Para persistir, la vida debe reproducirse. Durante miles de millones de años, los organismos han desarrollado muchas formas de replicarse, desde plantas en ciernes hasta animales sexuales y virus invasores. Ahora los científicos han descubierto una forma completamente nueva de reproducción biológica y han aplicado su descubrimiento para crear los primeros robots vivientes autorreplicantes.
El mismo equipo que construyó los primeros robots vivientes (“Xenobots”, ensamblados a partir de células de rana, reportados en 2020) ha descubierto que estos organismos diseñados por computadora y ensamblados a mano pueden nadar en su pequeño plato, encontrar células individuales, recolectar cientos de juntos, y montar Xenobots “bebés” dentro de su “boca” en forma de Pac-Man, que, unos días después, se convierten en nuevos Xenobots que se ven y se mueven como ellos mismos. Y luego estos nuevos Xenobots pueden salir, encontrar células y construir copias de sí mismos. Una y otra vez.
“Con el diseño correcto, se reproducirán espontáneamente”, dice Joshua Bongard, científico informático y experto en robótica de la Universidad de Vermont (UVM), que codirigió la nueva investigación.
Los resultados de la nueva investigación se publicaron el 29 de noviembre de 2021 en Proceedings of the National Academy of Sciences.
Hacia lo desconocido
En una rana Xenopus laevis, estas células embrionarias se convertirían en piel. “Estarían sentados en el exterior de un renacuajo, manteniendo alejados a los patógenos y redistribuyendo la mucosidad”, dice Michael Levin, profesor de biología y director del Allen Discovery Center en la Universidad de Tufts y codirector de la nueva investigación. “Pero los estamos poniendo en un contexto novedoso. Les estamos dando la oportunidad de reimaginar su multicelularidad”.
Y lo que imaginan es algo muy diferente a la piel. “La gente ha pensado durante bastante tiempo que hemos descubierto todas las formas en que la vida puede reproducirse o replicarse. Pero esto es algo que nunca se había observado antes”, dice el coautor Douglas Blackiston, científico principal de la Universidad de Tufts que reunió a los “padres” de Xenobot y desarrolló la parte biológica del nuevo estudio.
“Esto es profundo”, dice Levin. “Estas células tienen el genoma de una rana, pero, liberadas de convertirse en renacuajos, usan su inteligencia colectiva, una plasticidad, para hacer algo asombroso”. En experimentos anteriores, los científicos se sorprendieron de que los Xenobots pudieran diseñarse para lograr tareas simples. Ahora están asombrados de que estos objetos biológicos, una colección de células diseñada por computadora, se replicarán espontáneamente. “Tenemos el genoma de rana completo e inalterado”, dice Levin, “pero no dio indicios de que estas células puedan trabajar juntas en esta nueva tarea”, de reunir y luego comprimir células separadas en autocopias funcionales.
“Estas son células de rana que se replican de una manera muy diferente de cómo lo hacen las ranas. Ningún animal o planta conocida por la ciencia se replica de esta manera”, dice Sam Kriegman, autor principal del nuevo estudio, quien completó su doctorado en el laboratorio de Bongard en la UVM y ahora es investigadora postdoctoral en el Centro Allen de Tuft y en el Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica de la Universidad de Harvard.
Por sí solo, el padre Xenobot, compuesto por unas 3.000 células, forma una esfera. “Estos pueden producir hijos, pero luego el sistema normalmente se extingue después de eso. De hecho, es muy difícil lograr que el sistema se siga reproduciendo”, dice Kriegman. Pero con un programa de inteligencia artificial que trabaja en el cúmulo de supercomputadoras Deep Green en Vermont Advanced Computing Core de UVM, un algoritmo evolutivo pudo probar miles de millones de formas corporales en simulación (triángulos, cuadrados, pirámides, estrellas de mar) para encontrar aquellas que permitieran que las células fueran más eficaces en la replicación “cinemática” basada en el movimiento informada en la nueva investigación.
“Le pedimos a la supercomputadora de UVM que averiguara cómo ajustar la forma de los padres iniciales, y la IA ideó algunos diseños extraños después de meses de trabajo, incluido uno que se parecía a Pac-Man”, dice Kriegman. “Es muy poco intuitivo. Parece muy simple, pero no es algo que se le ocurriera a un ingeniero humano. ¿Por qué una boca pequeña? ¿Por qué no cinco? Le enviamos los resultados a Doug y él construyó estos Xenobots parentales con forma de Pac-Man. Entonces esos padres construyeron hijos, quienes construyeron nietos, quienes construyeron bisnietos, quienes construyeron tataranietos”. En otras palabras, el diseño correcto amplió enormemente el número de generaciones.
La replicación cinemática es bien conocida a nivel de moléculas, pero nunca antes se había observado a escala de células u organismos completos.
“Hemos descubierto que existe este espacio previamente desconocido dentro de los organismos o sistemas vivos, y es un espacio vasto”, dice Bongard, profesor de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Matemáticas de la UVM. “¿Cómo podemos entonces explorar ese espacio? Encontramos Xenobots que caminan. Encontramos Xenobots que nadan. Y ahora, en este estudio, hemos encontrado Xenobots que se replican cinemáticamente. ¿Qué más hay ahí fuera?”
O, como escriben los científicos en el estudio de Proceedings of the National Academy of Sciences: “la vida alberga comportamientos sorprendentes justo debajo de la superficie, a la espera de ser descubierta”.
Respondiendo al riesgo
Algunas personas pueden encontrar esto estimulante. Otros pueden reaccionar con preocupación, o incluso con terror, a la noción de una biotecnología autorreplicante. Para el equipo de científicos, el objetivo es una comprensión más profunda.
“Estamos trabajando para comprender esta propiedad: la replicación. El mundo y las tecnologías están cambiando rápidamente. Es importante, para la sociedad en su conjunto, que estudiemos y entendamos cómo funciona”, dice Bongard. Estas máquinas vivientes de tamaño milimétrico, completamente contenidas en un laboratorio, fácilmente extinguidas y examinadas por expertos en ética federales, estatales e institucionales, “no son las que me mantienen despierto por la noche. Lo que presenta un riesgo es la próxima pandemia; la aceleración del daño al ecosistema causado por la contaminación, intensificando las amenazas del cambio climático”, dice Bongard de la UVM. “Este es un sistema ideal para estudiar sistemas autorreplicantes. Tenemos el imperativo moral de comprender las condiciones bajo las cuales podemos controlarlo, dirigirlo, apagarlo, exagerarlo”.
Bongard señala la epidemia de COVID y la búsqueda de una vacuna. “La velocidad a la que podemos producir soluciones es muy importante. Si podemos desarrollar tecnologías, aprendiendo de Xenobots, donde podamos decirle rápidamente a la IA: ‘Necesitamos una herramienta biológica que haga X e Y y suprima Z'”, eso podría ser muy beneficioso. Hoy en día, eso lleva mucho tiempo”. El equipo tiene como objetivo acelerar la rapidez con que las personas pueden pasar de identificar un problema a generar soluciones, “como desplegar máquinas vivas para extraer microplásticos de las vías fluviales o construir nuevos medicamentos”, dice Bongard.
“Necesitamos crear soluciones tecnológicas que crezcan al mismo ritmo que los desafíos que enfrentamos”, dice Bongard.
Y el equipo ve promesas en la investigación de avances hacia la medicina regenerativa. “Si supiéramos cómo decirle a las colecciones de células que hagan lo que queremos que hagan, en última instancia, eso es medicina regenerativa, esa es la solución para lesiones traumáticas, defectos de nacimiento, cáncer y envejecimiento”, dice Levin. “Todos estos problemas diferentes están aquí porque no sabemos cómo predecir y controlar qué grupos de células se van a construir. Los Xenobots son una nueva plataforma para enseñarnos”.
Fuente: Tech Xplore.
