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

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

"Estas son máquinas vivas novedosas", dice Joshua Bongard, un experto en informática y robótica de la Universidad de Vermont, quien fue el co-líder de la nueva investigación. "No son un robot tradicional ni una especie conocida de animales. Es una nueva clase de artefactos: un organismo vivo y programable".

Las nuevas criaturas fueron diseñadas en una supercomputadora en UVM, y luego ensambladas y probadas por biólogos en la Universidad de Tufts. "Podemos imaginar muchas aplicaciones útiles de estos robots vivos 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, recolectar microplásticos en los océanos, viajando en arterias para raspar la placa ".

Los resultados de la nueva investigación se publicaron el 13 de enero en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.

Sistemas vivos a medida

Las personas han estado manipulando organismos para beneficio humano desde al menos los albores de la agricultura, la edición genética se está generalizando y se han ensamblado algunos organismos artificiales 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 clúster de supercomputadora Deep Green en el 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. Intentando lograr una tarea asignada por los científicos, como la locomoción en una dirección, la computadora, una y otra vez, volvería a ensamblar unos cientos de células simuladas en una miríada de formas y formas corporales. A medida que los programas se ejecutaron, impulsados ​​por reglas básicas sobre la biofísica de lo que pueden hacer las células cardíacas y la piel de rana, los organismos simulados más exitosos se mantuvieron y refinaron, mientras que los diseños fallidos se descartaron. Después de cien ejecuciones independientes del algoritmo, se seleccionaron los diseños más prometedores para la prueba.

Luego, el equipo de Tufts, dirigido por Levin y con el trabajo clave del microcirujano Douglas Blackiston, transfirió los diseños in silico a la vida. Primero recolectaron células madre, cosechadas de los embriones de ranas africanas, la especie Xenopus laevis. (De ahí el nombre de "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 unieron bajo un microscopio en una aproximación cercana de los diseños especificados por la computadora.

Ensambladas en formas corporales nunca vistas en la naturaleza, las células comenzaron a trabajar juntas. Las células de la piel formaron una arquitectura más pasiva, mientras que las contracciones una vez 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 ayudado por patrones espontáneos de autoorganización, lo que permite que los robots sigan adelante. los suyos

Se demostró que estos organismos reconfigurables pueden moverse de manera coherente y explorar su entorno acuoso durante días o semanas, impulsados ​​por almacenes de energía embrionaria. Sin embargo, volcados, fallaron, como escarabajos volteados sobre sus espaldas.

Pruebas posteriores mostraron que grupos de xenobots se moverían en círculos, empujando los gránulos hacia una ubicación central, de forma espontánea y colectiva. Otros fueron construidos con un agujero a través del 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 entrega inteligente de medicamentos", dice Bongard, profesor del Departamento de Ciencias de la Computación y Centro de Sistemas Complejos de 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. "Es por eso que usamos acero. Pero los organismos tienen 4.500 millones de años de práctica para regenerarse y continuar durante décadas". Y cuando dejan de trabajar, la muerte, generalmente se desmoronan sin causar daño. "Estos xenobots son completamente biodegradables", dice Bongard, "cuando terminan su trabajo después de siete días, son solo células muertas de la piel".

Su computadora portátil es una tecnología poderosa. Pero intenta cortarlo por la mitad. No funciona tan bien En los nuevos experimentos, los científicos cortaron los xenobots y observaron lo que sucedió. "Cortamos el robot casi por la mitad y se cose de nuevo y continúa", dice Bongard. "Y esto es algo que no puedes hacer con las máquinas típicas".

Descifrando el código

Tanto Levin como Bongard dicen que el potencial de lo que han estado aprendiendo sobre cómo las células se comunican y se conectan se extiende tanto en la ciencia computacional como en 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 esperan nuestro descubrimiento de cómo ese hardware permite que las células cooperen para crear anatomías funcionales en condiciones muy diferentes".

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

Los científicos ven el trabajo presentado en su nuevo PNAS estudio – "Una tubería escalable para diseñar organismos reconfigurables", como un paso en la aplicación de ideas sobre este código bioeléctrico tanto a la biología como a la informática. "¿Qué determina realmente la anatomía hacia la cual cooperan las células?" Levin pregunta. "Miras las células con las que hemos estado construyendo nuestros xenobots y, genómicamente, son ranas. Es 100% ADN de rana, pero estas no son ranas. Luego preguntas, bueno, ¿qué más son capaces de hacer estas células? ¿edificio?"

"Como hemos demostrado, estas células de rana pueden ser inducidas a crear formas vivas 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", proporcionando un Una visión más profunda de la forma general en que se organizan los organismos, y cómo calculan y almacenan la información en función de sus historias y entorno.

Choques futuros

Muchas personas se preocupan por las implicaciones del cambio tecnológico rápido y las manipulaciones biológicas complejas. "Ese miedo no es irrazonable", dice Levin. "Cuando comenzamos a jugar con sistemas complejos que no entendemos, vamos a tener consecuencias no deseadas". Muchos sistemas complejos, como una colonia de hormigas, comienzan con una unidad simple, una hormiga, a partir de la cual sería imposible predecir la forma de su colonia o cómo pueden construir puentes sobre el agua con sus cuerpos interconectados.

"Si la humanidad va a sobrevivir en el futuro, necesitamos comprender mejor cómo las propiedades complejas, de alguna manera, emergen de reglas simples", dice Levin. Gran parte de la ciencia se centra en "controlar las reglas de bajo nivel. También necesitamos comprender las reglas de alto nivel", dice. "Si quisieras un hormiguero con dos chimeneas en lugar de una, ¿cómo modificarías las hormigas? No tendríamos idea".

"Creo que es una necesidad absoluta para que la sociedad avance para manejar mejor los sistemas en los que el resultado es muy complejo", dice Levin. "Un primer paso para hacerlo es explorar: ¿cómo deciden los sistemas vivos cuál debería ser un comportamiento general y cómo manipulamos las piezas para obtener los comportamientos que queremos?"

En otras palabras, "este estudio es una contribución directa para controlar lo que la gente teme, lo cual son consecuencias no deseadas", dice Levin, ya sea en la rápida llegada de los automóviles autónomos, el cambio de las unidades genéticas para eliminar todo linajes de virus, o los muchos otros sistemas complejos y autónomos que moldearán cada vez más la experiencia humana.

"Existe toda esta creatividad innata en la vida", dice Josh Bongard de UVM. "Queremos entenderlo más profundamente, y cómo podemos dirigirlo e impulsarlo hacia nuevas formas".

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