HACKEAR SAPO

“XENOBOTS” DE AUTOCURA SIGNIFICAM UM FUTURO COM MÁQUINAS VIVAS

Anna Funk – Inverse

Capa: Os Xenobots exibiram o que os cientistas chamam de atividade cooperativa. Doug Blackiston, Tufts University

As “máquinas biológicas” redefinem o que os cientistas consideram vida.

CEM ANOS ATRÁS, era fácil dizer quando algo era uma máquina, máquinas eram “pesado duro e CLANKY, metálico, e bonita”, como biólogo do desenvolvimento Michael Levin diz na revista Inverse.

Mas, ultimamente, ficou claro para Levin e seu colaborador Joshua Bongard, professor de ciência da computação na Universidade de Vermont, que nossas definições de “máquina” e “organismo vivo” estão prestes a ficar muito, muito obscuras.

Em janeiro de 2020, os dois primeiros chegaram às manchetes depois de anunciar que sua equipe havia criado com sucesso ” máquinas completamente biológicas “. 

Agora, Levin e Bongard levaram suas máquinas biológicas, ou “Xenobots“, para o próximo nível – usando células de sapo para criar formas de vida capazes de movimento, memória e manipulação do mundo ao seu redor.

Esses resultados incríveis foram publicados quarta-feira na revista Science Robotics.

O PANO DE FUNDO – As máquinas biológicas de 2020 foram projetadas em simulações de computador, depois construídas em placas de Petri usando micro-bisturis e tecidos biológicos vivos – células de pele e músculos colhidas de embriões da rã africana com garras, Xenopus laevisEm outras palavras, eles são projetados como alguém projetaria um robô, mas as matérias-primas são células 100% vivas.

Os Xenobots foram projetados para exibir atividade de “enxame”. Doug Blackiston, Tufts University

Levin e Bongard pousaram em um design que lembra o cão que virou otomano de A Bela e a Fera que, uma vez esculpido em forma, na verdade contraiu suas células musculares e atravessou o prato. Eles chamaram suas criações vivas de Xenobots (pronuncia-se zenno-bot), em homenagem ao sapo que doou suas células.

“Já naquele primeiro artigo mostramos algumas criaturas cuja história evolutiva ocorreu em um computador”, diz Levin, professor da Tufts University.

“Eles tinham uma história evolutiva, simplesmente não era na Terra. Foi neste mundo totalmente virtual que Josh Bongard codificou. ”

Algumas semanas atrás, Bongard publicou sua nova teoria sobre se ainda é útil usar a metáfora de que os seres vivos são como máquinas (spoiler: não é). No mais recente avanço do bot da equipe, não há necessidade de esculpir. Os novos Xenobots não são otomanos, são esferas. E eles não têm células musculares, são todos pele. Mas eles ainda se movem muito bem.

O QUE HÁ DE NOVO – a pele de um sapo Xenopus é coberta por cílios, estruturas minúsculas em forma de cabelo, que redistribuem o muco pela pele. É uma adaptação para manter bactérias e fungos afastados. Quando você junta as células embrionárias da pele, elas se conglomeram em pequenas esferas com os cílios do lado de fora.

A equipe descobriu que os cílios neste novo Xenobot “trabalham em conjunto para que a coisa possa seguir em frente”, diz Levin. “Eles começam a remar e a coisa se move. ”

Os pesquisadores também testaram para ver se eles poderiam configurar os Xenobots com uma forma de memória rudimentar. Eles injetaram RNA que codifica uma proteína que muda de cor quando é exposta a uma determinada cor de luz. Funcionou: os bots produziram as proteínas e ficou claro quais bots “viram” a luz quando voltaram com uma cor diferente.

“É uma prova de princípio que podemos modificar as células para incorporar outras coisas que lhes deem novas funcionalidades”, diz Levin. “A biologia sintética hoje em dia é toda ‘sopa de células’, são todas células em cultura. Agora eles podem ser incorporados – nós temos um corpo no qual você pode colocar todos esses tipos de circuitos. ”

A equipe também estava interessada em como os Xenobots agiriam como um grupo. Bongard executou mais simulações computacionais para tentar prever o que aconteceria quando você deixasse os bots em uma arena com um monte de partículas. Como o movimento dos bots redistribuiria as partículas? Você pode fazer com que eles se transformem em pilhas?

Foi um processo iterativo, medindo as propriedades dos Xenobots, colocando os dados na simulação de computador para fazer previsões, depois testando essas previsões nos bots e medindo novamente. “É simulação, experimento, simulação, experimento e, com sorte, estarmos um pouco mais inteligentes a cada vez”, diz Levin.

POR QUE ISSO É IMPORTANTE – EM termos práticos, os Xenobots poderiam ter aplicações como nadar na corrente sanguínea e desobstruir artérias. Mas Levin está mais animado com o quadro geral.

Quando os Xenobots crescem ao longo de sua curta vida de 10 dias, eles se alongam e se tornam transparentes.

“Eles quase parecem fantasmas”, diz Levin. “E não é nada que você pudesse ter previsto, eles não parecem embriões de rã, não parecem girinos. Eles têm sua própria sequência de desenvolvimento totalmente nova. ”

É um tipo totalmente novo de organismo modelo, explica Levin, que nos ajudará a entender como as células constroem estruturas e como podemos “motivá-las” a fazer coisas diferentes além de seu padrão genético – sem necessidade de engenharia genética.

A maioria dos problemas da medicina moderna desapareceria … se entendêssemos como fazer as células construírem tudo o que queremos que elas construam”, diz ele.

Quando questionado sobre se essa configuração de células ciliadas pode se mover foi apenas um acidente, Levin rebateu a pergunta. Ele diz que muitas pessoas não levam a evolução a sério o suficiente.

“Nossas próprias propriedades cognitivas complexas evoluíram de versões mais humildes e simples dessas mesmas propriedades em outros organismos [anteriores]”, diz ele.

“[Os Xenobots] estão usando a física para reaproveitar seus mecanismos de uma forma que possa ser explicada pela química e pela física? Claro que eles estão, não há mágica. Mas é o mesmo para nós. Quando caminhamos, estamos usando a eletricidade das redes elétricas em nossos cérebros para ativar nossos músculos. Isso não significa que seja menos maravilhoso. ”

“As pessoas são muito binárias nas coisas. Eles dizem que é um robô ou um organismo? Sim e sim ”, diz Levin. “Essas classificações binárias não servem mais. ”

QUAL é O PRÓXIMO? – Levin e sua equipe estão avançando em seus experimentos, incluindo células de fontes além das rãs. Ele é movido por sua curiosidade sobre como grupos de células trabalham juntos para formar uma espécie de inteligência coletiva – assim como nosso cérebro humano.

“Esse é um problema que me mantém acordado desde que eu era criança”, diz ele. “Como a estrutura do corpo se relaciona com a mente que vive lá de alguma forma? ”

À medida que esses bots vivos ficam cada vez mais complexos, a sociedade terá que lidar com o que significa ser cognitivo. Levin imagina um futuro saído de um filme de ficção científica – um que desafiará a forma como vemos a cognição e o que devemos eticamente às nossas criações.

“Em nossa vida, estaremos cercados por uma incrível quantidade de novos agentes que são híbridos estranhos e ciborgues e robôs com tecido vivo incorporado e [vice-versa] – cada combinação sob o sol estará rodando em algum lugar, ”Diz Levin.

Resumo:

Os enxames de robôs foram, até o momento, construídos com materiais artificiais. Construções biológicas móveis foram criadas a partir de células musculares cultivadas em estruturas de formato preciso. No entanto, a exploração da auto-organização emergente e da plasticidade funcional em uma máquina viva autodirigida, continua sendo um grande desafio. 

Relatamos aqui um método para geração de robôs biológicos in vitro a partir de rãs (Xenopus laevis) células, esses xenobôs exibem locomoção coordenada por meio de cílios presentes em sua superfície. Esses cílios surgem por meio de padronização de tecido normal e não requerem métodos de construção complicados ou edição genômica, tornando a produção acessível para projetos de alto rendimento. 

Os robôs biológicos surgem por auto-organização celular e não requerem andaimes ou microimpressão; as células anfíbias são altamente passíveis de estimulação cirúrgica, genética, química e óptica durante o processo de automontagem. 

Mostramos que os Xenobots podem navegar em ambientes aquosos de diversas maneiras, curar após danos e mostrar comportamentos emergentes em grupo. Construímos um modelo computacional para prever comportamentos coletivos úteis que podem ser eliciados de um enxame de xenobôs. 

Além disso, nós fornecemos a prova de princípio para uma memória molecular gravável usando uma proteína fotoconvertível que pode registrar a exposição a um comprimento de onda de luz específico. Juntos, esses resultados apresentam uma plataforma que pode ser usada para estudar muitos aspectos de automontagem, comportamento de enxame e bioengenharia sintética, bem como fornecer máquinas vivas versáteis e de corpo macio para inúmeras aplicações práticas em biomedicina e no meio ambiente.

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