Los «Xenobots» autocurativos significan un futuro con máquinas vivas

Hace cien añosEra fácil saber cuándo algo era una máquina. Las máquinas eran «duras y toscas, metálicas y muy pesadas» como un biólogo evolutivo Michael Levine Dice inverso.

Pero recientemente, para Levine y su socio, el asunto se ha vuelto claro. Joshua Bongard, Profesor de informática en la Universidad de Vermont, que nuestras definiciones de «máquina» y «organismo» están a punto de volverse realmente vagas.

En enero de 2020, los dos fueron Primeros titulares Después de anunciar que su equipo había logrado crear «Máquinas totalmente biológicas. Ahora, Levin y Bongard han llevado sus sistemas biológicos, o «xenobots», al siguiente nivel, utilizando células de rana para crear formas de vida capaces de movimiento, memoria y manipulación del mundo que los rodea.

Es increíble Resultados Publicado miércoles en la revista Ciencia robótica.

el fondo – Las máquinas biológicas para 2020 se diseñaron en simulaciones por computadora y luego se integraron en placas de Petri utilizando microbisturíes y tejido biológico vivo: células de piel y músculos extraídas de embriones de rana africana con garras, Xenopus laevis. En otras palabras, están diseñados como un diseño de robot, pero las materias primas son 100% células vivas.

Levin y Bongard aterrizaron en un diseño que recuerda a un perro convertido en otomano La bella y la Bestia Esto, una vez cortado en forma, contraerá sus células musculares y caminará a través de la placa. Llamaron a sus creaciones vivientes Xenobots (pronunciado zenno-bot), en honor a la rana que donó sus células.

«En ese primer artículo, realmente mostramos algunas de las criaturas cuya historia evolutiva ocurrió en las computadoras», dice Levin, profesor de la Universidad de Tufts.

«Tenían una historia evolutiva, que no estaba en la Tierra. En este mundo completamente virtual, Josh Bongard lo codificó».

Hace unas semanas, Bongard Publicó su nueva teoría Sobre si ayuda seguir usando la metáfora de que los seres vivos son como máquinas (spoiler: no lo es). En el último avance de robots del equipo, no hay necesidad de salir adelante. Los nuevos Xenobots no son otomanos, son bolas. Y no tienen células musculares, todas son piel. Pero todavía están avanzando bien.

qué hay de nuevo – Cuero un Xenopus La rana está cubierta de cilios, que son pequeñas estructuras similares a pelos que redistribuyen el moco a través de su piel. Es una adaptación para mantener las bacterias y los hongos en su lugar. Cuando junta las células de la piel del feto, se acumulan en pequeñas bolas con los cilios en el exterior.

El equipo descubrió que los cilios del nuevo Xenobot “funcionan en simetría para que las cosas puedan avanzar”, dice Levine. «Empiezan a remar y la cosa se mueve».

Los investigadores también probaron para ver si podían configurar Xenobots con alguna forma de memoria elemental. Lo inyectaron con ARN, que codifica una proteína que cambia de color cuando se expone a un color específico de luz. Funcionó: los robots fabricaron las proteínas y quedó claro qué robots «vieron» la luz cuando devolvieron un color diferente.

«Es una prueba del principio de que podemos modificar las células para poner otras cosas que les den nuevas funciones», dice Levine. «La biología sintética hoy en día es una» sopa celular «, todas las células están en cultivo. Ahora se puede incorporar, tenemos un cuerpo en el que se pueden poner todos estos tipos de circuitos».

El equipo también estaba interesado en cómo funcionaban los Xenobots como grupo. Bongard ejecutó más simulaciones matemáticas para tratar de predecir lo que sucedería cuando permitieran que los robots ingresaran a una arena con una colección de partículas. ¿Cómo redistribuirá el movimiento de los robots las partículas? ¿Puedes conseguir que los conviertan en montones?

Fue un proceso iterativo, midiendo las propiedades de los xenobots, poniendo datos en simulaciones por computadora para hacer predicciones, luego probando esas predicciones en robots y midiéndolas nuevamente. «Se trata de simulación y experimentación y simulación y experimentación, y esperamos ser más inteligentes cada vez después de cada ronda», dice Levine.

Porque es esto importante – En términos prácticos, los Xenobots pueden tener aplicaciones como nadar por el torrente sanguíneo y abrir arterias. Pero Levin está más entusiasmado con el panorama general.

La mayoría de los problemas de la medicina moderna. a la deriva… si entendemos cómo hacer que las células construyan todo lo que queremos construir «.

Cuando los Xenobots crecen durante su corta vida de 10 días, se alargan y se vuelven translúcidos.

«Casi parecen fantasmas», dice Levine. «Esto no es algo que hubiera esperado, no son como embriones de rana, no son renacuajos. Tienen una secuencia de desarrollo completamente nueva».

Levine explica que se trata de un tipo de organismo modelo completamente nuevo, que nos ayudará a comprender cómo las células construyen estructuras y cómo podemos «inducirlas» a hacer cosas diferentes además de una hipótesis genética, que no requiere ingeniería genética.

«La mayoría de los problemas de la medicina moderna desaparecerán … si entendemos cómo hacer que las células construyan todo lo que queremos construir», dice.

Cuando se le preguntó si era solo una coincidencia que esta formación de células ciliares se estuviera moviendo, Levine respondió la pregunta. Dice que mucha gente no se toma la evolución lo suficientemente en serio.

Nuestras propiedades cognitivas complejas han evolucionado a partir de versiones más simples y modestas de esas exactamente las mismas características en otros [earlier] Seres vivos «, dice.

«[Are the Xenobots] ¿Usar la física para reutilizar sus mecanismos de una manera que pueda ser explicada por la química y la física? Por supuesto que lo son. No hay magia. Pero es lo mismo para nosotros. Cuando caminamos, utilizamos la electricidad de las redes eléctricas de nuestro cerebro para estimular nuestros músculos. Esto no significa que sea menos maravilloso «.

«La gente es muy binaria en las cosas. ¿Dicen que es un robot o un ser vivo? Sí y sí», dice Levine. «Estas calificaciones binarias ya no son buenas».

¿Que sigue? – Levine y su equipo están avanzando con sus experimentos, incluido el uso de células de fuentes distintas de las ranas. Lo impulsaba su curiosidad sobre cómo los grupos de células trabajan juntos para formar una especie de inteligencia colectiva, al igual que nuestros cerebros humanos.

«Este es un problema que me ha mantenido despierto desde que era niño», dice. «¿Cómo se relaciona la estructura del cuerpo con la mente que vive allí de alguna manera?»

A medida que estos robots vivientes se vuelven cada vez más complejos, la sociedad tendrá que lidiar con lo que significa ser cognitivo. Levine imagina un futuro a partir de una película de ciencia ficción, uno que desafía la forma en que vemos la percepción y lo que moralmente le debemos a nuestras creaciones.

«En tu vida, estaremos rodeados por una increíble cantidad de agentes nuevos que son híbridos extraños y robots con tejidos vivos integrados y [vice versa] – Cada combinación bajo el sol girará en alguna parte «, dice Levine.

resumen: Hasta ahora, se han construido enjambres de robots a partir de materiales sintéticos. Las estructuras biológicas móviles se generaron a partir de células musculares cultivadas en andamios microscópicos. Sin embargo, explotar la autorregulación y la plasticidad funcional emergentes en una máquina autoguiada viviente siguió siendo un gran desafío. Presentamos aquí un informe sobre un método para generar robots biológicos in vitro a partir de rana (Xenopus laevisCélulas. Estos xenobots muestran un movimiento coordinado a través de los cilios en su superficie. Estos cilios se crean a través de patrones de tejidos naturales y no requieren métodos de construcción complejos o edición genómica, lo que hace que la producción sea viable para proyectos de alto rendimiento. Los robots biológicos se crean mediante autorregulación celular y no requieren andamios ni microimpresiones; Las células de anfibios son muy susceptibles a la estimulación quirúrgica, genética, química y visual durante el proceso de autoensamblaje. Demostramos que los xenobots pueden navegar en entornos acuáticos de diversas formas, curarse después de sufrir daños y exhibir comportamientos grupales emergentes. Construimos un modelo computacional para predecir comportamientos grupales beneficiosos que podrían inferirse del enjambre de xenobot. Además, presentamos una prueba de principio para una memoria molecular grabable utilizando una proteína fototransformable que puede registrar la exposición a una longitud de onda de luz específica. Juntos, estos resultados proporcionan una plataforma que se puede utilizar para estudiar muchos aspectos del autoensamblaje, el comportamiento del enjambre y la bioingeniería sintética, así como para proporcionar máquinas vivas versátiles y de cuerpo blando para muchas aplicaciones prácticas en biomedicina y el medio ambiente.