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CIENCIA. Xenobots: los científicos construyen los primeros robots vivos que pueden reproducirse

 

Un organismo "padre" diseñado por IA (forma de C; rojo) junto a las células madre que se han comprimido en una bola ("descendencia"; verde). Fuente: Douglas Blackiston y Sam Kriegman

Los Xenobots diseñados por IA revelan una forma completamente nueva de autorreplicación biológica, prometedora para la medicina regenerativa.

Para persistir, la vida debe reproducirse. Durante miles de millones de años, los organismos han desarrollado muchas formas de replicarse, desde plantas en ciernes hasta animales sexuales y virus invasores.

Ahora los científicos han descubierto una forma completamente nueva de reproducción biológica y han aplicado su descubrimiento para crear los primeros robots vivientes autorreplicantes.

El mismo equipo que construyó los primeros robots vivientes ha descubierto que estos organismos diseñados por computadora y ensamblados a mano pueden nadar hacia su pequeño plato, encontrar células individuales, recolectar cientos de juntos, y ensamblar Xenobots "bebés" dentro de su "boca" en forma de Pac-Man - que, unos días después, se convierten en nuevos Xenobots que se ven y se mueven como ellos mismos.

Y luego estos nuevos Xenobots pueden salir, encontrar células y construir copias de sí mismos. Una y otra vez.

Los resultados de la nueva investigación se publicaron el 29 de noviembre de 2021 en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias .


Hacia lo desconocido

En una rana Xenopus laevis, estas células embrionarias se convertirían en piel. "Estarían sentados en el exterior de un renacuajo, manteniendo fuera a los patógenos y redistribuyendo la mucosidad", dice Michael Levin, profesor de biología y director del Allen Discovery Center en la Universidad de Tufts y co-líder de la nueva investigación. “Pero los estamos poniendo en un contexto novedoso. Les estamos dando la oportunidad de reinventar su multicelularidad ".

Y lo que imaginan es algo muy diferente a la piel. “La gente ha pensado durante bastante tiempo que hemos descubierto todas las formas en que la vida puede reproducirse o replicarse. Pero esto es algo que nunca se había observado antes ”, dice el coautor Douglas Blackiston, científico principal de la Universidad de Tufts que reunió a los“ padres ”de Xenobot y desarrolló la parte biológica del nuevo estudio.

"Hemos descubierto que existe este espacio previamente desconocido dentro de los organismos o sistemas vivos, y es un espacio vasto". Josh Bongard

Estas células tienen el genoma de una rana, pero, liberadas de convertirse en renacuajos, usan su inteligencia colectiva, una plasticidad, para hacer algo asombroso. En experimentos anteriores, los científicos se sorprendieron de que los Xenobots pudieran diseñarse para lograr tareas simples. Ahora están asombrados de que estos objetos biológicos, una colección de células diseñada por computadora, se replicarán espontáneamente. Estas son células de rana que se replican de una manera muy diferente a cómo lo hacen las ranas. Ningún animal o planta conocida por la ciencia se replica de esta manera .

Los organismos diseñados por IA (en forma de C) empujan las células madre sueltas (blancas) en pilas a medida que se mueven por su entorno. Fuente: Douglas Blackiston y Sam Kriegman

Por sí solo, el padre Xenobot, compuesto por unas 3.000 células, forma una esfera. Estos pueden tener hijos, pero luego el sistema normalmente desaparece después de eso. De hecho, es muy difícil lograr que el sistema se siga reproduciendo. Pero con un programa de inteligencia artificial que trabaja en el cúmulo de supercomputadoras Deep Green en Vermont Advanced Computing Core de UVM, un algoritmo evolutivo pudo probar miles de millones de formas corporales en simulación (triángulos, cuadrados, pirámides, estrellas de mar) para encontrar aquellas que permitieran a las células ser más eficaces en la replicación "cinemática" basada en el movimiento.

Es muy poco intuitivo. Parece muy simple, pero no es algo que se le ocurriera a un ingeniero humano. ¿Por qué una boca diminuta? ¿Por qué no cinco? Una vez construidos los Xenobots padres con forma de Pac-Man, éstos generaron hijos, quienes construyeron nietos, quienes construyeron bisnietos, quienes construyeron tataranietos. En otras palabras, el diseño correcto amplió enormemente el número de generaciones.

Un organismo "padre" diseñado por IA y con forma de Pac-Man (en rojo) junto a las células madre que se han comprimido en una bola: la "descendencia" (verde). Fuente: Douglas Blackiston y Sam Kriegman

La replicación cinemática es bien conocida a nivel de moléculas, pero nunca antes se había observado a escala de células u organismos completos.

Los científicos han descubierto que existe ese espacio previamente desconocido dentro de los organismos o sistemas vivos, y es un espacio vasto. ¿Cómo explorar ese espacio? Encontrados Xenobots que caminan y que nadan, ahora, en este estudio, han encontrado Xenobots que se replican cinemáticamente. ¿Qué más hay?"

O, como escriben los científicos en el estudio Proceedings of the National Academy of Sciences : "la vida alberga comportamientos sorprendentes justo debajo de la superficie, a la espera de ser descubierta".

A medida que los "padres" de Xenobot con forma de Pac-man se mueven por su entorno, recolectan células madre sueltas en sus "bocas" que, con el tiempo, se agregan para crear "descendientes" de Xenobots que se desarrollan para parecerse a sus creadores. Fuente: Doug Blackiston y Sam Kriegman

 El equipo investigador tiene como objetivo acelerar la rapidez con que las personas pueden pasar de identificar un problema a generar soluciones, como desplegar máquinas vivas para extraer microplásticos de las vías fluviales o construir nuevos medicamentos y avances hacia la medicina regenerativa.  Los Xenobots son una nueva plataforma para enseñarnos.

Fuentes: “Kinematic self-replication in reconfigurable organisms” by Sam Kriegman, Douglas Blackiston, Michael Levin, and Josh Bongard, 29 November 2021. DOI: 10.1073/pnas.2112672118

“A scalable pipeline for designing reconfigurable organisms” by Sam Kriegman, Douglas Blackiston, Michael Levin and Josh Bongard, 13 January 2020, Proceedings of the National Academy of SciencesDOI: 10.1073/pnas.1910837117

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