Esta investigación, por primera vez, «diseña máquinas completamente biológicas desde cero«, escribe el equipo en su nuevo estudio publicado esta semana en la revista PNAS.

El equipo compuesto por investigadores de la Universidad de Vermont (UVM) y la Universidad Tufts utilizó células vivas provenientes de la rana de uñas africana (Xenopus laevis): células de su corazón y las de su piel.

Las nuevas criaturas, llamadas «xenobots» fueron diseñadas en una supercomputadora Deep Green en el Vermont Advanced Computing Core en la UVM, y luego ensambladas y probadas por biólogos en la Universidad de Tufts. 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.

Cómo lo hicieron

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.

Diseño y fabricación de organismos reconfigurables. Imagen: PNAS

Como puede verse en la imagen: Un objetivo de comportamiento (ej. maximizar el desplazamiento), junto con los bloques estructurales [vóxeles contráctiles del corazón (rojo) y pasivos de la piel (cian)] son suministrados a un algoritmo evolutivo. El algoritmo desarrolla una población inicialmente aleatoria y devuelve el mejor diseño, es decir, el algoritmo ‘escoge‘ los diseños más adecuados para esa tarea u objetivo específico.

Después, el equipo de Tufts, dirigido por Michael Levin, quien dirige el Centro de Biología Regenerativa y del Desarrollo en Tufts, y con el trabajo clave del microcirujano Douglas Blackiston, transfirieron los diseños in silico a la vida.

Primero recolectaron células madre, cosechadas de los embriones de las ranas africanas. 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.

Estos «xenobots» de un milímetro de ancho, son entonces, 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 a los robots 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.

«Podemos imaginar muchas aplicaciones útiles de estos robots vivos que otras máquinas no pueden hacer«. «Podrían buscar compuestos desagradables o contaminación radiactiva, recolectar microplásticos en los océanos, o bien viajando en las arterias para raspar las placas de colesterol (arterosclerosis)«, comenta Levin.

Tecnología viva

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 el creciente problema de la 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 Josh Bongard, profesor del Departamento de Ciencias de la Computación y del Centro de Sistemas Complejos de la UVM. «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 (cuando mueren) generalmente se desmoronan sin causar daño. «Estos xenobots son completamente biodegradables«, dice Bongard, «cuando terminan su trabajo después de siete días, son solo células muertas de la piel«.

Además, los xenobots tienen la capacidad de regenerarse. «Cortamos el robot casi por la mitad y se cose de nuevo y continúa con sus tareas«, dice Bongard. «Esto es algo que no puedes hacer con las máquinas típicas».

Descifrando el código

Tanto Levin como Bongard dicen que el potencial de lo que han estado aprendiendo sobre cómo las células se comunican y se conectan se extiende tanto en la ciencia computacional como en nuestra comprensión de la vida.

Para hacer que un organismo se desarrolle y funcione, hay mucho intercambio de información y cooperación (computación orgánica) que se realiza dentro y entre las células todo el tiempo, no solo dentro de las neuronas. Estas propiedades emergentes y geométricas están conformadas por procesos bioeléctricos, bioquímicos y biomecánicos, «que se ejecutan en un ‘hardware‘ específico, el ADN«, dice Levin, «y estos procesos son reconfigurables, permitiendo nuevas formas de vida«.

Los científicos ven el trabajo presentado en su nuevo estudio como ‘una posibilidad escalable para diseñar organismos reconfigurables‘.

¿Qué determina realmente la anatomía hacia la cual cooperan las células?, pregunta Levin, «como hemos demostrado, estas células de rana pueden ser inducidas a crear formas vivas interesantes que son completamente diferentes de lo que sería su anatomía predeterminada«, dice el científico.

El equipo cree que construir los xenobots es un pequeño paso para descifrar lo que él llama el «código morfogenético», proporcionando una visión más profunda de la forma general en que se organizan los organismos, y cómo calculan y almacenan la información en función de sus historias y entorno.

Muchas personas se preocupan por las implicaciones del cambio tecnológico rápido y las manipulaciones biológicas complejas. «Ese miedo no es irrazonable», dice Levin. «Cuando comenzamos a jugar con sistemas complejos que no entendemos, vamos a tener consecuencias no deseadas«. Muchos sistemas complejos, como una colonia de hormigas, comienzan con una unidad simple; pero a partir de una hormiga, sería imposible predecir la forma de su colonia o cómo pueden construir puentes sobre el agua con sus cuerpos interconectados.

«Si la humanidad va a sobrevivir en el futuro, necesitamos comprender mejor cómo las propiedades complejas, de alguna manera, emergen de reglas simples«, dice Levin. Gran parte de la ciencia se centra en «controlar las reglas de bajo nivel. También necesitamos comprender las reglas de alto nivel«, dice. «Si quisieras un hormiguero con dos chimeneas en lugar de una, ¿cómo modificarías las hormigas? No tendríamos idea».

En otras palabras, «este estudio es una contribución directa para controlar lo que la gente teme, lo cual son consecuencias no deseadas«, dice Levin.

Fuente: Universidad de Vermont

Artículo: «A scalable pipeline for designing reconfigurable organisms«. PNAS.

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UNAM Global

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