Computação Biológica – Robôs vivos construídos com células de sapo

Computação Biológica

‘Xenobots’ montados a partir de célula

Pequenos ‘xenobots’ montados a partir de células prometem avanços na entrega de medicamentos para limpeza de resíduos tóxicos.

Matéria publicada em 13 de janeiro de 2020, em:

https://www.uvm.edu/uvmnews/

Robô orgânico

À esquerda, o modelo anatômico de um organismo projetado por computador, descoberto em um supercomputador UVM. À direita, o organismo vivo, construído inteiramente a partir de células da pele de sapo (verde) e do músculo cardíaco (vermelho). (Crédito: Sam Kriegman, UVM)

Dispositivos Orgânicos

As folhas de um livro são feitas de madeira, mas não são árvores.

As células mortas foram redirecionadas para atender a outra necessidade.

Agora, uma equipe de cientistas adaptou células vivas arrancadas de embriões de sapos e as reuniu em formas de vida inteiramente novas.

Robôs orgânicos

Esses “xenobots” de um milímetro de largura podem se mover em direção a um alvo, talvez para levar uma carga útil, como um medicamento por exemplo, que precisa ser transportado para um local específico dentro de um paciente.

“Essas são as novas máquinas, máquinas vivas”, diz Joshua Bongard, cientista da computação e especialista em robótica da Universidade de Vermont, que co-liderou a nova pesquisa.

“Eles não são um robô tradicional nem uma espécie conhecida de animal.

Trata-se de uma nova classe de artefato: um organismo vivo e programável”.

As novas criaturas foram projetadas em um supercomputador na UVM e depois montadas e testadas por biólogos da Universidade Tufts.

Aplicações

“Podemos imaginar muitas aplicações úteis desses robôs vivos que outras máquinas não podem fazer”, diz o co-líder Michael Levin, que dirige o Centro de Biologia Regenerativa e de Desenvolvimento da Tufts, “como pesquisar compostos ruins, prejudiciais, ​​ou contaminação radioativa e reunir microplásticos” nos oceanos, viajar nas artérias para raspar placas acumuladas”.

Sistemas vivos sob medida

As pessoas manipulam organismos para benefício humano desde, pelo menos, o início da agricultura, a edição genética está se espalhando e alguns organismos artificiais foram montados manualmente nos últimos anos copiando as formas corporais de animais conhecidos.

Mas essa pesquisa, pela primeira vez na história, “projeta máquinas completamente biológicas desde o início”, diz a equipe em seu novo estudo.

Construindo o modelo digital

Com meses de tempo de processamento no cluster de supercomputadores Deep Green no Vermont Advanced Computing Core da UVM, a equipe, incluindo o principal autor e estudante de doutorado Sam Kriegman, usou um algoritmo evolutivo para criar milhares de projetos candidatos para as novas formas de vida.

Tentando realizar uma tarefa atribuída pelos cientistas como a locomoção em uma direção, o computador remontava várias vezes as células simuladas em inúmeras formas e formatos corporais.

À medida que os programas eram executados, orientados por regras básicas sobre a biofísica do que a pele e as células cardíacas de um único sapo podem fazer, os organismos simulados com mais sucesso foram mantidos e refinados, enquanto os projetos fracassados ​​foram descartados.

Após cem execuções independentes do algoritmo, os projetos mais promissores foram selecionados para teste.

Transformando o modelo digital em organismo biológico

Em seguida, a equipe da Tufts, liderada por Levin e com trabalho importante do microcirurgião Douglas Blackiston, transformou os projetos em silício em vida.

Primeiro eles reuniram células-tronco, colhidas dos embriões de sapos africanos, a espécie Xenopus laevis.

Daí o nome “xenobots“.

Estes foram separados em células únicas e deixados para incubar.

Em seguida, usando uma pinça minúscula e um eletrodo ainda menor, as células foram cortadas e unidas ao microscópio para uma estreita aproximação dos projetos especificados pelo computador.

Reunidas em formas corporais nunca vistas na natureza, as células começaram a trabalhar juntas.

As células da pele formaram uma arquitetura mais passiva, enquanto as contrações aleatórias das células dos músculos cardíacos foram colocadas em prática, criando movimentos para frente ordenados, guiados pelo design do computador, e auxiliados por padrões espontâneos de auto-organização, permitindo que os robôs se movessem sozinhos, de forma autônoma.

Demonstrou-se que esses organismos reconfiguráveis ​​são capazes de se mover de maneira coerente e explorar seu ambiente aquoso por dias ou semanas, alimentados por reservas de energia embrionárias.

Alguns fracassaram, como besouros virados de costas para o chão.

Testes posteriores mostraram que grupos de xenobots se movimentavam em círculos, empurrando as pílulas para um local central espontânea e coletivamente.

Outros foram construídos com um orifício no centro para reduzir o arrasto ao se movimentar.

Nas versões simuladas, os cientistas foram capazes de redirecionar esse buraco como uma bolsa para transportar um objeto com sucesso.

O futuro

“É um passo em direção ao uso de organismos projetados por computador para a entrega inteligente de medicamentos”, diz Bongard, professor do Departamento de Ciência da Computação e Centro de Sistemas Complexos da UVM.

Organismo quadrúpede

Um organismo quadrúpede fabricado, com 650-750 mícrons de diâmetro, um pouco menor que uma cabeça de alfinete. (Crédito: Douglas Blackiston, Universidade Tufts.)

Tecnologias vivas

Muitas tecnologias são feitas de aço, concreto ou plástico, isso pode torná-los fortes ou flexíveis, mas eles também podem criar problemas de saúde, ecológicos e humanos, como: o flagelo crescente da poluição plástica nos oceanos e a toxicidade de muitos materiais sintéticos e eletrônicos.

“A desvantagem do tecido vivo é que ele é fraco e se degrada”, diz Bongard.

“É por isso que usamos aço, mas os organismos têm 4,5 bilhões de anos de prática em se regenerar e continuar por décadas.”

E quando eles param de trabalhar, a morte, eles geralmente se desfazem inofensivamente.

“Esses xenobots são totalmente biodegradáveis“, diz Bongard, “quando terminam o trabalho após sete dias, são apenas células mortas de pele”.

Seu laptop é uma tecnologia poderosa, mas tente cortá-lo ao meio, não funciona tão bem.

Nas novas experiências, os cientistas cortaram os xenobots e observaram o que aconteceu.

“Cortamos o robô quase pela metade e ele se costura e continua”, diz Bongard.

“E isso é algo que você não pode fazer com máquinas típicas”.

Professor Josh Bongard

Professor da Universidade de Vermont, Josh Bongard. (Foto: Joshua Brown)

Quebrando o Código

Tanto Levin quanto Bongard dizem que o potencial do que eles estão aprendendo sobre como as células se comunicam e se conectam se estende profundamente à ciência computacional e à nossa compreensão da vida.

“A grande questão da biologia é entender os algoritmos que determinam a forma e a função”, diz Levin.

“O genoma codifica proteínas, mas, aplicações transformadoras aguardam nossa descoberta de como esse hardware permite que as células cooperem para criar anatomias funcionais sob condições muito diferentes”.

Para fazer um organismo se desenvolver e funcionar, há muito compartilhamento e cooperação de informações – computação orgânica – acontecendo dentro e entre as células o tempo todo, não apenas dentro dos neurônios.

Essas propriedades geométricas e emergentes são moldadas por processos bioelétricos, bioquímicos e biomecânicos “, que rodam em hardware especificado por DNA”, diz Levin, “e esses processos são reconfiguráveis, possibilitando novas formas de vida”.

Os cientistas veem o trabalho apresentado em seu novo estudo do PNAS – “Um pipeline escalável para projetar organismos reconfiguráveis” – como um passo na aplicação de insights sobre esse código bioelétrico à biologia e à ciência da computação.

“O que realmente determina a anatomia em relação à qual as células cooperam?” Levin pergunta.

“Você olha para as células com as quais construímos nossos xenobots e genomicamente, são sapos é 100% DNA de sapo, mas não são sapos. Então você pergunta, bem, o que mais essas células são capazes de construir ? ”

“Como mostramos, essas células de sapo podem ser persuadidas a criar formas vivas interessantes que são completamente diferentes da anatomia padrão”, diz Levin.

Ele e os outros cientistas da equipe UVM e Tufts, com o apoio do programa Lifelong Learning Machines da DARPA e da National Science Foundation  acreditam que a construção dos xenobots é um pequeno passo para quebrar o que ele chama de “código morfogenético”, fornecendo uma visão mais profunda da maneira geral como os organismos são organizados e como eles calculam e armazenam informações com base em suas histórias e ambiente.

Muitas pessoas se preocupam com as implicações de rápidas nas mudanças tecnológicas e complexas manipulações biológicas.

“Esse medo não é irracional”, diz Levin.

“Quando começarmos a mexer com sistemas complexos que não entendemos, teremos consequências não intencionais”.

Muitos sistemas complexos, como uma colônia de formigas, começam com uma unidade simples, uma formiga, a partir da qual seria impossível prever o formato de sua colônia ou como eles podem construir pontes sobre a água com seus corpos interligados.

“Se a humanidade sobreviver no futuro, precisamos entender melhor como propriedades complexas emergem de regras simples”, diz Levin.

Grande parte da ciência está focada em “controlar as regras de baixo nível.

Também precisamos entender as regras de alto nível”, diz ele.

“Se você quisesse um formigueiro com duas chaminés em vez de uma, como você modifica as formigas? Não teríamos ideia.”

“Eu acho que é uma necessidade absoluta que a sociedade avance para lidar melhor com sistemas em que o resultado é muito complexo”, diz Levin.

“Um primeiro passo para fazer isso é explorar como os sistemas vivos decidem qual deve ser um comportamento geral e como manipulamos as peças para obter os comportamentos que queremos?”

Em outras palavras, “este estudo é uma contribuição direta para se controlar o que as pessoas têm medo, o que é consequências não intencionais”, diz Levin, seja na rápida chegada de carros autônomos, modificações em unidades de genes para eliminar linhagens inteiras de vírus ou muitos outros sistemas complexos e autônomos que moldarão cada vez mais a experiência humana.

“Existe toda essa criatividade inata na vida”, diz Josh Bongard, da UVM.

“Queremos entender isso mais profundamente e como podemos direcioná-lo e construir novas formas”.

Materiais selecionados pela Universidade de Vermont.

Original escrito por Joshua E. Brown.

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