Os primeiros robôs vivos – Neuroscience News

Resumo: Os ‘xenobots’ microscópicos criados a partir de células-tronco de embriões de rã prometem avanços desde a liberação de drogas até a limpeza de resíduos neurológicos.

Fonte: Universidade de Vermont

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 um milímetro de largura podem se mover em direção a um alvo, talvez pegar uma carga útil (como um medicamento que precisa ser carregado para um local específico dentro de um paciente) – e se curar após serem cortados.

“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 um robô tradicional nem uma espécie conhecida de animal. É uma nova classe de artefato: um organismo vivo e 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 a busca de compostos desagradáveis ​​ou contaminação radioativa, coleta de microplástico nos oceanos, viajando nas artérias para remover a placa. ”

Os resultados da nova pesquisa foram publicados em 13 de janeiro no Proceedings of the National Academy of Sciences.

Sistemas vivos sob medida

As pessoas vêm manipulando 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 completamente biológicas do zero”, 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 aluno de doutorado Sam Kriegman – usou um algoritmo evolutivo para criar milhares de projetos candidatos para as novas formas de vida. Na tentativa de realizar uma tarefa atribuída pelos cientistas – como a locomoção em uma direção – o computador, repetidamente, remontaria algumas centenas de células simuladas em uma miríade de formas e formatos corporais. À medida que os programas eram executados – guiados por regras básicas sobre a biofísica do que uma única pele de rã e células cardíacas podem fazer – os organismos simulados mais bem-sucedidos eram mantidos e refinados, enquanto os projetos falhos eram descartados. Após uma centena de execuções independentes do algoritmo, os projetos mais promissores foram selecionados para teste.

Em seguida, a equipe da Tufts, liderada por Levin e com trabalho importante do microcirurgião Douglas Blackiston, transferiu os designs in silico para a vida. Primeiro, eles coletaram células-tronco, colhidas de embriões de sapos africanos, a espécie 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 mais minúsculo, as células foram cortadas e unidas sob um microscópio em uma aproximação dos projetos especificados pelo computador.

Reunidas 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 antes aleatórias das células do músculo cardíaco foram postas para trabalhar criando um movimento ordenado para a frente conforme orientado pelo design do computador e auxiliado por padrões de auto-organização espontâneos – permitindo que os robôs se movessem em seus ter.

Demonstrou-se que esses organismos reconfiguráveis ​​são capazes de se mover de maneira coerente – e explorar seu ambiente aquático por dias ou semanas, alimentados por estoques de energia embrionária. Virados, porém, eles falharam, como besouros virados de costas.

Testes posteriores mostraram que grupos de xenobots se moviam em círculos, empurrando as 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 carregar um objeto com sucesso. “É um passo em direção ao uso de organismos projetados por computador para 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 crescente flagelo da poluição por plásticos 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 param de trabalhar – a morte – geralmente se desintegram inofensivamente. “Esses xenobots são totalmente biodegradáveis”, diz Bongard, “quando terminam seu trabalho depois de 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 acontecia. “Cortamos o robô quase ao meio e ele se costura de volta e segue em frente”, 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 as 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 processos bioelétricos, bioquímicos e biomecânicos, “executados em hardware especificado por DNA”, afirma Levin, “e esses processos são reconfiguráveis, permitindo novas formas de vida”.

Crédito: University of Vermont.

Os cientistas veem o trabalho apresentado em seu novo estudo PNAS – ”Um pipeline escalável para projetar organismos reconfiguráveis,” – como uma etapa na aplicação de percepções sobre este código bioelétrico para biologia e ciência da computação. “O que realmente determina a anatomia com a qual as células cooperam?” Levin pergunta. “Você olha para as células com as quais construímos nossos xenobots e, genomicamente, eles são sapos. É 100% DNA de rã – mas não são rãs. Então você pergunta, bem, 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”, diz Levin. Ele e os outros cientistas da equipe de UVM e Tufts – com o apoio do programa Lifelong Learning Machines da DARPA e da National Science Foundation – acreditam que construir os xenobots é um pequeno passo para quebrar o que ele chama de “código morfogenético”, fornecendo uma visão mais profunda da maneira geral como os organismos são organizados – e como eles computam e armazenam informações com base em suas histórias e ambiente.

Veja também

Isso mostra um homem mais velho trabalhando

Choques Futuros

Muitas pessoas se preocupam com as implicações das rápidas mudanças tecnológicas e complexas manipulações biológicas. “Esse medo não é irracional”, diz Levin. “Quando começarmos a mexer em sistemas complexos que não entendemos, teremos consequências indesejadas”. Muitos sistemas complexos, como uma colônia de formigas, começam com uma unidade simples – uma formiga – a partir da qual seria impossível prever a forma de sua colônia ou como eles podem construir pontes sobre a água com seus corpos interligados.

Isso mostra um bloco e um cérebro
À esquerda, o projeto anatômico de um organismo projetado por computador, descoberto em um supercomputador UVM. À direita, o organismo vivo, constituído inteiramente de células da pele de rã (verdes) e do músculo cardíaco (vermelhas). O plano de fundo exibe traços esculpidos por um enxame desses organismos novos na natureza à medida que se movem por um campo de material particulado. A imagem é creditada a Sam Kriegman, UVM.

“Se a humanidade vai sobreviver no futuro, precisamos entender melhor como propriedades complexas, de alguma forma, emergem de regras simples”, diz Levin. Grande parte da ciência está focada em “controlar as regras de baixo nível. Também precisamos entender as regras de alto nível ”, diz ele. “Se você queria um formigueiro com duas chaminés em vez de uma, como você modifica as formigas? Não teríamos ideia. ”

“Acho que é uma necessidade absoluta para a sociedade ter um melhor controle sobre os sistemas em que o resultado é muito complexo”, diz Levin. “Um primeiro passo para fazer isso é explorar: como os sistemas vivos decidem qual deve ser um comportamento geral e como manipulamos as peças para obter os comportamentos que queremos?”

Em outras palavras, “este estudo é uma contribuição direta para entender o que as pessoas temem, o que são consequências não intencionais”, diz Levin – seja na chegada rápida de carros autônomos, mudando os genes para eliminar linhagens inteiras de vírus, ou os muitos outros sistemas complexos e autônomos que irão moldar cada vez mais a experiência humana.

“Existe toda essa criatividade inata na vida”, diz Josh Bongard da UVM. “Queremos entender isso mais profundamente – e como podemos direcionar e empurrar para novas formas.”

Sobre este artigo de pesquisa robótica

Fonte:
Universidade de Vermont
Contatos de mídia:
Josh Brown – Universidade de Vermont
Fonte da imagem:
A imagem é creditada a Sam Kriegman, UVM.

Pesquisa original: Acesso livre
“Um pipeline escalável para projetar organismos reconfiguráveis”. Sam Kriegman, Douglas Blackiston, Michael Levin e Josh Bongard.
PNAS doi: 10.1073 / pnas.1910837117.

Resumo

Um pipeline escalável para projetar organismos reconfiguráveis

Os sistemas vivos são mais robustos, diversos, complexos e favorecem a vida humana do que qualquer tecnologia já criada. No entanto, nossa capacidade de criar novas formas de vida está atualmente limitada a vários organismos existentes ou organóides de bioengenharia in vitro. Aqui, mostramos um pipeline escalonável para a criação de novas formas de vida funcionais: os métodos de IA projetam automaticamente diversas formas de vida candidatas in silico para executar alguma função desejada, e os projetos transferíveis são então criados usando um kit de ferramentas de construção baseado em células para realizar sistemas vivos com os comportamentos previstos. Embora algumas etapas neste pipeline ainda exijam intervenção manual, a automação completa no futuro abriria o caminho para projetar e implantar sistemas vivos exclusivos e sob medida para uma ampla gama de funções.

Sinta-se à vontade para compartilhar esta Notícia sobre Neurobótica.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *