Robôs vivos feitos de células-tronco de rã

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Equipe constrói primeiros robôs vivos usando células-
tronco de rã
Pequenos "xenobots" montados a partir de células prometem avanços da entrega de drogas para
limpeza de resíduos tóxicos.
Um livro é feito de madeira. Mas não é uma árvore. As células mortas foram reaproveitadas para atender
a outra necessidade.
Agora, uma equipe de cientistas reaproveitou as células vivas – raspadas de embriões de rãs – e as
reuniu em formas de vida inteiramente novas. Esses “xenobots” de largura de milímetro podem se mover
em direção a um alvo, talvez pegar uma carga útil (como um medicamento que precisa ser transportado
para um local específico dentro de um paciente) e curar-se depois de ser cortado.
“Estas são novas máquinas vivas”, diz Joshua Bongard, cientista da computação e especialista em
robótica da Universidade de Vermont, que co-diretou a nova pesquisa. “Eles não são um robô tradicional
nem uma espécie conhecida de animais. É 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. “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 procurar compostos desagradáveis ou
contaminação radioativa, coletar microplásticos nos oceanos, viajar nas artérias para raspar a placa”.
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Os resultados da nova pesquisa foram publicados no Proceedings of the National Academy of Sciences.
BESPOKE LIVING SYSTEMS
As pessoas têm manipulado organismos para benefício humano desde pelo menos o início da
agricultura, a edição genética está se tornando generalizada e alguns organismos artificiais foram
montados manualmente nos últimos anos – copiando as formas corporais de animais conhecidos.
Mas esta pesquisa, pela primeira vez, “projeta máquinas completamente biológicas do zero”, escreve a
equipe em seu novo estudo.
Com meses de tempo de processamento no cluster de supercomputadores Deep Green no Vermont
Advanced Computing Core da UVM, a equipe, incluindo o autor principal e estudante de doutorado Sam
Kriegman, usou um algoritmo evolutivo para criar milhares de projetos de candidatos para as novas
formas de vida. Tentar alcançar uma tarefa atribuída pelos cientistas – como a locomoção em uma
direção – o computador, repetiria, mais e mais, algumas centenas de células simuladas em inúmeras
formas e formas corporais. Como os programas eram executados - impulsionados por regras básicas
sobre a biofísica do que a pele de sapo único e células cardíacas podem fazer - os organismos
simulados mais bem sucedidos foram mantidos e refinados, enquanto os projetos fracassados foram
descartados. Após uma centena de corridas independentes do algoritmo, os projetos mais promissores
foram selecionados para testes.
Em seguida, a equipe da Tufts, liderada por Levin e com o trabalho fundamental do microcirurgião
Douglas Blackiston - transferiu os projetos in silico para a vida. Primeiro, eles coletaram células-tronco,
colhidas dos embriões de sapos africanos, a espécie Xenopus laevis. (Portanto, o nome “xenobots”).
Estes foram separados em células únicas e deixados para incubar. Em seguida, usando pinças
minúsculas e um eletrodo ainda mais pequeno, as células foram cortadas e unidas sob um microscópio
em uma 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 outrora aleatórias de
células do músculo cardíaco foram colocadas para trabalhar criando um movimento ordenado para a
frente, guiado pelo design do computador, e auxiliados por padrões espontâneos de auto-organização -
permitindo que os robôs se movessem por conta própria.
Esses organismos reconfiguráveis mostraram-se capazes de se mover de maneira coerente e explorar
seu ambiente aquoso por dias ou semanas, alimentados por reservas de energia embrionária. Virados,
no entanto, eles falharam, como besouros viraram de costas.
Testes posteriores mostraram que grupos de xenobots se moveriam em círculos, empurrando pellets
para um local central – espontaneamente e coletivamente. Outros foram construídos com um buraco
através do centro para reduzir o arrasto. Em versões simuladas destes, os cientistas foram capazes de
reaproveitar este buraco como uma bolsa para transportar com sucesso um objeto. “É um passo para o
uso de organismos projetados por computador para a entrega inteligente de drogas”, diz Bongard,
professor do Departamento de Ciência da Computação e Centro de Sistemas Complexos da UVM.
TECNOLOGIAS DE VIAGEM
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Muitas tecnologias são feitas de aço, concreto ou plástico. Que pode torná-los fortes ou flexíveis. Mas
também podem criar produtos ecológicos e problemas de saúde humana, como o crescente flagelo da
poluição por plásticos nos oceanos e na toxicidade de muitos materiais sintéticos e Eletrônica. “A
desvantagem do tecido vivo é que ele é fraco e Degrada”, diz Bongard. “É por isso que usamos o aço.
Mas os organismos têm 4,5 bilhões de anos de prática em se regenerar e continuar décadas de
décadas.” E quando eles param de trabalhar – morte – eles geralmente desmoronam Inofensivamente.
“Esses xenobots são totalmente biodegradáveis”, diz Bongard, “quando Eles estão acabados com seu
trabalho depois de sete dias, eles são apenas pele morta das células.”
Seu laptop é uma tecnologia poderosa. Mas tente cortá-lo pela metade. Não funciona tão bem. Nos
novos experimentos, os cientistas cortaram o xenobots e assistiu o que aconteceu. “Nós cortamos o
robô quase pela metade e ele se costura de volta e continua”, diz Bongard. “E isso Você não pode fazer
com máquinas típicas.”
CRACKING O CODE
Tanto Levin quanto Bongard dizem o potencial do que foram. A aprendizagem sobre como as células se
comunicam e se conecta se estende profundamente em ambos os ciência computacional e nossa
compreensão da vida. “A grande questão em biologia é entender os algoritmos que determinam a forma
e Função”, diz Levin. “O genoma codifica proteínas, mas transformador aplicações aguardam nossa
descoberta de como esse hardware permite que as células cooperar para fazer anatomias funcionais
sob muito diferente as condições.”
Para fazer um organismo se desenvolver e funcionar, há muita coisa compartilhamento de informações e
cooperação – computação orgânica – continuando em e entre as células o tempo todo, não apenas
dentro dos neurônios. Estes emergentes e as propriedades geométricas são moldadas por bioeléctrico,
bioquímico, e Processos biomecânicos, “que são executados em hardware especificado pelo DNA”,
Levin “E esses processos são reconfiguráveis, permitindo uma vida nova. formas.”
Os cientistas veem o trabalho apresentado em seu novo estudo PNAS – um pipeline escalável para
projetar organismos reconfiguráveis – como uma etapa na aplicação de insights sobre esse código
bioelétrico à biologia e à ciência da computação. O que realmente determina a anatomia para a qual as
células cooperam? Levin pergunta. “Você olha para as células com as quais construímos nossos
xenobots e, genomicamente, são sapos. É 100% de DNA de rã, 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 fazer formas vivas interessantes
que são completamente diferentes do que seria sua 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 “códigobético 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 meio ambiente.FUTURE SHOCKS (Foto: FUTURE)
https://www.pnas.org/content/early/2020/01/07/1910837117
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Muitas pessoas se preocupam com as implicações da rápida mudança tecnológica e das complexas
manipulações biológicas. “Esse medo não é irracional”, diz Levin. “Quando começarmos a brincar com
sistemas complexos que não entendemos, vamos ter consequências não intencionais.” Muitos sistemas
complexos, como uma colônia de formigas, começam com uma unidade simples – uma formiga – da
qual seria impossível prever a forma de sua colônia ou como eles podem construir pontes sobre a água
com seus corpos interligados.
“Se a humanidade vai sobreviver no futuro, precisamos entender melhor como as propriedades
complexas, de alguma forma, 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 queria um formigueiro com duas chaminés em vez de uma, como você modifica as
formigas? Nós não teríamos ideia.”
“Eu acho que é uma necessidade absoluta para a sociedade avançar para obter um melhor controle
sobre os sistemas onde o resultado é muito complexo”, diz Levin. “Um primeiro passo para fazer isso é
explorar: como os sistemas vivos decidem o que um comportamento geral deve ser e como
manipulamos as peças para obter os comportamentos que queremos?”
Em outras palavras, “este estudo é uma contribuição direta para controlar o que as pessoas têm medo, o
que são consequências não intencionais”, diz Levin – seja na rápida chegada de carros autônomos,
mudando os impulsos genéticos para eliminar linhagens inteiras de vírus, ou os muitos outros sistemas
complexos e autônomos que moldarão cada vez mais a experiência humana.
“Há toda essa criatividade inata na vida”, diz Josh Bongard da UVM. “Queremos entender isso mais
profundamente – e como podemos direcioná-lo e empurrá-lo para novas formas.”
Fornecido pela Universidade de Vermont
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https://techxplore.com/news/2020-01-team-robots.html