Científicos de las universidades de Vermont y Tufts han reutilizado células vivas –raspadas de embriones de rana– en formas de vida completamente nuevas, consideradas robots vivientes. Estos "xenobots" de un milímetro de ancho pueden moverse hacia un objetivo, tal vez levantar una carga útil (como un medicamento que debe llevarse a un lugar específico dentro de un paciente) y curarse a sí mismos después de ser cortados.
"Estas son máquinas vivas novedosas", dice Joshua Bongard, un experto en informática y robótica de la Universidad de Vermont, quien fue el co-líder de la nueva investigación. "No son un robot tradicional ni una especie conocida de animales. Es una nueva clase de artefactos: un organismo vivo y programable", explica en un comunicado.
Las nuevas criaturas fueron diseñadas en una supercomputadora en la Universidad de Vermont, y luego ensambladas y probadas por biólogos en la Universidad de Tufts. "Podemos imaginar muchas aplicaciones útiles de estos robots vivos que otras máquinas no pueden hacer", dice el co-líder Michael Levin, quien dirige el Centro de Biología Regenerativa y del Desarrollo en Tufts, "como buscar compuestos desagradables o contaminación radiactiva, recolectar microplásticos en los océanos, o viajar arterias raspando placas".
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Esta investigación, por primera vez, "diseña máquinas completamente biológicas desde cero", escribe el equipo en su nuevo estudio, publicado en PNAS.
Con meses de tiempo de procesamiento en el clúster de supercomputadora Deep Green en el Vermont Advanced Computing Core de UVM, el equipo, incluido el autor principal y estudiante de doctorado Sam Kriegman, utilizó un algoritmo evolutivo para crear miles de diseños candidatos para las nuevas formas de vida.
Intentando lograr una tarea asignada por los científicos, como la locomoción en una dirección, la computadora, una y otra vez, volvería a ensamblar unos cientos de células simuladas en innumerables formas y formas corporales.
A medida que se ejecutaban los programas, impulsados por reglas básicas sobre la biofísica de lo que la piel de rana y las células cardíacas pueden hacer, los organismos simulados más exitosos se mantuvieron y refinaron, mientras que los diseños fallidos se descartaron. Después de cien ejecuciones independientes del algoritmo, se seleccionaron los diseños más prometedores para la prueba, consigna EuropaPress.
Luego, el equipo de Tufts, dirigido por Levin y con el trabajo clave del microcirujano Douglas Blackiston, transfirió los diseños 'in silico' a la vida. Primero recolectaron células madre, cosechadas de los embriones de ranas africanas, la especie Xenopus laevis (de ahí el nombre de "xenobots"). Estos se separaron en células individuales y se dejaron incubar. Luego, usando unas pinzas diminutas y un electrodo aún más pequeño, las células se cortaron y unieron bajo un microscopio en una aproximación cercana de los diseños especificados por la computadora.
Ensambladas en formas corporales nunca vistas en la naturaleza, las células comenzaron a trabajar juntas. Las células de la piel formaron una arquitectura más pasiva, mientras que las contracciones una vez aleatorias de las células del músculo cardíaco se pusieron a trabajar creando un movimiento ordenado hacia adelante según lo guiado por el diseño de la computadora, y ayudado por patrones espontáneos de autoorganización, lo que permite que los robots se muevan sobre sí mismas.
Se demostró que estos organismos reconfigurables pueden moverse de manera coherente y explorar su entorno acuoso durante días o semanas, impulsados por depósitos de energía embrionaria. Sin embargo, volcados, fallaron, como escarabajos volteados sobre sus espaldas.
Pruebas posteriores mostraron que grupos de xenobots se moverían en círculos, empujando los gránulos hacia una ubicación central, de forma espontánea y colectiva. Otros fueron construidos con un agujero a través del centro para reducir la resistencia. En versiones simuladas de estos, los científicos pudieron reutilizar este agujero como una bolsa para transportar con éxito un objeto.
"Es un paso hacia el uso de organismos diseñados por computadora para la entrega inteligente de medicamentos", dice Bongard, profesor del Departamento de Ciencias de la Computación y Centro de Sistemas Complejos de la Universidad de Vermont.
Muchas tecnologías están hechas de acero, hormigón o plástico. Eso puede hacerlos fuertes o flexibles. Pero también pueden crear problemas ecológicos y de salud humana, como la creciente contaminación plástica en los océanos y la toxicidad de muchos materiales sintéticos y electrónicos. "La desventaja del tejido vivo es que es débil y se degrada", dice Bongard. "
Es por eso que usamos acero. Pero los organismos tienen 4.500 millones de años de práctica para regenerarse y continuar durante décadas". Y cuando dejan de trabajar, la muerte, generalmente se desmoronan sin causar daño. "Estos xenobots son completamente biodegradables", dice Bongard, quien agrega: "Cuando terminan su trabajo después de siete días, son solo células muertas de la piel".