L’anno scorso, un team di biologi e scienziati informatici della Tufts University e dell’Università del Vermont (UVM) ha creato nuove, minuscole macchine biologiche autorigeneranti da cellule di rana chiamate “Xenobot” che potrebbero muoversi, spingere un carico utile e persino esibire collettivamente:
La stessa squadra ha ora creato forme di vita che autoassemblano un corpo da singole cellule, non richiedono che le cellule muscolari si muovano e dimostrano persino la capacità di memoria registrabile. Gli Xenobot di nuova generazione si muovono anche più velocemente, navigano in ambienti diversi e hanno una durata di vita più lunga rispetto alla prima edizione, e hanno ancora la capacità di lavorare insieme in gruppi e guarire se stessi se danneggiati. I risultati della nuova ricerca sono stati pubblicati su Science Robotics. Rispetto a Xenobots 1.0, in cui gli automi di dimensioni millimetriche sono stati costruiti con un approccio “top down” mediante posizionamento manuale di tessuti e modellazione chirurgica della pelle di rana e delle cellule cardiache per produrre movimento, la versione “2.0” di Xenobots adotta un approccio “bottom up”. I biologi di Tufts hanno prelevato cellule staminali da embrioni della rana africana Xenopus laevis (da cui il nome “Xenobots”) e hanno permesso loro di autoassemblarsi e crescere in sferoidi, dove alcune cellule dopo pochi giorni si sono differenziate per produrre ciglia – minuscole proiezioni simili a capelli che si muovono avanti e indietro o ruotano in un modo specifico. Invece di utilizzare cellule cardiache scolpite manualmente le cui contrazioni ritmiche naturali hanno permesso agli Xenobot originali di muoversi velocemente, le ciglia danno ai nuovi robot “gambe” sferoidali per spostarli rapidamente su una superficie. In una rana, o umano se è per questo, le ciglia si trovano normalmente sulle superfici mucose, come nei polmoni, per aiutare a spingere fuori gli agenti patogeni e altro materiale estraneo. Sugli Xenobot, vengono riproposti per fornire una locomozione rapida:
“Stiamo assistendo alla notevole plasticità dei collettivi cellulari, che costruiscono un nuovo ‘corpo’ rudimentale che è abbastanza distinto dal loro predefinito – in questo caso, una rana – nonostante abbiano un genoma completamente normale”, ha affermato Michael Levin, illustre professore di biologia e direttore dell’Allen Discovery Center della Tufts University e corrispondente autore dello studio. “In un embrione di rana, le cellule cooperano per creare un girino. Qui, rimosso da quel contesto, vediamo che le cellule possono riutilizzare il loro hardware codificato geneticamente, come le ciglia, per nuove funzioni come la locomozione. È sorprendente che le cellule possano assumere spontaneamente nuovi ruoli e creare nuovi piani e comportamenti corporei senza lunghi periodi di selezione evolutiva per quelle caratteristiche”. “In un certo senso, gli Xenobot sono costruiti in modo molto simile a un robot tradizionale. Solo usiamo cellule e tessuti piuttosto che componenti artificiali per costruire la forma e creare comportamenti prevedibili“. ha detto lo scienziato senior Doug Blackiston, che ha co-autore dello studio con il tecnico di ricerca Emma Lederer. “Dal punto di vista della biologia, questo approccio ci sta aiutando a capire come le cellule comunicano mentre interagiscono tra loro durante lo sviluppo e come potremmo controllare meglio queste interazioni”.
Mentre gli scienziati di Tufts creavano gli organismi fisici, gli scienziati dell’UVM erano impegnati a eseguire simulazioni al computer che modellavano diverse forme degli Xenobot per vedere se potevano esibire comportamenti diversi, sia individualmente che in gruppo. Utilizzando il cluster di supercomputer Deep Green presso il Vermont Advanced Computing Core di UVM , il team, guidato dagli scienziati informatici e dagli esperti di robotica Josh Bongard e Sam Kriegman, ha simulato gli Xenbot in centinaia di migliaia di condizioni ambientali casuali utilizzando un algoritmo evolutivo. Queste simulazioni sono state utilizzate per identificare gli Xenobot più in grado di lavorare insieme in sciami per raccogliere grandi pile di detriti in un campo di particelle. “Conosciamo il compito, ma non è affatto ovvio” – per le persone – “come dovrebbe essere un design di successo. È qui che entra in gioco il supercomputer e cerca nello spazio di tutti i possibili sciami di Xenobot per trovare lo sciame che svolge meglio il lavoro”, afferma Bongard. “Vogliamo che gli Xenobot svolgano un lavoro utile. In questo momento stiamo assegnando loro compiti semplici, ma alla fine puntiamo a un nuovo tipo di strumento vivente che potrebbe, ad esempio, ripulire le microplastiche nell’oceano o i contaminanti nel suolo”.
Si scopre che i nuovi Xenobot sono molto più veloci e migliori in compiti come la raccolta dei rifiuti rispetto al modello dell’anno scorso, lavorando insieme in uno sciame per spazzare via una capsula di Petri e raccogliere mucchi più grandi di particelle di ossido di ferro. Possono anche coprire grandi superfici piane o viaggiare attraverso tubi capillari stretti. Questi studi suggeriscono anche che le simulazioni in silico potrebbero in futuro ottimizzare funzionalità aggiuntive dei robot biologici per comportamenti più complessi. Una caratteristica importante aggiunta nell’aggiornamento di Xenobot è la capacità di registrare le informazioni. Una caratteristica centrale della robotica è la capacità di registrare la memoria e utilizzare tali informazioni per modificare le azioni e il comportamento del robot. Con questo in mente, gli scienziati di Tufts hanno progettato gli Xenobot con una capacità di lettura/scrittura per registrare un bit di informazioni, utilizzando una proteina reporter fluorescente chiamata EosFP, che normalmente si illumina di verde. Tuttavia, quando esposta alla luce a una lunghezza d’onda di 390 nm, la proteina emette invece luce rossa. Le cellule degli embrioni di rana sono state iniettate con RNA messaggero che codifica per la proteina EosFP prima che le cellule staminali venissero asportate per creare gli Xenobot. Gli Xenobot maturi ora hanno un interruttore fluorescente integrato che può registrare l’esposizione alla luce blu intorno a 390 nm. I ricercatori hanno testato la funzione di memoria consentendo a 10 Xenobot di nuotare intorno a una superficie in cui un punto è illuminato con un raggio di luce a 390 nm. Dopo due ore, hanno scoperto che tre robot emettevano luce rossa. Il resto è rimasto il loro verde originale, registrando efficacemente l'”esperienza di viaggio” dei robot.
Questa prova di principio della memoria molecolare potrebbe essere estesa in futuro per rilevare e registrare non solo la luce, ma anche la presenza di contaminazione radioattiva, inquinanti chimici, farmaci o malattie. Un’ulteriore ingegneria della funzione di memoria potrebbe consentire la registrazione di più stimoli (più bit di informazioni) o consentire ai bot di rilasciare composti o modificare il comportamento alla sensazione degli stimoli. “Quando portiamo più capacità ai bot, possiamo usare le simulazioni al computer per progettarli con comportamenti più complessi e la capacità di svolgere compiti più elaborati”, ha affermato Bongard. “Potremmo potenzialmente progettarli non solo per segnalare le condizioni nel loro ambiente, ma anche per modificare e riparare le condizioni nel loro ambiente”.
“I materiali biologici che stiamo utilizzando hanno molte caratteristiche che un giorno vorremmo implementare nei robot: le cellule possono agire come sensori, motori per il movimento, reti di comunicazione e di calcolo e dispositivi di registrazione per memorizzare informazioni”, ha affermato Levin. “Una cosa che gli xenobot e le future versioni dei robot biologici possono fare e che le loro controparti di metallo e plastica hanno difficoltà a fare è costruire il proprio piano corporeo man mano che le cellule crescono e maturano, e quindi ripararsi e ripristinarsi se vengono danneggiate. La guarigione è una caratteristica naturale degli organismi viventi ed è preservata nella biologia di Xenobot”. I nuovi Xenobot erano straordinariamente abili nella guarigione e chiudevano la maggior parte di una grave lacerazione a tutta lunghezza metà del loro spessore entro 5 minuti dalla lesione. Tutti i robot feriti sono stati in grado di guarire la ferita, ripristinare la loro forma e continuare il loro lavoro come prima. Un altro vantaggio di un robot biologico, aggiunge Levin, è il metabolismo. A differenza dei robot di metallo e plastica, le cellule di un robot biologico possono assorbire e scomporre le sostanze chimiche e funzionare come piccole fabbriche che sintetizzano ed espellono sostanze chimiche e proteine. L’intero campo della biologia sintetica – che si è in gran parte concentrato sulla riprogrammazione di organismi unicellulari per produrre molecole utili – può ora essere sfruttato in queste creature multicellulari. Come gli Xenobot originali, i robot aggiornati possono sopravvivere fino a dieci giorni con le loro riserve di energia embrionali e svolgere i loro compiti senza ulteriori fonti di energia, ma possono anche andare avanti a tutta velocità per molti mesi se tenuti in una “zuppa” di sostanze nutritive. Cosa cercano davvero gli scienziati:
Una descrizione accattivante dei robot biologici e di ciò che possiamo imparare da loro è presentata in una conferenza TED di Michael Levin. Nel suo TED Talk, il professor Levin descrive non solo il notevole potenziale dei minuscoli robot biologici per svolgere compiti utili nell’ambiente o potenzialmente in applicazioni terapeutiche, ma sottolinea anche quale potrebbe essere il vantaggio più prezioso di questa ricerca: l’utilizzo dei robot per capire come le singole cellule si uniscono, comunicano e si specializzano per creare un organismo più grande, come fanno in natura per creare una rana o un essere umano. È un nuovo sistema modello che può fornire una base per la medicina rigenerativa. Gli xenobot e i loro successori possono anche fornire informazioni su come gli organismi multicellulari siano nati da antichi organismi unicellulari e sulle origini dell’elaborazione delle informazioni, del processo decisionale e della cognizione negli organismi biologici. Riconoscendo l’incredibile futuro di questa tecnologia, la Tufts University e l’Università del Vermont hanno istituito l’ Istituto per gli organismi progettati da computer (ICDO) , che sarà lanciato ufficialmente nei prossimi mesi, che riunirà risorse da ciascuna università e fonti esterne per creare vita robot con capacità sempre più sofisticate. L’obiettivo finale dei ricercatori di Tufts e UVM non è solo quello di esplorare l’intera portata dei robot biologici che possono realizzare; è anche comprendere la relazione tra l'”hardware” del genoma e il “software” delle comunicazioni cellulari che contribuiscono alla creazione di tessuti, organi e arti organizzati. Quindi possiamo ottenere un maggiore controllo di quella morfogenesi per la medicina rigenerativa e il trattamento del cancro e delle malattie dell’invecchiamento. Link video:
