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Università del Vermont: Team costruisce i primi robot viventi




Ora un team di scienziati ha riproposto le cellule viventi – raschiate dagli embrioni di rana – e le ha assemblate in forme di vita completamente nuove.

Questi “xenobot” larghi millimetri possono muoversi verso un bersaglio, magari raccogliendo un carico utile (come una medicina che deve essere portata in un posto specifico all’interno di un paziente) e guarire da soli dopo essere stati tagliati.

Queste sono nuove macchine viventi“, dice Joshua Bongard, un informatico ed esperto di robotica all’Università del Vermont che ha co-condotto la nuova ricerca. “Non sono né un robot tradizionale né una specie nota di animale. È una nuova classe di artefatti: un organismo vivente e programmabile“.

Le nuove creature sono state progettate su un supercomputer alla UVM – e poi assemblate e testate da biologi della Tufts University. “Possiamo immaginare molte applicazioni utili di questi robot viventi che altre macchine non possono fare“, dice il co-leader Michael Levin che dirige il Center for Regenerative and Developmental Biology alla Tufts, “come la ricerca di composti sgradevoli o la contaminazione radioattiva, la raccolta di microplastica negli oceani, viaggiando nelle arterie per raschiare la placca“.

I risultati della nuova ricerca sono stati pubblicati il 13 gennaio nei Proceedings of the National Academy of Sciences.

Le persone hanno manipolato organismi a beneficio dell’uomo almeno dagli albori dell’agricoltura, l’editing genetico sta diventando diffuso, 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, “progetta macchine completamente biologiche da zero“, 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 della UVM, il team – tra cui l’autore principale e 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, più e più volte, riassemblato alcune centinaia di cellule simulate in una miriade di forme e forme del corpo. Man mano che i programmi venivano eseguiti, guidati da regole di base sulla biofisica di ciò che le singole cellule cardiache e della pelle di rana possono fare, gli organismi simulati di maggior successo venivano mantenuti e perfezionati, mentre i progetti falliti venivano 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 i progetti in silico nella vita. Prima hanno raccolto le cellule staminali dagli embrioni delle rane africane, la specie Xenopus laevis. Queste sono state separate in singole cellule e lasciate in incubazione. Poi, usando una pinza minuscola e un elettrodo ancora più piccolo, le cellule sono state tagliate e unite sotto un microscopio in una stretta approssimazione dei disegni specificati dal computer.

Assemblate in forme corporee mai viste in natura, le cellule hanno cominciato a lavorare insieme. Le cellule della pelle hanno formato un’architettura più passiva, mentre le contrazioni, una volta casuali, delle cellule del muscolo cardiaco sono state messe al lavoro per creare un movimento in avanti ordinato, guidato dal progetto del computer e aiutato da modelli spontanei di auto-organizzazione, permettendo 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 acquatico per giorni o settimane, alimentati da riserve di energia embrionale. Girati, però, fallivano, come coleotteri capovolti sulla schiena.

Test successivi hanno mostrato che gruppi di xenobot si muovevano in cerchio, spingendo i pallini in una posizione centrale, spontaneamente e collettivamente. Altri sono stati costruiti con un foro attraverso il 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 verso l’uso di organismi progettati al computer per la consegna intelligente di farmaci“, dice Bongard, professore del Dipartimento di Informatica e del Centro Sistemi Complessi della UVM.

Un organismo quadrupede fabbricato, 650-750 micron di diametro, un po’ più piccolo di una testa di spillo.

Tecnologie viventi

Molte tecnologie sono fatte di acciaio, cemento o plastica. Questo può renderle forti o flessibili. Ma possono anche creare problemi ecologici e di salute umana, come la crescente piaga 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 per rigenerarsi e andare avanti per decenni“. E quando smettono di funzionare – la morte – di solito cadono a pezzi in modo innocuo.

Bongard dichiara che:

Questi xenobot sono completamente biodegradabili quando hanno finito il loro lavoro dopo sette giorni, sono solo cellule di pelle morta“.

Il tuo portatile è una tecnologia potente. Ma provate a tagliarlo a metà. Non funziona così bene. Nei nuovi esperimenti, gli scienziati hanno tagliato gli xenobot e hanno osservato cosa succedeva.

Abbiamo tagliato il robot quasi a metà e si ricuce da solo e continua ad andare avanti. E questo è qualcosa che non si può fare con le macchine tipiche”.

Decifrare il codice

Sia Levin che Bongard dicono 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 forma e funzione”.

“Il genoma codifica le proteine, ma le applicazioni trasformative attendono la nostra scoperta di come questo hardware permette alle cellule di cooperare per creare anatomie funzionali in condizioni molto diverse”.

Michael LevinCenter for Regenerative and Developmental Biology alla Tufts

Per far sì che un organismo si sviluppi e funzioni, c’è un sacco di condivisione di informazioni e cooperazione – calcolo organico – in corso dentro e tra le cellule tutto il tempo, non solo all’interno dei neuroni. Queste proprietà emergenti e geometriche sono modellate da processi bioelettrici, biochimici e biomeccanici, “che funzionano su hardware specifico del DNA“, dice Levin, “e questi processi sono riconfigurabili, permettendo nuove forme viventi“.

Gli scienziati vedono il lavoro presentato nel loro nuovo studio PNAS – “Una pipeline scalabile per la progettazione di organismi riconfigurabili” – come un passo per applicare le intuizioni su questo codice bioelettrico sia alla biologia che all’informatica. “Cosa determina effettivamente l’anatomia verso cui le cellule cooperano?” Si chiede Levin. “Guardate le cellule con cui abbiamo costruito i nostri xenobot e, genomicamente, sono rane. È 100% DNA di rana, ma queste non sono rane“.

Allora ti chiedi, beh, cos’altro sono in grado di costruire queste cellule?”.

Come abbiamo dimostrato, queste cellule di rana possono essere spinte a creare forme di vita 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 sostegno del programma Lifelong Learning Machines della DARPA e della National Science Foundation – credono che la costruzione degli xenobot sia un piccolo passo verso la decifrazione di quello che lui chiama il “codice morfogenetico“, fornendo una visione più profonda del modo generale in cui gli organismi sono organizzati – e come calcolano e memorizzano le informazioni in base alle loro storie e all’ambiente.

Molte persone si preoccupano delle implicazioni del rapido cambiamento tecnologico e delle complesse manipolazioni biologiche. “Questa paura non è irragionevole”, dice Levin. “Quando iniziamo a pasticciare con sistemi complessi che non capiamo, otterremo conseguenze indesiderate”. Molti sistemi complessi, come una colonia di formiche, iniziano con una semplice unità – una formica – da cui 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 nel futuro, dobbiamo capire meglio come le proprietà complesse, in qualche modo, emergano da regole semplici“, dice Levin. Gran parte della scienza si concentra sul “controllo delle regole di basso livello. Abbiamo anche bisogno di capire le regole di alto livello”, dice. “Se si volesse un formicaio con due camini invece di uno, come si fa a modificare le formiche? Non ne avremmo idea“.

Penso che sia una necessità assoluta per la società che va avanti per 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 il comportamento complessivo e come manipoliamo i pezzi per ottenere i comportamenti che vogliamo?

In altre parole, “questo studio è un contributo diretto per ottenere una gestione di ciò di cui la gente ha paura, cioè le conseguenze non volute“, dice Levin – sia nel rapido arrivo delle auto a guida autonoma, sia nel cambiamento delle unità genetiche per spazzare via intere stirpi di virus, o i molti altri sistemi complessi e autonomi che modelleranno sempre più l’esperienza umana.

Josh Bongard della UVM afferma che:

“C’è tutta questa creatività innata nella vita”. “Vogliamo capirla più profondamente – e come possiamo dirigerla e spingerla verso nuove forme”

È ammirevole tutta questa perseveranza e questi sforzi anche con il supporto del DARPA per modellare un futuro sempre più simbiotico tra biologia e tecnologia, peccato che presi dall’entusiasmo dell’innovazione stiano già adesso dimenticando che ci sono potuti arrivare perchè unità carbonio.

Fonte: Università del Vermont

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