Xenobot, ultima frontiera

  16 febbraio 2021

Un libro è fatto di legno. Ma non è un albero. Le cellule morte sono state riutilizzate per soddisfare un’altra esigenza.

 

Ora un team di scienziati ha riutilizzato cellule viventi – raschiate da embrioni di rana – e le ha assemblate in forme di vita completamente nuove. Questi «xenobot» larghi un millimetro possono spostarsi verso un bersaglio, forse trasportare un carico utile (come un medicinale che deve essere portato in un punto specifico all’interno di un paziente) e guarire se stessi dopo essere stati tagliati.

 

«Queste sono nuove macchine viventi», afferma Joshua Bongard (foto a fianco), scienziato informatico ed esperto di robotica presso l’Università del Vermont, che ha co-condotto la nuova ricerca. «Non sono né robot tradizionali né una specie nota di animale. Sono una nuova classe di artefatti: organismi viventi e programmabili».

 

Le nuove creature sono state progettate su un supercomputer all’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 eseguire», afferma il co-leader Michael Levin, che dirige il Center for Regenerative and Developmental Biology al Tufts, «come la ricerca di composti nocivi o la contaminazione radioattiva, la raccolta di microplastiche negli oceani, viaggiare nelle arterie per raschiare le placche …».

 

I risultati della nuova ricerca sono stati pubblicati il ​​13 gennaio negli Atti della National Academy of Sciences.

 

Le persone hanno manipolato gli organismi per il beneficio umano almeno dagli albori dell’agricoltura, l’editing genetico si sta diffondendo e negli ultimi anni alcuni organismi artificiali sono stati assemblati manualmente, copiando le forme corporee di animali conosciuti.

 

Ma questa ricerca, per la prima volta in assoluto, “progetta macchine completamente biologiche da zero”, scrive il team nel loro nuovo studio.

 

Con mesi di tempo di elaborazione sui cluster del supercomputer Deep Green presso il Vermont Advanced Computing Core di UVM , il team, incluso l’autore principale e il dottorando Sam Kriegman, hanno utilizzato un algoritmo evolutivo per creare migliaia di progetti candidati per le nuove forme di vita. Tentando di portare a termine un compito assegnato dagli scienziati – come la locomozione verso una direzione – il computer riassemblava ripetutamente alcune centinaia di cellule simulate in una miriade di forme del corpo. Mentre i programmi andavano avanti, guidati da regole di base sulla biofisica di ciò che una singola pelle di rana e le cellule cardiache possono fare, gli organismi simulati di maggior successo sono stati mantenuti e raffinati, mentre i progetti falliti venivano eliminati. Dopo un centinaio di esecuzioni indipendenti dell’algoritmo, i progetti più promettenti sono stati selezionati per i test.

 

Quindi il team di Tufts, guidato da Levin e con il lavoro chiave del microchirurgo Douglas Blackiston, ha trasferito in vita i progetti in silicio. Per prima cosa hanno raccolto cellule staminali, raccolte dagli embrioni di rane africane, la specie Xenopus laevis (da qui il nome «xenobots»). Questi sono stati separati in singole cellule e lasciati incubare. Quindi, utilizzando minuscole pinze e un elettrodo ancora più piccolo, le cellule sono state tagliate e unite al microscopio in stretta approssimazione con i disegni specificati dal computer.

 

Assemblate in forme corporee mai viste in natura, le cellule hanno iniziato a lavorare insieme. Le cellule della pelle formavano 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 come guidato dal progetto del computer e aiutate da schemi auto-organizzati 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, alimentati da riserve di energia embrionale. Ribaltati, tuttavia, hanno fallito, come scarafaggi girati sulla schiena.

 

Test successivi hanno mostrato che gruppi di xenobot si muovevano in cerchio, spingendo dei pallini 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 un sacchetto per trasportare con successo un oggetto. «È un passo avanti verso l’utilizzo di organismi progettati al computer per la somministrazione intelligente di farmaci», afferma Bongard, professore presso il Dipartimento di informatica e sistemi complessi di 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. «Lo svantaggio del tessuto vivente è che è debole e si degrada», afferma Bongard. «Ecco perché usiamo l’acciaio. Ma gli organismi hanno 4,5 miliardi di anni di pratica nel rigenerarsi e vanno avanti per decenni». E quando smettono di lavorare – e muiono – di solito cadono a pezzi in modo innocuo. «Questi xenobot sono completamente biodegradabili», dice Bongard, «quando hanno finito il loro lavoro dopo sette giorni, sono solo come cellule morte della pelle».

 

Un laptop è una tecnologia potente. Ma provate a tagliarlo a metà. Non funzionerà così bene. Nei nuovi esperimenti, gli scienziati hanno tagliato gli xenobot e hanno osservato cosa è successo. «Abbiamo tagliato il robot quasi a metà e si è ricucito e ha continuato a funzionare», afferma Bongard. «E questo è qualcosa che non è possibile fare con le macchine tipiche».

 

Decifrare il codice

 

Sia Levin che Bongard affermano che il potenziale di ciò che hanno imparato 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», afferma Levin. «Il genoma codifica le proteine, ma le applicazioni trasformative attendono la nostra scoperta di come quell’hardware consenta alle cellule di cooperare per creare anatomie funzionali in condizioni molto diverse».

 

Per fare in modo che un organismo si sviluppi e funzioni, c’è molta condivisione di informazioni e cooperazione – computazione organica – in atto tra le cellule per tutto il tempo, non solo all’interno dei neuroni. Queste proprietà emergenti e geometriche sono modellate da processi bioelettrici, biochimici e biomeccanici, «che girano su hardware specificato dal DNA» – dice Levin – «e questi processi sono riconfigurabili, consentendo nuove forme viventi».

 

Gli scienziati hanno presentato il loro nuovo studio su PNAS («Una pipeline scalabile per la progettazione di organismi riconfigurabili») come un passo nell’applicazione delle conoscenze su questo codice bioelettrico sia alla biologia che all’informatica. «Cosa determina effettivamente l’anatomia verso la quale le cellule cooperano?» – si chiede Levin – «Se si guarda le cellule con cui abbiamo costruito i nostri xenobot, genomicamente, sono rane. È DNA di rana al 100%, ma queste non sono rane. Quindi ci si chiede cos’altro sono in grado di costruire queste cellule?»

 

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

 

Molte persone si preoccupano delle implicazioni del rapido cambiamento tecnologico e delle complesse manipolazioni biologiche. «Quella paura non è irragionevole» – dice Levin. «Quando iniziamo a scherzare con sistemi complessi che non comprendiamo, potremmoavere conseguenze non intenzionali». Molti sistemi complessi, come una colonia di formiche, iniziano con un’unità semplice, una formica, dalla quale sarebbe impossibile prevedere la forma della loro colonia o come possono costruire ponti sull’acqua con i loro corpi interconnessi.

 

«Se l’umanità vuole sopravvivere in futuro, dobbiamo capire meglio come proprietà complesse, in qualche modo, emergano da regole semplici» – dice Levin. Gran parte della scienza si concentra sul «controllo delle regole di basso livello. Dobbiamo anche comprendere le regole di alto livello» – afferma. «Se volessi un formicaio con due camini invece di uno, come modifichiamo le formiche? Non ne avremmo idea».

 

«Penso che sia una necessità assoluta per la società in futuro quella di ottenere una migliore gestione dei sistemi in cui il risultato è molto complesso» – dice Levin. «Un primo passo per farlo è esplorare: come fanno i sistemi viventi a decidere quale dovrebbe essere un comportamento generale e come manipoliamo i pezzi per ottenere i comportamenti che desideriamo?»

 

In altre parole, «questo studio è un contributo diretto per ottenere un controllo su ciò di cui le persone hanno paura, che è una conseguenza non intenzionale» – dice Levin – sia nel rapido arrivo delle auto a guida autonoma, che nel cambiamento dei geni per spazzare via intere specie di virus o molti altri sistemi complessi e autonomi che plasmeranno sempre più l’esperienza umana.

 

«C’è tutta questa innata creatività nella vita» – afferma Josh Bongard di UVM. «Vogliamo capirla più profondamente e come possiamo indirizzarla e spingerla verso nuove forme».