaginare molte utili applicazioni di questi robot viventi che altre macchine non possono fare", afferma il co-leader Michael Levin che dirige il Center for Regenerative and Developmental Biology presso Tufts, "come la ricerca di composti cattivi o contaminazione radioattiva, la raccolta di microplastiche negli oceani, viaggiando nelle arterie per grattare via la placca. "

I risultati della nuova ricerca sono stati pubblicati il ​​13 gennaio negli Atti della National Academy of Sciences.

Sistemi viventi su misura

Le persone hanno manipolato gli organismi per il beneficio umano sin dagli albori dell'agricoltura, l'editing genetico si sta diffondendo e alcuni organismi artificiali sono stati assemblati manualmente negli ultimi anni, copiando le forme del corpo di animali conosciuti.

Ma questa ricerca, per la prima volta in assoluto, "progetta macchine completamente biologiche da zero", scrive il team nel loro nuovo studio.

Con mesi di tempo di elaborazione sul cluster di supercomputer Deep Green presso il Vermont Advanced Computing Core di UVM, il team, incluso l'autore principale e lo studente di dottorato Sam Kriegman, ha utilizzato un algoritmo evolutivo per creare migliaia di progetti candidati per le nuove forme di vita. Tentando di realizzare un compito assegnato dagli scienziati - come la locomozione in una direzione - il computer avrebbe, ripetutamente, riassemblato alcune centinaia di cellule simulate in una miriade di forme e forme del corpo. Mentre i programmi procedevano, guidati dalle regole di base sulla biofisica di ciò che la singola pelle di rana e le cellule cardiache possono fare, gli organismi simulati di maggior successo sono stati mantenuti e perfezionati, mentre i progetti falliti sono stati lasciati. Dopo un centinaio di cicli indipendenti dell'algoritmo, i progetti più promettenti sono stati selezionati per i test.

Quindi il team di Tufts, guidato da Levin e con il lavoro chiave del microchirurgo Douglas Blackiston, ha dato vita ai progetti in silico. Prima hanno raccolto cellule staminali, raccolte dagli embrioni di rane africane, la specie Xenopus laevis. (Da qui il nome "xenobot".) Questi furono separati in singole cellule e lasciati incubare. Quindi, usando una pinza minuscola e un elettrodo ancora più piccolo, le cellule sono state tagliate e unite al microscopio in una stretta approssimazione dei disegni specificati dal computer.

Assemblate in forme corporee mai viste in natura, le cellule hanno iniziato a lavorare insieme. Le cellule della pelle formavano un'architettura più passiva, mentre le contrazioni una volta casuali delle cellule del muscolo cardiaco venivano messe in opera creando un movimento in avanti ordinato, guidato dal design del computer e aiutato da schemi auto-organizzanti spontanei, che permettevano ai robot di muoversi.

Questi organismi riconfigurabili hanno dimostrato di essere in grado di muoversi in modo coerente ed esplorare il loro ambiente acquoso per giorni o settimane, alimentati da riserve di energia embrionale. Capovolto, tuttavia, fallirono, come coleotteri capovolti sulla schiena.

Test successivi hanno mostrato che gruppi di xenobot si sarebbero mossi in circolo, spingendo i pellet in una posizione centrale, spontaneamente e collettivamente. Altri sono stati costruiti con un foro nel centro per ridurre la resistenza. Nelle versioni simulate di questi, gli scienziati sono stati in grado di riutilizzare questo buco come una custodia per trasportare con successo un oggetto. "È un passo verso l'utilizzo di organismi computerizzati per la consegna intelligente di farmaci", afferma Bongard, professore presso il Dipartimento di Informatica e Centro di sistemi complessi della UVM.

Un organismo quadrupede fabbricato, con diametro di 650-750 micron, un po 'più piccolo di una testa di spillo. (Credito: Douglas Blackiston, Tufts University.)

Tecnologie viventi

Molte tecnologie sono realizzate in acciaio, cemento o plastica. Questo può renderle forti o flessibili. Ma possono anche creare problemi ecologici e di salute umana, come il crescente flagello dell'inquinamento da plastica negli oceani e la tossicità di molti materiali sintetici ed elettronici. "L'aspetto negativo del tessuto vivente è che è debole e si degrada", afferma Bongard. "Ecco perché usiamo l'acciaio. Ma gli organismi hanno 4,5 miliardi di anni di pratica nel rigenerarsi e andare avanti per decenni." E quando smettono di funzionare - la morte - di solito cadono a pezzi in modo innocuo. "Questi xenobot sono completamente biodegradabili", afferma Bongard, "quando hanno terminato il loro lavoro dopo sette giorni, sono solo cellule morte".

Il tuo laptop è una tecnologia potente. Ma prova a tagliarlo a metà. Non funziona così bene. Nei nuovi esperimenti, gli scienziati hanno tagliato gli xenobot e guardato cosa è successo. "Abbiamo tagliato il robot quasi a metà e si ricucisce da solo e continua", afferma Bongard. "E questo è qualcosa che non puoi fare con le macchine tipiche."

Professore Josh Bongard dell'Università del Vermont. (Foto: Joshua Brown)

Craccare il codice

Sia Levin che Bongard affermano che il potenziale di ciò che stanno imparando su come le cellule comunicano e si connettono si estende in profondità sia nella scienza computazionale che nella nostra comprensione della vita. "La grande domanda in biologia è capire gli algoritmi che determinano la forma e la funzione", afferma Levin. "Il genoma codifica per le proteine, ma le applicazioni trasformative attendono la nostra scoperta di come questo hardware consente alle cellule di cooperare per creare anatomie funzionali in condizioni molto diverse."

Per far sì che un organismo si sviluppi e funzioni, ci sono molte informazioni condivise e cooperazioni - calcoli organici - che avvengono continuamente dentro e tra le cellule, non solo all'interno dei neuroni. "Queste proprietà emergenti e geometriche sono modellate da processi bioelettrici, biochimici e biomeccanici, che funzionano su hardware specificato dal DNA", dice Levin, "e questi processi sono riconfigurabili, consentendo nuove forme di vita".

Gli scienziati vedono il lavoro presentato nel loro nuovo studio PNAS - "Una pipeline scalabile per la progettazione di organismi riconfigurabili" - come un passo nell'applicazione di approfondimenti su questo codice bioelettrico sia alla biologia che all'informatica. "Cosa determina effettivamente l'anatomia con cui le cellule cooperano?" Chiede Levin. "Guardi le cellule con cui abbiamo costruito i nostri xenobot e, genomicamente, sono rane. È DNA al 100% di rana, ma queste non sono rane. Quindi chiedi, cos'altro, queste cellule sono in grado di costruire ?"

"Come abbiamo dimostrato, queste cellule di rana possono essere persuase per creare interessanti forme viventi completamente diverse da quella che sarebbe la loro anatomia predefinita", afferma Levin. Lui e gli altri scienziati del team UVM e Tufts — con il supporto del programma DARPA Lifelong Learning Machines e della National Science Foundation — credono che la costruzione degli xenobot sia un piccolo passo verso il crack di quello che lui chiama il "codice morfogenetico", fornendo una visione più profonda del modo in cui gli organismi sono organizzati e di come calcolano e archiviano le informazioni in base alle loro storie e al loro ambiente.

Molte persone si preoccupano delle implicazioni del rapido cambiamento tecnologico e delle complesse manipolazioni biologiche. "Quella paura non è irragionevole", afferma Levin. "Quando inizieremo a pasticciare con sistemi complessi che non capiamo, otterremo conseguenze indesiderate". Molti sistemi complessi, come una colonia di formiche, iniziano con una semplice unità - una formica - dalla quale sarebbe impossibile prevedere la forma della loro colonia o il modo in cui possono costruire ponti sull'acqua con i loro corpi interconnessi.

"Se l'umanità sopravviverà nel futuro, dobbiamo capire meglio come le proprietà complesse, in qualche modo, emergano da semplici regole", afferma Levin. Gran parte della scienza è focalizzata sul "controllo delle regole di basso livello. Dobbiamo anche capire le regole di alto livello", afferma. "Se volessi un formicaio con due camini anziché uno, come modifichi le formiche? Non ne avremmo idea."

"Penso che sia una necessità assoluta per la società andare avanti per ottenere una migliore gestione dei sistemi in cui il risultato è molto complesso", afferma Levin. "Un primo passo per farlo è quello di esplorare: come fanno i sistemi viventi a decidere quale dovrebbe essere un comportamento generale e come possiamo manipolare i pezzi per ottenere i comportamenti che vogliamo?"

In altre parole, "questo studio è un contributo diretto per ottenere una comprensione di ciò che la gente ha paura, il che ha conseguenze indesiderate", afferma Levin - sia nel rapido arrivo di auto a guida autonoma, cambiando le pulsioni genetiche per spazzare via interi lignaggi di virus o di molti altri sistemi complessi e autonomi che daranno forma all'esperienza umana.

"C'è tutta questa innata creatività nella vita", afferma Josh Bongard di UVM. "Vogliamo capirlo più in profondità, e come possiamo dirigerlo e spingerlo verso nuove forme."

In Copertina:
A sinistra, il progetto anatomico per un organismo progettato al computer, scoperto su un supercomputer UVM. A destra, l'organismo vivente, costruito interamente da cellule di pelle di rana (verde) e muscolo cardiaco (rosso). Lo sfondo mostra tracce scolpite da uno sciame di questi organismi di nuova natura mentre si muovono attraverso un campo di particelle. (Credito: Sam Kriegman, UVM)

Fonte  UniversityVermont