Gli xenobot progettati dall’IA rivelano una forma completamente nuova di auto-replicazione biologica, promettente per la medicina rigenerativa.
Per persistere, la vita deve riprodursi. Nel corso di miliardi di anni, gli organismi hanno sviluppato molti modi di replicarsi, dalle piante in erba, agli animali, ai virus invasori. Ora gli scienziati hanno scoperto una forma completamente nuova di riproduzione biologica e hanno applicato la loro scoperta per creare i primi robot viventi autoreplicanti. La stessa squadra che ha costruito i primi robot viventi ( “Xenobot”, assemblati da cellule di rana — segnalati nel 2020 ) ha scoperto che questi organismi progettati al computer e assemblati a mano possono nuotare nel loro minuscolo piatto fi Petri, trovare singole cellule, raccogliere centinaia di insieme e assemblano i “bambini” Xenobot all’interno della loro “bocca” a forma di Pac-Man – che, pochi giorni dopo, diventano nuovi Xenobot che sembrano e si muovono proprio come loro.
E poi questi nuovi Xenobot possono uscire, trovare cellule e costruire copie di se stessi. Ancora e ancora.
“Con il design giusto, si auto-replicano spontaneamente“, afferma Joshua Bongard, informatico ed esperto di robotica presso l’Università del Vermont che ha co-diretto la nuova ricerca.
I risultati della nuova ricerca sono stati pubblicati il 29 novembre 2021, negli Atti dell’Accademia Nazionale delle Scienze .
Nell’ignoto
In una rana Xenopus laevis, queste cellule embrionali si svilupperebbero nella pelle. “Sarebbero seduti all’esterno di un girino, tenendo fuori gli agenti patogeni e ridistribuendo il muco”, afferma Michael Levin, Professore di biologia e Direttore dell’Allen Discovery Center presso la Tufts University e co-leader della nuova ricerca. “Ma li stiamo inserendo in un contesto nuovo. Stiamo dando loro la possibilità di reimmaginare la loro multicellularità“.
E quello che immaginano è qualcosa di molto diverso dalla pelle. “La gente ha pensato per molto tempo che abbiamo escogitato tutti i modi in cui la vita può riprodursi o replicarsi. Ma questo è qualcosa che non è mai stato osservato prima“, afferma il coautore Douglas Blackiston, lo scienziato senior della Tufts University che ha riunito i “genitori” di Xenobot e ha sviluppato la parte biologica del nuovo studio.
Dice Levin: “Queste cellule hanno il genoma di una rana, ma, liberate dal diventare girini, usano la loro intelligenza collettiva, una plasticità, per fare qualcosa di sbalorditivo”. In esperimenti precedenti, gli scienziati sono rimasti sorpresi dal fatto che gli xenobot potessero essere progettati per svolgere compiti semplici. Ora sono sbalorditi dal fatto che questi oggetti biologici, una raccolta di cellule progettata al computer, si replichino spontaneamente. “Abbiamo il genoma della rana completo e inalterato”, afferma Levin, “ma non ha fornito alcun indizio sul fatto che queste cellule possano lavorare insieme su questo nuovo compito, ovvero raccogliere e quindi comprimere le cellule separate in copie automatiche funzionanti”.
“Queste sono cellule di rana che si replicano in un modo molto diverso da come lo fanno le rane. Nessun animale o pianta noto alla scienza si replica in questo modo”, afferma Sam Kriegman, l’autore principale del nuovo studio, che ha completato il suo dottorato di ricerca nel laboratorio di Bongard all’UVM ed è ora ricercatore post-dottorato presso il Tuft’s Allen Center e il Wyss dell’Università di Harvard, Istituto di ingegneria biologicamente ispirata.
Gli organismi progettati dall’IA (a forma di C) spingono le cellule staminali sciolte (bianche) in mucchi mentre si muovono attraverso il loro ambiente. Credito: Douglas Blackiston e Sam Kriegman
Da solo, il genitore Xenobot, composto da circa 3.000 cellule, forma una sfera. “Questi possono creare bambini, ma poi il sistema normalmente si estingue dopo. È molto difficile, in realtà, far sì che il sistema continui a riprodursi”, afferma Kriegman. Ma con un programma di intelligenza artificiale che lavora sul cluster di supercomputer Deep Green presso il Vermont Advanced Computing Core di UVM, un algoritmo evolutivo è stato in grado di testare miliardi di forme corporee nella simulazione – triangoli, quadrati, piramidi, stelle marine – per trovare quelle che consentissero alle cellule di essere più efficaci nella replica “cinematica” basata sul movimento.
“Abbiamo chiesto al supercomputer dell’UVM di capire come regolare la forma dei genitori iniziali e l’IA ha escogitato alcuni strani design dopo mesi di sbuffi, incluso uno che assomigliava a Pac-Man“, afferma Kriegman. “Non è molto intuitivo. Sembra molto semplice, ma non è qualcosa che un ingegnere umano potrebbe inventare. Perché una piccola bocca? Perché non cinque? Abbiamo inviato i risultati a Doug che ha costruito questi Xenobot genitori a forma di Pac-Man. Poi quei genitori hanno costruito figli, che hanno costruito nipoti, che hanno costruito pronipoti, che hanno costruito pronipoti”. In altre parole, il design giusto ha esteso notevolmente il numero di generazioni.
Un organismo “genitore” a forma di Pac-Man progettato dall’IA (in rosso) accanto a cellule staminali che sono state compresse in una palla: la “prole” (verde). Credito: Douglas Blackiston e Sam Kriegman
La replicazione cinematica è ben nota a livello di molecole, ma non è mai stata osservata prima su scala di cellule o organismi interi.
“Abbiamo scoperto che esiste questo spazio precedentemente sconosciuto all’interno degli organismi o dei sistemi viventi, ed è uno spazio vasto”, afferma Bongard, professore al College of Engineering and Mathematical Sciences dell’UVM. “Come possiamo quindi esplorare quello spazio? Abbiamo trovato xenobot che camminano. Abbiamo trovato xenobot che nuotano. E ora, in questo studio, abbiamo trovato Xenobot che si replicano cinematicamente. Che altro c’è là fuori?”.
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Oppure, come scrivono gli scienziati nello studio Proceedings of the National Academy of Sciences : “la vita nasconde comportamenti sorprendenti appena sotto la superficie, in attesa di essere scoperti“.
Quando i “genitori” di Xenobot a forma di Pac-man si muovono nel loro ambiente, raccolgono cellule staminali sciolte nelle loro “bocche” che, nel tempo, si aggregano per creare Xenobot “figli” che si sviluppano per assomigliare ai loro creatori. Credito: Doug Blackiston e Sam Kriegman
Rispondere al rischio di una biologia autoreplicante
Alcune persone potrebbero trovarlo esaltante. Altri possono reagire con preoccupazione, o addirittura terrore, all’idea di una biotecnologia autoreplicante. Per il team di scienziati, l’obiettivo è una comprensione più profonda.
“Stiamo lavorando per capire questa proprietà: la replica. Il mondo e le tecnologie stanno cambiando rapidamente. È importante, per la società nel suo insieme, studiare e capire come funziona”, afferma Bongard. Queste macchine viventi di dimensioni millimetriche, interamente contenute in un laboratorio, facilmente estinguente e controllate da esperti di etica federali, statali e istituzionali, “non sono ciò che mi tiene sveglio la notte. Ciò che presenta il rischio è la prossima pandemia; accelerare i danni all’ecosistema causati dall’inquinamento; intensificando le minacce dei cambiamenti climatici”, afferma Bongard di UVM. “Questo è un sistema ideale in cui studiare i sistemi autoreplicanti. Abbiamo un imperativo morale per capire le condizioni in cui possiamo controllarlo, dirigerlo, esagerarlo”.
Gli xenobot sono un’invenzione e uno sforzo di ricerca collaborativa di (da sinistra): Josh Bongard, Università del Vermont; Michael Levin, Tufts University e Wyss Institute presso l’Università di Harvard; Douglas Blackiston, Università di Tufts; e Sam Kriegman, della Tufts University e del Wyss Institute dell’Università di Harvard. Credito: Ciuffi e ICDO
Bongard indica l’epidemia di COVID e la ricerca di un vaccino. “La velocità con cui possiamo produrre soluzioni è molto importante. Se riusciamo a sviluppare tecnologie, imparando dagli Xenobot, dove possiamo dire rapidamente all’IA: “Abbiamo bisogno di uno strumento biologico che faccia X e Y e sopprima Z”, potrebbe essere molto vantaggioso. Oggi, ci vuole molto tempo”. Il team mira ad accelerare la rapidità con cui le persone possono passare dall’identificazione di un problema alla generazione di soluzioni, “come l’impiego di macchine viventi per estrarre le microplastiche dai corsi d’acqua o costruire nuovi farmaci”, afferma Bongard.
“Dobbiamo creare soluzioni tecnologiche che crescano di pari passo con le sfide che dobbiamo affrontare”, afferma Bongard.
E il team vede la promessa nella ricerca per i progressi verso la medicina rigenerativa. “Se sapessimo come dire a raccolte di cellule di fare ciò che volevamo che facessero, in definitiva, questa è la medicina rigenerativa, questa è la soluzione a lesioni traumatiche, difetti alla nascita, cancro e invecchiamento”, afferma Levin. “Tutti questi diversi problemi sono qui perché non sappiamo come prevedere e controllare quali gruppi di cellule costruiranno. Gli xenobot sono una nuova piattaforma per insegnarci“.
Fonte:PNASS
