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ROBÓTICA. Xenobots 2.0: los científicos crean la próxima generación de robots vivientes

 

Los Xenobots exhiben una actividad de enjambre cooperativo, en este caso trabajando juntos para juntar montones de partículas diminutas. Fuente: Doug Blackiston, Universidad de Tufts

Los organismos vivos artificiales pueden mover material en enjambres y registrar información.

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 autocurativas a partir de células de rana llamadas "Xenobots" que podían moverse, impulsar una carga útil e incluso exhibir comportamiento en presencia de un enjambre de otros Xenobots.

El mismo equipo ha creado ahora formas de vida que autoensamblan un cuerpo a partir de células individuales, no requieren que las células musculares se muevan e incluso demuestran la capacidad de la memoria registrable. Los Xenobots de nueva generación también se mueven más rápido, navegan por diferentes entornos y tienen una vida útil más larga que la primera edición, y aún tienen la capacidad de trabajar juntos en grupos y curarse a sí mismos si están dañados. Los resultados de la nueva investigación se publicaron en Science Robotics .


En comparación con Xenobots 1.0, en el que los autómatas de tamaño milimétrico se construyeron en un enfoque "de arriba hacia abajo" mediante la colocación manual de tejido y el modelado quirúrgico de la piel de rana y las células cardíacas para producir movimiento, la próxima 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 autoensamblarse y convertirse en esferoides, donde algunas de las células después de unos días se diferenciaron para producir cilios: diminutos proyecciones similares a pelos que se mueven hacia adelante y hacia atrás o giran de una manera específica. 

En lugar de utilizar células cardíacas esculpidas manualmente cuyas contracciones rítmicas naturales permitieron que los Xenobots originales se escabullen, los cilios dan a los nuevos robots esferoidales "piernas" para moverlos rápidamente a través de una superficie. En una rana, o en un humano para el caso, los cilios normalmente se encuentran 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 'cuerpo' rudimentario que es bastante distinto de su predeterminado, 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 en la Universidad de Tufts, y autor correspondiente del estudio.

“En un embrión de rana, las células cooperan para crear un renacuajo. Aquí, fuera de ese contexto, vemos que las células pueden reutilizar su hardware codificado genéticamente, como los cilios, para nuevas funciones como la locomoción. Es sorprendente 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. Solo 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 del estudio con la técnica de investigación Emma Lederer. "Desde el punto de vista biológico, este enfoque nos ayuda a comprender cómo las células se comunican mientras interactúan entre sí durante el desarrollo, y cómo podemos controlar mejor esas interacciones".


Mientras los científicos de Tufts creaban 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. Utilizando el grupo de supercomputadoras Deep Green en 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 utilizando 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 nada obvio, para las personas, cómo debería ser un diseño exitoso. Ahí es donde entra la supercomputadora y busca en el espacio de todos los enjambres de Xenobot posibles para encontrar el enjambre que hace el mejor trabajo ”, dice Bongard. “Queremos que Xenobots haga un trabajo útil. En este momento les estamos asignando tareas simples, pero en última instancia nuestro objetivo es un nuevo tipo de herramienta viviente 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 una placa de Petri y recolectar montones 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 podrían optimizar en el futuro características adicionales de los bots biológicos para comportamientos más complejos. Una característica importante agregada en la actualización de Xenobot es la capacidad de registrar información.

Ahora con memoria

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

Las células de los embriones de rana se inyectaron con ARN mensajero que codifica la proteína EosFP antes de que se escindieran las células madre para crear los Xenobots. Los Xenobots maduros ahora tienen un interruptor fluorescente incorporado que puede registrar la exposición a la luz azul alrededor de 390 nm.

Los investigadores probaron la función de la memoria al permitir que 10 Xenobots naden alrededor de una superficie en la que un punto está iluminado con un haz de luz de 390 nm. Después de dos horas, encontraron que tres robots emitían luz roja. El resto mantuvo su verde original, registrando efectivamente la "experiencia de viaje" de los bots.

Esta prueba del principio de la memoria molecular podría ampliarse en el futuro para detectar y registrar no solo la luz, sino también la presencia de contaminación radiactiva, contaminantes químicos, medicamentos o una enfermedad. Una mayor ingeniería 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 al sentir los estímulos.

"Cuando incorporamos más capacidades a los bots, podemos usar las simulaciones por computadora para diseñarlos con comportamientos más complejos y la capacidad de realizar tareas más elaboradas", dijo Bongard. "Podríamos diseñarlos potencialmente no solo para informar las condiciones en su entorno, sino también para modificar y reparar las condiciones en su entorno".

Xenobot, cúrate a ti mismo

Los materiales biológicos que se están usando tienen muchas características que los científicos buscan implementar algún día en los bots: las células pueden actuar como sensores, motores para el movimiento, redes de comunicación y computación, y dispositivos de grabación para almacenar información. Una cosa que los Xenobots y las versiones futuras de los bots biológicos pueden hacer y que sus contrapartes 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 de Xenobot.

Los nuevos Xenobots eran notablemente hábiles en la curación y cerrarían la mayoría de una laceración grave de longitud completa con la mitad de su grosor en los 5 minutos posteriores a la lesión. Todos los robots heridos pudieron finalmente curar la herida, restaurar su forma y continuar su trabajo como antes.

Otra ventaja de un robot biológico es el metabolismo. A diferencia de los robots de metal y plástico, las células de un robot biológico pueden absorber y descomponer sustancias químicas y funcionar como pequeñas fábricas que sintetizan y excretan sustancias químicas y proteínas. Todo el campo de la biología sintética, que se ha centrado principalmente en la reprogramación de organismos unicelulares para producir moléculas útiles, ahora se puede explotar en estas criaturas multicelulares.

Al igual que los Xenobots originales, los bots 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 realmente buscan los científicos

Michael Levin presenta una descripción interesante de los bots biológicos y lo que podemos aprender de ellos en una charla TED .

En su charla TED, el profesor Levin describe no solo el notable potencial de los pequeños robots biológicos para realizar 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: usar los bots para comprender 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 un ser humano. Es un nuevo sistema modelo que puede proporcionar una base para la medicina regenerativa.

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

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

Reference: “A cellular platform for the development of synthetic living machines” by Douglas Blackiston, Emma Lederer, Sam Kriegman, Simon Garnier, Joshua Bongard and Michael Levin, 31 March 2021, Science RoboticsDOI: 10.1126/scirobotics.abf1571

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