Los xenobots exhiben actividad de enjambre cooperativo, en este caso trabajando juntos para reunir montones de partículas diminutas. Crédito: Doug Blackiston, Universidad de Tufts

El año pasado, un equipo de biólogos e informáticos de la Universidad de Tufts y la Universidad de Vermont (UVM) creó nuevas y diminutas máquinas biológicas autocurables a partir de células rana llamadas «Xenobots» que podían moverse, empujar una carga útil e incluso exhibir un comportamiento colectivo en presencia de un enjambre de otros xenobots.

Prepárate para Xenobots 2.0.

El mismo equipo ahora ha creado formas de vida que se autoensamblan un cuerpo a partir de células individuales,no requieren células musculares para moverse, e incluso demuestran la capacidad de la memoria grabable. Los Xenobots de nueva generación también se mueven más rápido, navegan por diferentes entornosy tienen una vida útil más larga que la primera edición, y todavía tienen la capacidad de trabajar juntos en grupos y curarse a sí mismos si se dañan. Los resultados de la nueva investigación fueron publicados hoy en Science Robotics

En comparación con Xenobots 1.0, en el que los autómatas de tamaño milimétrico fueron construidos en un enfoque de «arriba hacia abajo» mediante la colocación manual de tejido y la formación quirúrgica de piel de rana y células cardíacas para producir movimiento, la siguiente versión de Xenobots toma un enfoque de «abajo hacia arriba». Los biólogos de Tufts tomaron células madre de embriones de la rana africana Xenopus laevis (de ahí el nombre «Xenobots») y les permitieron autoensamblar y crecer en esferoides, donde algunas de las células después de unos días se diferenciaron para producir cilios, diminutas proyecciones similares al cabello que se mueven de un lado a otro o giran de una manera específica. En lugar de usar células cardíacas esculpidas manualmente cuyas contracciones rítmicas naturales permitieron a los Xenobots originales escabullrse, los cilios dan a los nuevos robots esferoidales «patas» para moverlos rápidamente a través de una superficie. En una rana, o humana para el caso, los cilios normalmente se encontrarían en superficies mucosas, como en los pulmones, para ayudar a expulsar patógenos y otros materiales extraños. En los Xenobots, se reutilizan para proporcionar una locomoción rápida.

«Estamos siendo testigos de la notable plasticidad de los colectivos celulares, que construyen un nuevo y rudimentario ‘cuerpo’ que es bastante distinto de su defecto , en este caso, una rana , a pesar de tener un genoma completamente normal», dijo Michael Levin, Profesor Distinguido de Biología y director del Allen Discovery Center de la Universidad de Tufts, y autor correspondiente del estudio. «En un embrión de rana, las células cooperan para crear un renacuajo. Aquí, eliminados de ese contexto, vemos que las células pueden reutilizar su hardware genéticamente codificado, como los cilios, para nuevas funciones como la locomoción. Es increíble que las células puedan asumir espontáneamente nuevos roles y crear nuevos planes y comportamientos corporales sin largos períodos de selección evolutiva para esas características».

«En cierto modo, los Xenobots están construidos como un robot tradicional. Sólo usamos células y tejidos en lugar de componentes artificiales para construir la forma y crear un comportamiento predecible», dijo el científico senior Doug Blackiston, coautor primero del estudio con la técnica de investigación Emma Lederer. «En el extremo biología, este enfoque nos está ayudando a entender cómo las células se comunican a medida que interactúan entre sí durante el desarrollo, y cómo podríamos controlar mejor esas interacciones.»

Mientras que los científicos de Tufts crearon los organismos físicos, los científicos de uvm estaban ocupados ejecutando simulaciones por computadora que modelaban diferentes formas de los Xenobots para ver si podían exhibir diferentes comportamientos, tanto individualmente como en grupos. Usando el clúster de superordenadores Deep Green en el Vermont Advanced Computing Core de UVM, el equipo, dirigido por científicos informáticos y expertos en robótica Josh Bongard y bajo cientos de miles de condiciones ambientales aleatorias usando un algoritmo evolutivo. Estas simulaciones se utilizaron para identificar a los xenobots más capaces de trabajar juntos en enjambres para reunir grandes pilas de escombros en un campo de partículas.

«Conocemos la tarea, pero no es en absoluto obvio ,para la gente, cómo debería ser un diseño exitoso. Ahí es donde entra la supercomputadora y busca en el espacio de todos los enjambres xenóbot posibles para encontrar el enjambre que mejor hace el trabajo», dice Bongard. «Queremos que xenobots hagan un trabajo útil. En este momento les estamos dando tareas simples, pero en última instancia estamos apuntando a un nuevo tipo de herramienta de vida que podría, por ejemplo, limpiar microplásticos en el océano o contaminantes en el suelo».

Resulta que los nuevos Xenobots son mucho más rápidos y mejores en tareas como la recolección de basura que el modelo del año pasado, trabajando juntos en un enjambre para barrer a través de una placa de Petri y reunir pilas más grandes de partículas de óxido de hierro. También pueden cubrir grandes superficies planas, o viajar a través de capilares estrechos. Estos estudios también sugieren que las simulaciones en silico podrían en el futuro optimizar características adicionales de los bots biológicos para comportamientos más complejos. Una característica importante añadida en la actualización de Xenobot es la capacidad de registrar información.

Ahora con la memoria

Una característica central de la robótica es la capacidad de grabar memoria y utilizar esa información para modificar las acciones y el comportamiento del robot. Con esto en mente, los científicos de Tufts diseñaron a los Xenobots con una capacidad de lectura y escritura para grabar un poco de información, utilizando una proteína de reportero fluorescente llamada EosFP, que normalmente brilla en verde. Sin embargo, cuando se expone a la luz a 390nm longitud de onda, la proteína emite luz roja en su lugar.

Las células de los embriones de rana fueron inyectadas con codificación de ARN mensajero para la proteína EosFP antes de que las células madre fueran expulsadas para crear los Xenobots. Los xenobots maduros ahora tienen un interruptor fluorescente incorporado que puede registrar la exposición a la luz azul alrededor de 390nm.

Los investigadores probaron la función de memoria al permitir que 10 xenobots nadan alrededor de una superficie en la que se ilumina un punto con un haz de luz de 390nm. Después de dos horas, encontraron que tres robots emitían luz roja. El resto siguió siendo su verde original, registrando efectivamente la «experiencia de viaje» de los robots.

Esta prueba de principio de memoria molecular podría extenderse en el futuro para detectar y registrar no sólo la luz, sino también la presencia de contaminación radiactiva, contaminantes químicos, medicamentos o una enfermedad. Una ingeniería adicional de la función de memoria podría permitir la grabación de múltiples estímulos (más bits de información) o permitir que los bots liberen compuestos o cambien el comportamiento tras la sensación de estímulos.

«Cuando aportamos más capacidades a los bots, podemos utilizar las simulaciones por computadora para diseñarlas con comportamientos más complejos y la capacidad de llevar a cabo tareas más elaboradas», dijo Bongard. «Potencialmente podríamos diseñarlas no sólo para reportar las condiciones en su entorno, sino también para modificar y reparar las condiciones en su entorno.»

Xenobot, sanate a ti mismo

«Los materiales biológicos que estamos utilizando tienen muchas características que nos gustaría implementar algún día en los bots: las células pueden actuar como sensores, motores para redes de movimiento, comunicación y computación, y dispositivos de grabación para almacenar información», dijo Levin. «Una cosa que los Xenobots y las versiones futuras de los robots biológicos pueden hacer que sus homólogos de metal y plástico tienen dificultades para hacer es construir su propio plan corporal a medida que las células crecen y maduran, y luego repararse y restaurarse si se dañan. La curación es una característica natural de los organismos vivos, y se conserva en la biología xenobot.»

Los nuevos Xenobots fueron notablemente hábiles en la curación y cerrarían la mayoría de una severa laceración de longitud completa la mitad de su grosor dentro de los 5 minutos de la lesión. Todos los robots heridos fueron capaces de finalmente sanar la herida, restaurar su forma y continuar su trabajo como antes.

Otra ventaja de un robot biológico, añade Levin, es el metabolismo. A diferencia de los robots metálicos y plásticos, las células de un robot biológico pueden absorber y descomponer productos químicos y trabajar como pequeñas fábricas sintetizando y excretando productos químicos y proteínas. Todo el campo de la biología sintética, que se ha centrado en gran medida en reprogramar organismos unicelulares para producir moléculas útiles, ahora puede ser explotado en estas criaturas multicelulares.

Al igual que los Xenobots originales, los robots actualizados pueden sobrevivir hasta diez días en sus reservas de energía embrionaria y ejecutar sus tareas sin fuentes de energía adicionales, pero también pueden continuar a toda velocidad durante muchos meses si se mantienen en una «sopa» de nutrientes.

Lo que los científicos realmente buscan

Una descripción atractiva de los bots biológicos y lo que podemos aprender de ellos se presenta en una charla TED de Michael Levin (go.ted.com/michaellevin) (enlace será en vivo el 31 de marzo de 2021 2pm ET)

En su TED Talk, el profesor Levin describe no sólo el notable potencial de los pequeños robots biológicos para llevar a cabo tareas útiles en el medio ambiente o potencialmente en aplicaciones terapéuticas, sino que también señala cuál puede ser el beneficio más valioso de esta investigación, utilizando los robots para entender cómo las células individuales se unen, se comunican y se especializan para crear un organismo más grande , como lo hacen en la naturaleza para crear una rana o humano. Es un nuevo sistema de modelos que puede proporcionar una base para la medicina regenerativa.

Los xenobots y sus sucesores también pueden proporcionar información sobre cómo los organismos multicelulares surgieron de antiguos organismos unicelulares, y los orígenes del procesamiento de la información, la toma de decisiones y la cognición en los organismos biológicos.

Reconociendo el tremendo futuro de esta tecnología, la Universidad tufts y la Universidad de Vermont han establecido el Instituto de Organismos Diseñados por Computadora (ICDO), que se lanzará formalmente en los próximos meses, lo que reunirá recursos de cada universidad y fuentes externas para crear robots vivos con capacidades cada vez más sofisticadas.

https://www.periodicoelnuevomundo.com/2021/03/cientificos-crean-la-proxima-generacion.html