Un libro está hecho de madera. Pero no es un árbol. Las células muertas se han reutilizado para satisfacer otra necesidad.

Ahora, un equipo de científicos ha reutilizado células vivas, extraídas de embriones de rana, y las ha ensamblado en formas de vida completamente nuevas. Estos "xenobots" de un milímetro de ancho pueden moverse hacia un objetivo, tal vez recoger una carga útil (como un medicamento que debe llevarse a un lugar específico dentro de un paciente) y curarse a sí mismos después de cortarse.

"Estas son nuevas máquinas vivientes, "dice Joshua Bongard, un científico informático y experto en robótica de la Universidad de Vermont que codirigió la nueva investigación. "No son un robot tradicional ni una especie de animal conocida. Es una nueva clase de artefacto:un organismo programable ".

Las nuevas criaturas fueron diseñadas en una supercomputadora en UVM y luego ensambladas y probadas por biólogos de la Universidad de Tufts. "Podemos imaginar muchas aplicaciones útiles de estos robots vivientes que otras máquinas no pueden hacer, "dice el co-líder Michael Levin, quien dirige el Centro de Biología Regenerativa y del Desarrollo en Tufts, "como buscar compuestos desagradables o contaminación radiactiva, recolectando microplásticos en los océanos, viajando por las arterias para raspar la placa ".

Los resultados de la nueva investigación fueron publicados el 13 de enero en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

Sistemas vivos a medida

La gente ha estado manipulando organismos para beneficio humano desde al menos los albores de la agricultura, la edición genética se está generalizando, y algunos organismos artificiales se han ensamblado manualmente en los últimos años, copiando las formas corporales de animales conocidos.

Pero esta investigación, por primera vez, "diseña máquinas completamente biológicas desde cero, "escribe el equipo en su nuevo estudio.

Con meses de tiempo de procesamiento en el grupo de supercomputadoras Deep Green en Vermont Advanced Computing Core de UVM, el equipo, incluido el autor principal y estudiante de doctorado Sam Kriegman, utilizó un algoritmo evolutivo para crear miles de diseños candidatos para las nuevas formas de vida. Al intentar lograr una tarea asignada por los científicos, como la locomoción en una dirección, la computadora lo haría, una y otra vez, reensamblar unos cientos de células simuladas en una miríada de formas y formas corporales. A medida que se ejecutaban los programas, impulsados ​​por reglas básicas sobre la biofísica de lo que pueden hacer la piel de una sola rana y las células cardíacas, los organismos simulados más exitosos se mantuvieron y refinaron, mientras que los diseños fallidos fueron descartados. Después de cien ejecuciones independientes del algoritmo, se seleccionaron los diseños más prometedores para probarlos.

Luego, el equipo de Tufts, dirigido por Levin y con un trabajo clave del microcirujano Douglas Blackiston, transfirió los diseños in silico a la vida. Primero recolectaron células madre, extraído de embriones de ranas africanas, las especies Xenopus laevis . (De ahí el nombre "xenobots"). Estos se separaron en células individuales y se dejaron incubar. Luego, usando unas pinzas diminutas y un electrodo aún más pequeño, las células se cortaron y se unieron bajo un microscopio en una aproximación cercana de los diseños especificados por la computadora.

Ensamblados en formas corporales nunca vistas en la naturaleza, las células empezaron a trabajar juntas. Las células de la piel formaron una arquitectura más pasiva, mientras que las contracciones que alguna vez fueron aleatorias de las células del músculo cardíaco se pusieron a trabajar creando un movimiento hacia adelante ordenado según lo guiado por el diseño de la computadora, y con la ayuda de patrones de autoorganización espontáneos, lo que permite que los robots se muevan por sí mismos.

Se demostró que estos organismos reconfigurables pueden moverse de manera coherente y explorar su entorno acuoso durante días o semanas. alimentado por depósitos de energía embrionaria. Entregado, sin embargo, ellos fallaron, como escarabajos volteados sobre sus espaldas.

Pruebas posteriores mostraron que grupos de xenobots se moverían en círculos, empujar los gránulos hacia una ubicación central, de manera espontánea y colectiva. Otros se construyeron con un agujero en el centro para reducir la resistencia. En versiones simuladas de estos, los científicos pudieron reutilizar este agujero como una bolsa para transportar con éxito un objeto. "Es un paso hacia el uso de organismos diseñados por computadora para la administración inteligente de medicamentos, "dice Bongard, profesor del Departamento de Ciencias de la Computación y Centro de Sistemas Complejos de la UVM.

Tecnologías vivas

Muchas tecnologías están hechas de acero, hormigón o plástico. Eso puede hacerlos fuertes o flexibles. Pero también pueden crear problemas ecológicos y de salud humana, como el creciente flagelo de la contaminación plástica en los océanos y la toxicidad de muchos materiales sintéticos y electrónicos. "La desventaja del tejido vivo es que es débil y se degrada, "Dice Bongard." Por eso usamos acero. Pero los organismos tienen 4.500 millones de años de práctica para regenerarse a sí mismos y continuar durante décadas ". Y cuando dejan de funcionar, la muerte, por lo general se desmoronan sin causar daño". Estos xenobots son completamente biodegradables, "di Bongard, "cuando terminan con su trabajo después de siete días, son solo células muertas de la piel ".

Su computadora portátil es una tecnología poderosa. Pero intente cortarlo por la mitad. No funciona tan bien. En los nuevos experimentos, los científicos cortaron los xenobots y observaron lo que sucedía. "Cortamos el robot casi por la mitad y se vuelve a coser y sigue funcionando, "dice Bongard." Y esto es algo que no se puede hacer con las máquinas típicas ".

Rompiendo el código

Tanto Levin como Bongard dicen que el potencial de lo que han estado aprendiendo sobre cómo las células se comunican y conectan se extiende profundamente tanto a la ciencia computacional como a nuestra comprensión de la vida. "La gran pregunta en biología es comprender los algoritmos que determinan la forma y la función, "dice Levin." El genoma codifica proteínas, pero las aplicaciones transformadoras aguardan nuestro descubrimiento de cómo ese hardware permite que las células cooperen para crear anatomías funcionales en condiciones muy diferentes ".

Para hacer que un organismo se desarrolle y funcione, hay mucho intercambio de información y cooperación (computación orgánica) dentro y entre las celdas todo el tiempo, no solo dentro de las neuronas. Estas propiedades emergentes y geométricas están conformadas por bioeléctricos, bioquímico, y procesos biomecánicos, "que se ejecutan en hardware especificado por ADN, "Levin dice, "y estos procesos son reconfigurables, posibilitando nuevas formas de vida ".

Los científicos ven el trabajo presentado en su nueva PNAS estudio:"Una tubería escalable para diseñar organismos reconfigurables, "... como un paso para aplicar conocimientos sobre este código bioeléctrico tanto a la biología como a la informática." ¿Qué determina realmente la anatomía hacia la que cooperan las células? ", Pregunta Levin." Observa las células con las que hemos estado construyendo nuestros xenobots, y, genómicamente, son ranas. Es 100% ADN de rana, pero no son ranas. Entonces preguntas bien, ¿qué más son capaces de construir estas células? "

"Como hemos mostrado, estas células de rana pueden ser persuadidas para crear formas de vida interesantes que son completamente diferentes de lo que sería su anatomía predeterminada, "dice Levin. Él y los otros científicos del equipo de UVM y Tufts, con el apoyo del programa Lifelong Learning Machines de DARPA y la National Science Foundation, creen que construir los xenobots es un pequeño paso para descifrar lo que él llama el" código morfogenético ". " providing a deeper view of the overall way organisms are organized—and how they compute and store information based on their histories and environment.

Future shocks

Many people worry about the implications of rapid technological change and complex biological manipulations. "That fear is not unreasonable, " Levin says. "When we start to mess around with complex systems that we don't understand, we're going to get unintended consequences." A lot of complex systems, like an ant colony, begin with a simple unit—an ant—from which it would be impossible to predict the shape of their colony or how they can build bridges over water with their interlinked bodies.

"If humanity is going to survive into the future, we need to better understand how complex properties, de alguna manera, emerge from simple rules, " says Levin. Much of science is focused on "controlling the low-level rules. We also need to understand the high-level rules, " he says. "If you wanted an anthill with two chimneys instead of one, how do you modify the ants? We'd have no idea."

"I think it's an absolute necessity for society going forward to get a better handle on systems where the outcome is very complex, " Levin says. "A first step towards doing that is to explore:how do living systems decide what an overall behavior should be and how do we manipulate the pieces to get the behaviors we want?"

En otras palabras, "this study is a direct contribution to getting a handle on what people are afraid of, which is unintended consequences, " Levin says—whether in the rapid arrival of self-driving cars, changing gene drives to wipe out whole lineages of viruses, or the many other complex and autonomous systems that will increasingly shape the human experience.

"There's all of this innate creativity in life, " says UVM's Josh Bongard. "We want to understand that more deeply—and how we can direct and push it toward new forms."