Para persistir, a vida deve se reproduzir. Ao longo de bilhões de anos, os organismos desenvolveram muitas maneiras de se replicar, de plantas em brotamento a animais sexuais e vírus invasores.
Agora os cientistas descobriram uma forma inteiramente nova de reprodução biológica – e aplicaram sua descoberta para criar os primeiros robôs vivos que se auto-reproduzem.
A mesma equipe que construiu os primeiros robôs vivos (“Xenobots”, montados a partir de células de sapo – relatado em 2020) descobriu que esses organismos projetados por computador e montados à mão podem nadar para dentro de seu minúsculo prato, encontrar células únicas, reunir centenas de eles juntos e montam Xenobots “bebês” dentro de sua “boca” em forma de Pac-Man – que, alguns dias depois, se tornam novos Xenobots que se parecem e se movem exatamente como eles próprios.
E então esses novos Xenobots podem sair, encontrar células e construir cópias de si mesmos. De novo e de novo.
“Com o design certo, eles se auto-replicarão espontaneamente”, diz Joshua Bongard, um cientista da computação e especialista em robótica da Universidade de Vermont que co-liderou a nova pesquisa.
Os resultados da nova pesquisa foram publicados em 29 de novembro de 2021 nos Proceedings of the National Academy of Sciences.
Para o desconhecido
Em uma rã Xenopus laevis, essas células embrionárias se desenvolveriam em pele. “Eles estariam sentados do lado de fora de um girino, afastando os patógenos e redistribuindo o muco”, diz Michael Levin, professor de biologia e diretor do Allen Discovery Center da Tufts University e co-líder da nova pesquisa. “Mas estamos colocando-os em um novo contexto. Estamos dando a eles a chance de reimaginar sua multicelularidade.”
E o que eles imaginam é algo muito diferente da pele. “As pessoas pensaram por muito tempo que descobrimos todas as maneiras pelas quais a vida pode se reproduzir ou replicar. Mas isso é algo que nunca foi observado antes”, disse o co-autor Douglas Blackiston, cientista sênior da Tufts University que reuniu os “pais” do Xenobot e desenvolveu a parte biológica do novo estudo.
“Isso é profundo”, diz Levin. “Essas células têm o genoma de um sapo, mas, livres de se tornarem girinos, usam sua inteligência coletiva, uma plasticidade, para fazer algo surpreendente.” Em experimentos anteriores, os cientistas ficaram surpresos com o fato de os Xenobots serem projetados para realizar tarefas simples. Agora eles estão surpresos de que esses objetos biológicos – uma coleção de células projetada por computador – se replicarão espontaneamente. “Temos o genoma completo e inalterado do sapo”, diz Levin, “mas não deu nenhuma pista de que essas células podem trabalhar juntas nessa nova tarefa” de reunir e compactar células separadas em autocópias de trabalho.
“Essas são células de rã que se replicam de uma forma muito diferente de como as rãs fazem. Nenhum animal ou planta conhecida pela ciência se replica dessa maneira”, disse Sam Kriegman, o principal autor do novo estudo, que concluiu seu doutorado. . no laboratório de Bongard na UVM e agora é um pesquisador de pós-doutorado no Allen Center da Tuft e no Instituto Wyss para Engenharia Inspirada na Biologia da Universidade de Harvard.
Por conta própria, o pai Xenobot, feito de cerca de 3.000 células, forma uma esfera. “Isso pode gerar filhos, mas o sistema normalmente morre depois disso. É muito difícil, na verdade, fazer com que o sistema continue se reproduzindo”, diz Kriegman. Mas com um programa de inteligência artificial trabalhando no cluster de supercomputador Deep Green no Vermont Advanced Computing Core da UVM, um algoritmo evolucionário foi capaz de testar bilhões de formas de corpos em simulação – triângulos, quadrados, pirâmides, estrelas do mar – para encontrar aqueles que permitissem às células ser mais eficaz na replicação “cinemática” baseada em movimento relatada na nova pesquisa.
?Pedimos ao supercomputador da UVM que descobrisse como ajustar a forma dos pais iniciais, e a IA apresentou alguns designs estranhos após meses de uso intenso, incluindo um que lembrava o Pac-Man?, disse Kriegman. “É muito não intuitivo. Parece muito simples, mas não é algo que um engenheiro humano inventaria. Por que uma boca minúscula? Por que não cinco? Enviamos os resultados para Doug e ele construiu esses Xenobots originais em forma de Pac-Man . Então aqueles pais construíram filhos, que construíram netos, que construíram bisnetos, que construíram tataranetos. ” Em outras palavras, o design certo estendeu muito o número de gerações.
A replicação cinemática é bem conhecida no nível das moléculas – mas nunca foi observada antes na escala de células ou organismos inteiros.
“Descobrimos que existe esse espaço até então desconhecido dentro dos organismos, ou sistemas vivos, e é um espaço vasto”, diz Bongard, professor da Faculdade de Engenharia e Ciências Matemáticas da UVM. “Como vamos explorar esse espaço? Encontramos Xenobots que andam. Encontramos Xenobots que nadam. E agora, neste estudo, encontramos Xenobots que se reproduzem cinematicamente. O que mais existe?”
Ou, como os cientistas escreveram no estudo Proceedings of the National Academy of Sciences: “a vida comporta comportamentos surpreendentes logo abaixo da superfície, esperando para serem descobertos”.
Respondendo ao risco
Algumas pessoas podem achar isso estimulante. Outros podem reagir com preocupação, ou mesmo terror, à noção de uma biotecnologia auto-replicante. Para a equipe de cientistas, o objetivo é um entendimento mais profundo.
?Estamos trabalhando para entender essa propriedade: a replicação. O mundo e as tecnologias estão mudando rapidamente. É importante, para a sociedade como um todo, estudarmos e entendermos como isso funciona?, diz Bongard. Essas máquinas vivas de tamanho milimétrico, inteiramente contidas em um laboratório, facilmente extintas e examinadas por especialistas em ética federais, estaduais e institucionais “não são o que me mantêm acordado à noite. O que representa risco é a próxima pandemia; danos ao ecossistema acelerados causados pela poluição ; intensificando as ameaças das mudanças climáticas “, diz Bongard da UVM. “Este é um sistema ideal para estudar sistemas autorreplicantes. Temos o imperativo moral de compreender as condições sob as quais podemos controlá-lo, direcioná-lo, apagá-lo, exagerá-lo.”
Bongard aponta para a epidemia de COVID e a busca por uma vacina. “A velocidade com que podemos produzir soluções é muito importante. Se pudermos desenvolver tecnologias, aprendendo com os Xenobots, onde podemos dizer rapidamente à IA: ‘Precisamos de uma ferramenta biológica que faça X e Y e suprima Z’, que poderia ser muito benéfico. Hoje, isso leva muito tempo. ” A equipe tem como objetivo acelerar a rapidez com que as pessoas podem ir da identificação de um problema à geração de soluções – “como a implantação de máquinas vivas para retirar microplásticos de cursos de água ou construir novos medicamentos”, diz Bongard.
“Precisamos criar soluções tecnológicas que cresçam na mesma proporção dos desafios que enfrentamos”, diz Bongard.
E a equipe vê uma promessa na pesquisa de avanços na medicina regenerativa. “Se soubéssemos como dizer a coleções de células para fazer o que queríamos que fizessem, isso seria medicina regenerativa – essa é a solução para lesões traumáticas, defeitos de nascença, câncer e envelhecimento”, diz Levin. “Todos esses problemas diferentes estão aqui porque não sabemos como prever e controlar quais grupos de células vão construir. Xenobots são uma nova plataforma para nos ensinar.”
Publicado em 01/12/2021 01h37
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