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

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

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

Le nuove creature sono state progettate su un supercomputer dell'UVM e poi assemblate e testate dai biologi della Tufts University. "Possiamo immaginare molte applicazioni utili 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 a Tufts, "come cercare composti nocivi o contaminazione radioattiva, raccolta di microplastiche negli oceani, viaggiando nelle arterie per raschiare la placca."

I risultati della nuova ricerca sono stati pubblicati il ​​13 gennaio nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

Sistemi abitativi su misura

Le persone manipolano gli organismi per il bene dell'uomo almeno 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 da zero macchine completamente biologiche, " 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, che include l'autore principale e il dottorando Sam Kriegman, ha utilizzato un algoritmo evolutivo per creare migliaia di progetti candidati per le nuove forme di vita. Tentando di raggiungere un compito assegnato dagli scienziati, come la locomozione in una direzione, il computer avrebbe, ancora ed ancora, riassemblare alcune centinaia di cellule simulate in una miriade di forme e forme del corpo. Mentre i programmi venivano eseguiti, guidati da regole di base sulla biofisica di ciò che la 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 eliminati. Dopo un centinaio di esecuzioni indipendenti dell'algoritmo, i progetti più promettenti sono stati selezionati per i test.

Poi il team di Tufts, guidato da Levin e con il lavoro chiave del microchirurgo Douglas Blackiston, ha trasferito in vita i progetti in silico. Prima hanno raccolto cellule staminali, raccolte da embrioni di rane africane, le specie Xenopus laevis . (Da qui il nome "xenobots.") Questi sono stati separati in singole celle e lasciati in incubazione. Quindi, usando minuscole pinze e un elettrodo ancora più piccolo, le cellule sono state tagliate e unite al microscopio in una stretta approssimazione dei disegni specificati dal computer.

Assemblati in forme corporee mai viste in natura, le cellule cominciarono a lavorare insieme. Le cellule della pelle hanno formato un'architettura più passiva, mentre le contrazioni un tempo casuali delle cellule del muscolo cardiaco venivano messe al lavoro creando un movimento ordinato in avanti guidato dal design del computer, e aiutato da schemi di auto-organizzazione spontanei, consentendo ai robot di muoversi da soli.

Questi organismi riconfigurabili hanno dimostrato di essere in grado di muoversi in modo coerente ed esplorare il loro ambiente acquoso per giorni o settimane, alimentato da riserve di energia embrionale. Si è rigirato, però, hanno fallito, come scarafaggi capovolti sulla schiena.

Test successivi hanno mostrato che gruppi di xenobot si muovevano in cerchio, spingere i pellet in una posizione centrale, spontaneamente e collettivamente. Altri sono stati costruiti con un foro al centro per ridurre la resistenza. Nelle versioni simulate di questi, gli scienziati sono stati in grado di riutilizzare questo foro come una sacca per trasportare con successo un oggetto. "È un passo verso l'utilizzo di organismi progettati al computer per la somministrazione intelligente di farmaci, "dice Bongard, professore presso il Dipartimento di Informatica e Centro Sistemi Complessi dell'UVM.

Tecnologie viventi

Molte tecnologie sono realizzate in acciaio, cemento o plastica. Questo può renderli 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. "Il lato negativo del tessuto vivente è che è debole e si degrada, "dice 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 si disfano in modo innocuo. "Questi xenobot sono completamente biodegradabili, " dire Bongard, "quando hanno finito il loro lavoro dopo sette giorni, sono solo cellule morte della pelle."

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 hanno guardato cosa è successo. "Abbiamo tagliato il robot quasi a metà e si ricuce e continua ad andare avanti, " dice Bongard. "E questo è qualcosa che non puoi fare con le macchine tipiche."

Decifrare il codice

Sia Levin che Bongard affermano che il potenziale di ciò che hanno appreso 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, " dice Levin. "Il genoma codifica per proteine, ma le applicazioni trasformative attendono la nostra scoperta di come quell'hardware consente alle cellule di cooperare per creare anatomie funzionali in condizioni molto diverse".

Per far sì che un organismo si sviluppi e funzioni, c'è molta condivisione di informazioni e cooperazione - calcolo organico - in corso all'interno e tra le cellule tutto il tempo, non solo all'interno dei neuroni. Queste proprietà emergenti e geometriche sono modellate da bioelettrici, biochimico, e processi biomeccanici, "che gira su hardware specificato dal DNA, "Levin dice, "e questi processi sono riconfigurabili, consentendo nuove forme di vita."

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

"Come abbiamo mostrato, queste cellule di rana possono essere persuase a creare forme viventi interessanti che sono completamente diverse da quella che sarebbe la loro anatomia predefinita, " dice Levin. Lui e gli altri scienziati del team UVM e Tufts, con il supporto del programma Lifelong Learning Machines della DARPA e della National Science Foundation, credono che costruire gli xenobot sia un piccolo passo verso la decifrazione di quello che lui chiama il "codice morfogenetico, " fornendo una visione più approfondita del modo in cui gli organismi sono organizzati e di come calcolano e memorizzano le informazioni in base alla loro storia e al loro ambiente.

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, in qualche modo, 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?"

In altre parole, "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."