Um livro é feito de madeira. Mas não é uma árvore. As células mortas foram reaproveitadas para atender a outra necessidade.

Agora, uma equipe de cientistas reaproveitou células vivas - retiradas de embriões de rã - e as reuniu em formas de vida inteiramente novas. Esses "xenobots" com milímetros de largura podem se mover em direção a um alvo, talvez pegar uma carga útil (como um remédio que precisa ser levado a um local específico dentro de um paciente) - e se curar após ser cortado.

"Estas são novas máquinas vivas, "diz Joshua Bongard, um cientista da computação e especialista em robótica da Universidade de Vermont que co-liderou a nova pesquisa. "Eles não são nem um robô tradicional, nem uma espécie de animal conhecida. É uma nova classe de artefato:uma vida, organismo programável. "

As novas criaturas foram projetadas em um supercomputador na UVM - e depois montadas e testadas por biólogos da Universidade Tufts. "Podemos imaginar muitas aplicações úteis desses robôs vivos que outras máquinas não podem fazer, "diz o co-líder Michael Levin, que dirige o Centro de Biologia Regenerativa e de Desenvolvimento em Tufts, "como procurar compostos desagradáveis ​​ou contaminação radioativa, coletando microplásticos nos oceanos, viajando nas artérias para remover a placa. "

Os resultados da nova pesquisa foram publicados em 13 de janeiro no Anais da Academia Nacional de Ciências .

Sistemas vivos sob medida

As pessoas têm manipulado organismos para benefício humano, pelo menos desde o início da agricultura, a edição genética está se espalhando, e alguns organismos artificiais foram montados manualmente nos últimos anos - copiando as formas corporais de animais conhecidos.

Mas esta pesquisa, pela primeira vez, "projeta máquinas totalmente biológicas desde o início, "a equipe escreve em seu novo estudo.

Com meses de tempo de processamento no cluster de supercomputador Deep Green no Vermont Advanced Computing Core da UVM, a equipe - incluindo o autor principal e estudante de doutorado Sam Kriegman - usou um algoritmo evolutivo para criar milhares de projetos candidatos para as novas formas de vida. A tentativa de realizar uma tarefa atribuída pelos cientistas - como a locomoção em uma direção - o computador iria, de novo e de novo, remonte algumas centenas de células simuladas em uma miríade de formas e formas corporais. À medida que os programas eram executados - orientados por regras básicas sobre a biofísica do que uma única pele de rã e células cardíacas podem fazer - os organismos simulados com mais sucesso eram mantidos e refinados, enquanto projetos fracassados ​​eram jogados fora. Depois de cem execuções independentes do algoritmo, os projetos mais promissores foram selecionados para teste.

Em seguida, a equipe da Tufts, liderado por Levin e com trabalho fundamental do microcirurgião Douglas Blackiston - transferiu os designs in silico para a vida. Primeiro, eles reuniram células-tronco, colhido de embriões de rãs africanas, as espécies Xenopus laevis . (Daí o nome "xenobots".) Estes foram separados em células individuais e deixados para incubar. Então, usando uma pinça minúscula e um eletrodo ainda menor, as células foram cortadas e unidas sob um microscópio em uma aproximação dos projetos especificados pelo computador.

Montados em formas corporais nunca vistas na natureza, as células começaram a trabalhar juntas. As células da pele formaram uma arquitetura mais passiva, enquanto as contrações outrora aleatórias das células do músculo cardíaco foram postas para trabalhar criando um movimento ordenado para a frente conforme guiado pelo design do computador, e auxiliado por padrões de auto-organização espontâneos - permitindo que os robôs se movam por conta própria.

Esses organismos reconfiguráveis ​​mostraram ser capazes de se mover de uma forma coerente e explorar seu ambiente aquático por dias ou semanas, alimentado por estoques de energia embrionária. Virado, Contudo, eles falharam, como besouros virando de costas.

Testes posteriores mostraram que grupos de xenobots se moviam em círculos, empurrando pelotas para um local central - espontânea e coletivamente. Outros foram construídos com um orifício no centro para reduzir o arrasto. Em versões simuladas destes, os cientistas foram capazes de reaproveitar este buraco como uma bolsa para transportar um objeto com sucesso. "É um passo em direção ao uso de organismos projetados por computador para a distribuição inteligente de medicamentos, "diz Bongard, professor do Departamento de Ciência da Computação e Centro de Sistemas Complexos da UVM.

Tecnologias vivas

Muitas tecnologias são feitas de aço, concreto ou plástico. Isso pode torná-los fortes ou flexíveis. Mas também podem criar problemas ecológicos e de saúde humana, como o flagelo crescente da poluição do plástico nos oceanos e a toxicidade de muitos materiais sintéticos e eletrônicos. "A desvantagem do tecido vivo é que ele é fraco e se degrada, "disse Bongard." É por isso que usamos aço. Mas os organismos têm 4,5 bilhões de anos de prática em regenerar-se e continuar por décadas. "E quando eles param de funcionar - a morte - eles geralmente se desintegram inofensivamente." Esses xenobots são totalmente biodegradáveis, "diga Bongard, "quando terminam seu trabalho após sete dias, são apenas células mortas da pele. "

Seu laptop é uma tecnologia poderosa. Mas tente cortá-lo ao meio. Não funciona tão bem. Nos novos experimentos, os cientistas cortaram os xenobots e observaram o que aconteceu. "Cortamos o robô quase ao meio e ele se costura de volta e continua, "diz Bongard." E isso é algo que você não pode fazer com máquinas típicas. "

Decifrando o código

Tanto Levin quanto Bongard dizem que o potencial do que aprenderam sobre como as células se comunicam e se conectam se estende profundamente tanto à ciência computacional quanto ao nosso entendimento da vida. "A grande questão em biologia é entender os algoritmos que determinam a forma e a função, "diz Levin." O genoma codifica proteínas, mas aplicações transformadoras aguardam nossa descoberta de como esse hardware permite que as células cooperem para fazer anatomias funcionais sob condições muito diferentes. "

Para fazer um organismo se desenvolver e funcionar, há muito compartilhamento e cooperação de informações - computação orgânica - acontecendo dentro e entre as células o tempo todo, não apenas dentro dos neurônios. Essas propriedades emergentes e geométricas são moldadas por bioelétricas, bioquímico, e processos biomecânicos, "que rodam em hardware especificado por DNA, "Levin diz, "e esses processos são reconfiguráveis, permitindo novas formas de vida. "

Os cientistas veem o trabalho apresentado em seus novos PNAS estudo - "Um pipeline escalável para projetar organismos reconfiguráveis, "—Como uma etapa na aplicação de insights sobre este código bioelétrico à biologia e à ciência da computação." O que realmente determina a anatomia com a qual as células cooperam? ", Pergunta Levin." Você olha para as células com as quais construímos nossos xenobôs, e, genomicamente, eles são sapos. É 100% DNA de rã - mas não são rãs. Então você pergunta, Nós vamos, o que mais essas células são capazes de construir? "

"Como mostramos, essas células de sapo podem ser induzidas a criar formas vivas interessantes que são completamente diferentes do que seria sua anatomia padrão, " says Levin. He and the other scientists in the UVM and Tufts team—with support from DARPA's Lifelong Learning Machines program and the National Science Foundation— believe that building the xenobots is a small step toward cracking what he calls the "morphogenetic code, " 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 alguma forma, 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?"

Em outras palavras, "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."