xenobot-organism-pair-800x400.jpg

astăzi

O carte este făcută din lemn. Dar nu este un copac. Celulele moarte au fost refăcute pentru a satisface o altă nevoie.

Acum, o echipă de oameni de știință a refăcut celulele vii - răzuite din embrioni de broască - și le-a asamblat în forme de viață complet noi. Acești „xenobiți” cu lățimi milimetrice se pot deplasa către o țintă, poate prelua o sarcină utilă (cum ar fi un medicament care trebuie transportat într-un anumit loc din interiorul unui pacient) - și se pot vindeca după ce au fost tăiați.

„Acestea sunt mașini vii noi”, spune Joshua Bongard, informatician și expert în robotică la Universitatea din Vermont, care a condus noua cercetare. „Nu sunt nici un robot tradițional, nici o specie de animal cunoscută. Este o nouă clasă de artefacte: un organism viu, programabil”.

Noile creaturi au fost proiectate pe un supercomputer la UVM - și apoi asamblate și testate de biologi de la Universitatea Tufts. „Ne putem imagina multe aplicații utile ale acestor roboți vii pe care alte mașini nu le pot face”, spune co-liderul Michael Levin, care dirijează Centrul pentru Biologie Regenerativă și de Dezvoltare la Tufts, „cum ar fi căutarea compușilor urât sau contaminarea radioactivă, colectarea microplasticului în oceane, călătorind în artere pentru a răzui placa. "

Rezultatele noii cercetări au fost publicate pe 13 ianuarie în Proceedings of the National Academy of Sciences.

Sisteme de viață personalizate

Oamenii au manipulat organismele în beneficiul omului de cel puțin în zorii agriculturii, editarea genetică este din ce în ce mai răspândită și câteva organisme artificiale au fost asamblate manual în ultimii ani - copiind formele corpului animalelor cunoscute.

Dar această cercetare, pentru prima dată, „proiectează mașini complet biologice de la bază”, scrie echipa în noul lor studiu.

Cu luni de timp de procesare pe clusterul de supercomputer Deep Green de la Vermont Advanced Computing Core, UVM, echipa - inclusiv autorul principal și doctorandul Sam Kriegman - a folosit un algoritm evolutiv pentru a crea mii de modele candidate pentru noile forme de viață. Încercând să realizeze o sarcină atribuită oamenilor de știință - cum ar fi locomoția într-o singură direcție - computerul ar reasambla, din nou și din nou, câteva sute de celule simulate în nenumărate forme și forme de corp. Pe măsură ce programele au funcționat - conduse de reguli de bază despre biofizica a ceea ce pot face o singură piele de broască și celulele cardiace - organismele simulate cu mai mult succes au fost păstrate și rafinate, în timp ce desenele eșuate au fost aruncate. După o sută de rulări independente ale algoritmului, cele mai promițătoare modele au fost selectate pentru testare.

Apoi, echipa de la Tufts, condusă de Levin și cu lucrările cheie ale microchirurgului Douglas Blackiston - a transferat în viață proiectele in silico. Mai întâi au adunat celule stem, recoltate de la embrionii broaștelor africane, specia Xenopus laevis. (De aici și numele „xenobots”.) Aceștia au fost separați în celule unice și lăsați să se incubeze. Apoi, folosind o pensetă mică și un electrod chiar mai subțire, celulele au fost tăiate și unite la microscop într-o apropiere apropiată a proiectelor specificate de computer.

Asamblate în forme ale corpului niciodată văzute în natură, celulele au început să lucreze împreună. Celulele pielii au format o arhitectură mai pasivă, în timp ce contracțiile odată aleatorii ale celulelor musculare ale inimii au fost o modalitate de a funcționa, creând o mișcare ordonată înainte, ghidată de designul computerului și ajutată de modele spontane de auto-organizare - permițând roboților să se deplaseze pe proprii.

Aceste organisme reconfigurabile s-au dovedit a fi capabile să se miște într-un mod coerent - și să exploreze mediul lor apos timp de zile sau săptămâni, alimentat de depozite de energie embrionare. Întoarse, însă, au eșuat, ca și cum gândacii ar fi răsturnat pe spate.

Testele ulterioare au arătat că grupurile de xenobiți se vor deplasa în cercuri, împingând peletele într-o locație centrală - spontan și colectiv. Altele au fost construite cu o gaură prin centru pentru a reduce rezistența. În versiunile simulate ale acestora, oamenii de știință au reușit să refacă această gaură ca o pungă pentru a transporta cu succes un obiect. „Este un pas către utilizarea organismelor proiectate de computer pentru administrarea inteligentă a medicamentelor”, spune Bongard, profesor la Departamentul de Informatică și Centrul de Sisteme Complexe al UVM.

Un organism patruped fabricat, cu diametrul de 650-750 microni - un pic mai mic decât un cap de ac. (Credit: Douglas Blackiston, Universitatea Tufts.)

Tehnologii vii

Multe tehnologii sunt fabricate din oțel, beton sau plastic. Acest lucru le poate face puternice sau flexibile. Dar pot crea, de asemenea, probleme ecologice și de sănătate umană, precum flagelul crescând al poluării cu plastic din oceane și toxicitatea multor materiale sintetice și electronice. „Dezavantajul țesutului viu este că este slab și se degradează”, spune Bongard. „De aceea folosim oțelul. Dar organismele au o practică de 4,5 miliarde de ani în ceea ce privește regenerarea și continuarea timpului de decenii”. Și când încetează să lucreze - moartea - de obicei se destramă inofensiv. „Acești xenobiți sunt complet biodegradabili”, spune Bongard, „când își termină treaba după șapte zile, sunt doar celule moarte ale pielii”.

Laptopul dvs. este o tehnologie puternică. Dar încearcă să-l tai în jumătate. Nu funcționează atât de bine. În noile experimente, oamenii de știință au tăiat xenobotații și au urmărit ce s-a întâmplat. „Am tăiat robotul aproape în jumătate și se cusută înapoi și continuă”, spune Bongard. "Și acest lucru este ceva ce nu puteți face cu mașinile tipice."

Profesorul Josh Bongard de la Universitatea din Vermont. (Foto: Joshua Brown)

Crăparea Codului

Atât Levin, cât și Bongard spun că potențialul a ceea ce au învățat despre modul în care celulele comunică și se conectează se extinde atât în ​​știința computațională, cât și în înțelegerea noastră a vieții. „Marea întrebare în biologie este să înțelegem algoritmii care determină forma și funcția”, spune Levin. Genomul codifica proteinele, dar aplicatiile transformatoare asteapta descoperirea noastra despre modul in care hardware-ul permite celulelor sa coopereze pentru a face anatomii functionale in conditii foarte diferite.

Pentru a face un organism să se dezvolte și să funcționeze, există o mulțime de schimb de informații și cooperare - calcul organic - care se desfășoară în și între celule tot timpul, nu doar în interiorul neuronilor. Aceste proprietăți emergente și geometrice sunt modelate de procese bioelectrice, biochimice și biomecanice, „care rulează pe hardware specificat ADN”, spune Levin, „iar aceste procese sunt reconfigurabile, permițând noi forme de viață”.

Oamenii de știință văd lucrările prezentate în noul lor studiu PNAS - „O conductă scalabilă pentru proiectarea organismelor reconfigurabile” - ca un pas în aplicarea unor informații despre acest cod bioelectric atât la biologie, cât și la informatică. "Ce determină de fapt anatomia către care cooperează celulele?" Întreabă Levin. „Te uiți la celulele cu care ne-am construit xenobotii și, din punct de vedere genomic, sunt broaște. Este 100% ADN broască - dar acestea nu sunt broaște. Atunci te întrebi, bine, ce altceva sunt capabile să construiască aceste celule ? "

„După cum am arătat, aceste celule de broască pot fi coaxate pentru a crea forme vii interesante, care sunt complet diferite de ceea ce ar fi anatomia lor implicită”, spune Levin. El și ceilalți oameni de știință din echipa UVM și Tufts - cu sprijinul programului DARPA Lifelong Learning Machines și al National Science Foundation - cred că construirea xenobotilor este un mic pas spre spargerea a ceea ce el numește „codul morfogenetic”, oferind o viziune mai profundă a modului general în care sunt organizate organismele - și modul în care acestea calculează și stochează informații pe baza istoricelor și a mediului lor.

Mulți oameni se îngrijorează de implicațiile schimbărilor tehnologice rapide și ale manipulărilor biologice complexe. „Acea frică nu este nerezonabilă”, spune Levin. „Când începem să ne amestecăm cu sisteme complexe pe care nu le înțelegem, vom avea consecințe neintenționate”. O mulțime de sisteme complexe, cum ar fi o colonie de furnici, încep cu o unitate simplă - o furnică - din care ar fi imposibil să se prevadă forma coloniei lor sau cum pot construi poduri peste apă cu corpurile lor interconectate.

„Dacă omenirea va supraviețui în viitor, trebuie să înțelegem mai bine modul în care proprietățile complexe apar, cumva, din reguli simple”, spune Levin. O mare parte a științei se concentrează pe „controlul regulilor de nivel scăzut. De asemenea, trebuie să înțelegem regulile de nivel înalt”, spune el. "Dacă ați dori un furnicar cu două coșuri de fum în loc de unul, cum modificați furnicile? N-am avea idee."

„Cred că este o necesitate absolută ca societatea care urmează să obțină un control mai bun asupra sistemelor în care rezultatul este foarte complex”, spune Levin. "Un prim pas spre a face acest lucru este explorarea: cum decid sistemele vii care ar trebui să fie un comportament general și cum manipulăm piesele pentru a obține comportamentele pe care le dorim?"

Cu alte cuvinte, "acest studiu este o contribuție directă la obținerea unui control asupra a ceea ce oamenii se tem, ceea ce este consecințe neintenționate", spune Levin - indiferent dacă în sosirea rapidă a mașinilor care conduc singuri, schimbarea unităților genetice pentru a șterge linii întregi a virușilor sau a multor alte sisteme complexe și autonome care vor modela din ce în ce mai mult experiența umană.

„Există toată această creativitate înnăscută în viață”, spune Josh Bongard de la UVM. „Vrem să înțelegem acest lucru mai profund - și cum îl putem direcționa și împinge către noi forme”.