No ano passado, uma equipe de biólogos e cientistas da computação da Tufts University e da University of Vermont (UVM) criou novas e minúsculas máquinas biológicas de autocura a partir de células de sapo chamadas “Xenobots” que podiam se mover, empurrar uma carga útil e até mesmo exibir um coletivo comportamento na presença de um enxame de outros Xenobots.
Prepare-se para o Xenobots 2.0.
A mesma equipe já criou formas de vida que se automontam em um corpo a partir de células individuais, não exigem que as células musculares se movam e até mesmo demonstram a capacidade de memória gravável. Os Xenobots da nova geração também se movem mais rápido, navegam em ambientes diferentes e têm uma vida útil mais longa do que a primeira edição, e ainda têm a capacidade de trabalhar juntos em grupos e se curar em caso de danos. Os resultados da nova pesquisa foram publicados hoje na Science Robotics
Comparado ao Xenobots 1.0, no qual os autômatos milimétricos foram construídos em uma abordagem “de cima para baixo” por colocação manual de tecido e modelagem cirúrgica da pele de sapo e células cardíacas para produzir movimento, a próxima versão do Xenobots leva uma abordagem “de baixo para cima” aproximação. Os biólogos da Tufts pegaram células-tronco de embriões da rã africana Xenopus laevis (daí o nome “Xenobots”) e permitiram que elas se montassem e se transformassem em esferóides, onde algumas das células após alguns dias se diferenciaram para produzir cílios – minúsculos projeções semelhantes a cabelos que se movem para frente e para trás ou giram de uma maneira específica. Em vez de usar células cardíacas esculpidas manualmente, cujas contrações rítmicas naturais permitiam que os Xenobots originais se movimentassem, os cílios dão aos novos bots esferoidais “pernas” para movê-los rapidamente pela superfície. Em uma rã, ou em um ser humano, os cílios normalmente seriam encontrados em superfícies mucosas, como nos pulmões, para ajudar a expulsar os patógenos e outros materiais estranhos. Nos Xenobots, eles são reaproveitados para fornecer uma locomoção rápida.
“Estamos testemunhando a notável plasticidade de coletivos celulares, que constroem um novo ‘corpo’ rudimentar que é bastante distinto de seu padrão – neste caso, um sapo – apesar de ter um genoma completamente normal”, disse Michael Levin, distinto professor de biologia e diretor do Allen Discovery Center da Tufts University e autor correspondente do estudo. “Em um embrião de rã, as células cooperam para criar um girino. Aqui, removidas desse contexto, vemos que as células podem redirecionar seu hardware codificado geneticamente, como os cílios, para novas funções, como a locomoção. É incrível que as células possam espontaneamente assumir novos papéis e criar novos planos corporais e comportamentos sem longos períodos de seleção evolutiva para essas características. ”
“De certa forma, os Xenobots são construídos como um robô tradicional. Só que usamos células e tecidos em vez de componentes artificiais para construir a forma e criar um comportamento previsível.” disse o cientista sênior Doug Blackiston, que foi o co-autor do estudo com a técnica de pesquisa Emma Lederer. “No final da biologia, esta abordagem está nos ajudando a entender como as células se comunicam enquanto interagem umas com as outras durante o desenvolvimento, e como podemos controlar melhor essas interações.”
Enquanto os cientistas da Tufts criavam os organismos físicos, os cientistas da UVM estavam ocupados executando simulações de computador que modelavam diferentes formas dos Xenobots para ver se eles exibiam comportamentos diferentes, tanto individualmente quanto em grupos. Usando o cluster de supercomputador Deep Green no Vermont Advanced Computing Core da UVM, a equipe, liderada por cientistas da computação e especialistas em robótica Josh Bongard e sob centenas de milhares de condições ambientais aleatórias usando um algoritmo evolutivo. Essas simulações foram usadas para identificar os Xenobots mais capazes de trabalhar juntos em enxames para reunir grandes pilhas de detritos em um campo de partículas.
“Nós conhecemos a tarefa, mas não é nada óbvio – para as pessoas – como um design bem-sucedido deveria ser. É aí que o supercomputador entra e pesquisa o espaço de todos os enxames de Xenobot possíveis para encontrar o enxame que faz o trabalho melhor, “diz Bongard. “Queremos que os Xenobots façam um trabalho útil. No momento, estamos lhes dando tarefas simples, mas, em última análise, pretendemos um novo tipo de ferramenta viva que possa, por exemplo, limpar microplásticos no oceano ou contaminantes no solo.”
Acontece que os novos Xenobots são muito mais rápidos e melhores em tarefas como coleta de lixo do que o modelo do ano passado, trabalhando juntos em um enxame para varrer uma placa de Petri e reunir pilhas maiores de partículas de óxido de ferro. Eles também podem cobrir grandes superfícies planas ou viajar através de capilares estreitos. Um recurso importante adicionado na atualização do Xenobot é a capacidade de registrar informações.
Agora com memoria
Uma característica central da robótica é a capacidade de registrar a memória e usar essa informação para modificar as ações e o comportamento do robô. Com isso em mente, os cientistas da Tufts projetaram os Xenobots com capacidade de leitura / gravação para registrar um bit de informação, usando uma proteína repórter fluorescente chamada EosFP, que normalmente brilha em verde. No entanto, quando exposta à luz no comprimento de onda de 390 nm, a proteína emite luz vermelha.
As células dos embriões de rã foram injetadas com codificação de RNA mensageiro para a proteína EosFP antes das células-tronco serem excisadas para criar os Xenobots. Os Xenobots maduros agora têm um interruptor fluorescente embutido que pode registrar a exposição à luz azul em torno de 390nm.
Os pesquisadores testaram a função de memória permitindo que 10 Xenobots nadassem em torno de uma superfície na qual um ponto é iluminado por um feixe de luz de 390 nm. Depois de duas horas, eles descobriram que três bots emitiram luz vermelha. O resto permaneceu em seu verde original, efetivamente registrando a “experiência de viagem” dos bots.
Essa prova de princípio da memória molecular poderia ser estendida no futuro para detectar e registrar não apenas a luz, mas também a presença de contaminação radioativa, poluentes químicos, drogas ou uma condição de doença. A engenharia adicional da função de memória pode permitir a gravação de múltiplos estímulos (mais bits de informação) ou permitir que os bots liberem compostos ou mudem o comportamento após a sensação dos estímulos.
“Quando trouxemos mais recursos para os bots, podemos usar as simulações de computador para projetá-los com comportamentos mais complexos e a capacidade de realizar tarefas mais elaboradas”, disse Bongard. “Podemos projetá-los não apenas para relatar as condições em seu ambiente, mas também para modificar e reparar as condições em seu ambiente.”
Xenobot, cura-te
“Os materiais biológicos que estamos usando têm muitos recursos que gostaríamos de implementar algum dia nos bots – as células podem atuar como sensores, motores de movimento, redes de comunicação e computação e dispositivos de gravação para armazenar informações”, disse Levin. “Uma coisa que os Xenobots e as futuras versões de bots biológicos podem fazer e que suas contrapartes de metal e plástico têm dificuldade em fazer é construir seu próprio plano corporal à medida que as células crescem e amadurecem, e então se reparam e se restauram caso sejam danificadas. A cura é natural característica dos organismos vivos, e é preservada na biologia do Xenobot. ”
Os novos Xenobots eram notavelmente hábeis na cura e fechavam a maior parte de uma laceração severa com metade de sua espessura dentro de 5 minutos após o ferimento. Todos os bots feridos foram capazes de curar a ferida, restaurar sua forma e continuar seu trabalho como antes.
Outra vantagem de um robô biológico, acrescenta Levin, é o metabolismo. Ao contrário dos robôs de metal e plástico, as células em um robô biológico podem absorver e decompor produtos químicos e funcionar como pequenas fábricas, sintetizando e excretando produtos químicos e proteínas. Todo o campo da biologia sintética – que se concentrou amplamente na reprogramação de organismos unicelulares para produzir moléculas úteis – agora pode ser explorado nessas criaturas multicelulares.
Como os Xenobots originais, os bots atualizados podem sobreviver até dez dias em seus estoques de energia embrionária e executar suas tarefas sem fontes de energia adicionais, mas também podem continuar a toda velocidade por muitos meses se mantidos em uma “sopa” de nutrientes.
O que os cientistas realmente procuram
Uma descrição envolvente dos bots biológicos e o que podemos aprender com eles é apresentada em uma palestra TED por Michael Levin (go.ted.com/michaellevin) (o link estará ao vivo em 31 de março de 2021 14h ET)
Em sua TED Talk, o professor Levin descreve não apenas o notável potencial de minúsculos robôs biológicos para realizar tarefas úteis no ambiente ou potencialmente em aplicações terapêuticas, mas também aponta o que pode ser o benefício mais valioso desta pesquisa – o uso de bots para entender como as células individuais se reúnem, se comunicam e se especializam para criar um organismo maior, como fazem na natureza para criar um sapo ou um ser humano. É um novo sistema modelo que pode fornecer uma base para a medicina regenerativa.
Os xenobots e seus sucessores também podem fornecer informações sobre como os organismos multicelulares surgiram de antigos organismos unicelulares e as origens do processamento de informações, tomada de decisão e cognição em organismos biológicos.
Reconhecendo o tremendo futuro desta tecnologia, a Tufts University e a University of Vermont estabeleceram o Institute for Computer Designed Organisms (ICDO), a ser lançado formalmente nos próximos meses, que reunirá recursos de cada universidade e fontes externas para criar vida robôs com recursos cada vez mais sofisticados.
Publicado em 01/04/2021 11h19
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