Les organismes vivants artificiels peuvent déplacer des matériaux en essaims et enregistrer des informations – Technoguide

L’année dernière, une équipe de biologistes et d’informaticiens de l’Université Tufts et de l’Université du Vermont (UVM) a créé de nouvelles petites machines biologiques auto-guérissantes à partir de cellules de grenouilles appelées «Xenobots» qui pourraient se déplacer, pousser une charge utile et même exposer des objets collectifs. comportement en présence d’un essaim d’autres Xenobots.

Préparez-vous pour Xenobots 2.0.

La même équipe a maintenant créé des formes de vie qui auto-assemblent un corps à partir de cellules uniques, ne nécessitent pas de cellules musculaires pour se déplacer et démontrent même la capacité d’une mémoire enregistrable. Les Xenobots de nouvelle génération se déplacent également plus rapidement, naviguent dans différents environnements et ont une durée de vie plus longue que la première édition, et ils ont toujours la capacité de travailler ensemble en groupes et de se soigner s’ils sont endommagés. Les résultats de la nouvelle recherche ont été publiés aujourd’hui dans Science Robotics.

Par rapport à Xenobots 1.0, dans lequel les automates de la taille d’un millimètre ont été construits dans une approche «descendante» par placement manuel de tissus et mise en forme chirurgicale de la peau de grenouille et des cellules cardiaques pour produire du mouvement, la prochaine version de Xenobots adopte une approche «ascendante». approcher. Les biologistes de Tufts ont prélevé des cellules souches d’embryons de la grenouille africaine Xenopus laevis (d’où le nom «Xenobots») et leur ont permis de s’auto-assembler et de se développer en sphéroïdes, où certaines des cellules après quelques jours se sont différenciées pour produire des cils – de minuscules projections ressemblant à des cheveux qui se déplacent d’avant en arrière ou tournent d’une manière spécifique. Au lieu d’utiliser des cellules cardiaques sculptées manuellement dont les contractions rythmiques naturelles permettaient aux Xenobots originaux de se déplacer, les cils donnent aux nouveaux robots sphéroïdaux des «jambes» pour les déplacer rapidement sur une surface. Chez une grenouille, ou un humain d’ailleurs, les cils se trouveraient normalement sur les surfaces muqueuses, comme dans les poumons, pour aider à expulser les agents pathogènes et autres matières étrangères. Sur les Xenobots, ils sont réutilisés pour fournir une locomotion rapide.

«Nous assistons à la plasticité remarquable des collectifs cellulaires, qui construisent un nouveau« corps »rudimentaire qui est tout à fait distinct de leur défaut – dans ce cas, une grenouille – malgré un génome tout à fait normal», a déclaré Michael Levin, professeur émérite. of Biology et directeur de l’Allen Discovery Center de l’Université Tufts, et auteur correspondant de l’étude. «Dans un embryon de grenouille, les cellules coopèrent pour créer un têtard. Ici, retirées de ce contexte, nous voyons que les cellules peuvent réutiliser leur matériel génétiquement codé, comme les cils, pour de nouvelles fonctions telles que la locomotion. Il est étonnant que les cellules puissent spontanément assumer de nouveaux rôles et créer de nouveaux plans et comportements corporels sans de longues périodes de sélection évolutive pour ces caractéristiques. “

“D’une certaine manière, les Xenobots sont construits comme un robot traditionnel. Seulement, nous utilisons des cellules et des tissus plutôt que des composants artificiels pour construire la forme et créer un comportement prévisible.” a déclaré le scientifique principal Doug Blackiston, qui a été le co-auteur de l’étude avec la technicienne de recherche Emma Lederer. “Du point de vue de la biologie, cette approche nous aide à comprendre comment les cellules communiquent lorsqu’elles interagissent les unes avec les autres pendant le développement, et comment nous pourrions mieux contrôler ces interactions.”

Alors que les scientifiques de Tufts créaient les organismes physiques, les scientifiques d’UVM étaient occupés à exécuter des simulations informatiques qui modélisaient différentes formes de Xenobots pour voir s’ils pouvaient présenter des comportements différents, à la fois individuellement et en groupe. En utilisant le cluster de superordinateurs Deep Green du Vermont Advanced Computing Core d’UVM, l’équipe, dirigée par des informaticiens et experts en robotique Josh Bongard et dans des centaines de milliers de conditions environnementales aléatoires à l’aide d’un algorithme évolutif. Ces simulations ont été utilisées pour identifier les Xenobots les plus capables de travailler ensemble en essaims pour rassembler de gros tas de débris dans un champ de particules.

“Nous connaissons la tâche, mais ce n’est pas du tout évident – pour les gens – à quoi devrait ressembler une conception réussie. C’est là que le supercalculateur entre en jeu et cherche dans l’espace de tous les essaims Xenobot possibles pour trouver l’essaim qui fait le travail. mieux », dit Bongard. “Nous voulons que les Xenobots fassent un travail utile. Pour le moment, nous leur confions des tâches simples, mais en fin de compte, nous visons un nouveau type d’outil vivant qui pourrait, par exemple, nettoyer les microplastiques dans l’océan ou les contaminants dans le sol.”

Il s’avère que les nouveaux Xenobots sont beaucoup plus rapides et meilleurs pour des tâches telles que la collecte des ordures que le modèle de l’année dernière, travaillant ensemble dans un essaim pour balayer une boîte de Pétri et rassembler de plus gros tas de particules d’oxyde de fer. Ils peuvent également couvrir de grandes surfaces planes ou traverser des capillaires étroits. Ces études suggèrent également que les simulations in silico pourraient à l’avenir optimiser des fonctionnalités supplémentaires de robots biologiques pour des comportements plus complexes. Une fonctionnalité importante ajoutée dans la mise à niveau de Xenobot est la possibilité d’enregistrer des informations.

Maintenant avec mémoire

Une caractéristique centrale de la robotique est la capacité d’enregistrer la mémoire et d’utiliser ces informations pour modifier les actions et le comportement du robot. Dans cet esprit, les scientifiques de Tufts ont conçu les Xenobots avec une capacité de lecture / écriture pour enregistrer un bit d’information, en utilisant une protéine rapporteur fluorescente appelée EosFP, qui brille normalement en vert. Cependant, lorsqu’elle est exposée à la lumière à une longueur d’onde de 390 nm, la protéine émet une lumière rouge à la place.

Les cellules des embryons de grenouille ont été injectées avec de l’ARN messager codant pour la protéine EosFP avant que les cellules souches ne soient excisées pour créer les Xenobots. Les Xenobots matures ont maintenant un commutateur fluorescent intégré qui peut enregistrer l’exposition à la lumière bleue autour de 390 nm.

Les chercheurs ont testé la fonction de mémoire en permettant à 10 Xenobots de nager autour d’une surface sur laquelle un point est éclairé par un faisceau de 390 nm. Après deux heures, ils ont constaté que trois robots émettaient une lumière rouge. Le reste est resté leur vert d’origine, enregistrant efficacement «l’expérience de voyage» des bots.

Cette preuve de principe de la mémoire moléculaire pourrait être étendue à l’avenir pour détecter et enregistrer non seulement la lumière mais aussi la présence de contamination radioactive, de polluants chimiques, de médicaments ou d’une maladie. Une ingénierie plus poussée de la fonction de mémoire pourrait permettre l’enregistrement de plusieurs stimuli (plus de bits d’information) ou permettre aux robots de libérer des composés ou de changer de comportement lors de la sensation de stimuli.

«Lorsque nous apportons plus de capacités aux robots, nous pouvons utiliser les simulations informatiques pour les concevoir avec des comportements plus complexes et la capacité d’effectuer des tâches plus élaborées», a déclaré Bongard. “Nous pourrions potentiellement les concevoir non seulement pour signaler les conditions dans leur environnement, mais aussi pour modifier et réparer les conditions dans leur environnement.”

Xenobot, guéris-toi toi-même

«Les matériaux biologiques que nous utilisons ont de nombreuses fonctionnalités que nous aimerions un jour implémenter dans les robots – les cellules peuvent agir comme des capteurs, des moteurs pour le mouvement, des réseaux de communication et de calcul, et des appareils d’enregistrement pour stocker des informations», a déclaré Levin. “Une chose que les Xenobots et les futures versions de robots biologiques peuvent faire que leurs homologues en métal et en plastique ont du mal à faire est de construire leur propre plan corporel au fur et à mesure que les cellules grandissent et mûrissent, puis de se réparer et de se restaurer si elles sont endommagées. La guérison est un moyen naturel. caractéristique des organismes vivants, et elle est préservée dans la biologie de Xenobot. “

Les nouveaux Xenobots étaient remarquablement habiles à guérir et fermaient la majorité d’une grave lacération complète de la moitié de leur épaisseur dans les 5 minutes suivant la blessure. Tous les robots blessés ont finalement pu guérir la blessure, restaurer leur forme et continuer leur travail comme avant.

Un autre avantage d’un robot biologique, ajoute Levin, est le métabolisme. Contrairement aux robots en métal et en plastique, les cellules d’un robot biologique peuvent absorber et décomposer les produits chimiques et fonctionner comme de minuscules usines synthétisant et excrétant des produits chimiques et des protéines. L’ensemble du domaine de la biologie synthétique – qui s’est largement concentré sur la reprogrammation d’organismes unicellulaires pour produire des molécules utiles – peut maintenant être exploité chez ces créatures multicellulaires.

Comme les Xenobots d’origine, les bots améliorés peuvent survivre jusqu’à dix jours sur leurs réserves d’énergie embryonnaires et exécuter leurs tâches sans sources d’énergie supplémentaires, mais ils peuvent également continuer à pleine vitesse pendant de nombreux mois s’ils sont conservés dans une «soupe» de nutriments.

Ce que recherchent vraiment les scientifiques

Une description intéressante des robots biologiques et de ce que nous pouvons en apprendre est présentée dans une conférence TED de Michael Levin.

Dans son exposé TED, le professeur Levin décrit non seulement le potentiel remarquable des minuscules robots biologiques pour effectuer des tâches utiles dans l’environnement ou potentiellement dans des applications thérapeutiques, mais il souligne également ce qui pourrait être l’avantage le plus précieux de cette recherche – en utilisant le bots pour comprendre comment les cellules individuelles se rassemblent, communiquent et se spécialisent pour créer un organisme plus grand, comme elles le font dans la nature pour créer une grenouille ou un humain. C’est un nouveau système modèle qui peut fournir une base pour la médecine régénérative.

Les xénobots et leurs successeurs peuvent également fournir un aperçu de la façon dont les organismes multicellulaires sont nés d’anciens organismes unicellulaires et des origines du traitement de l’information, de la prise de décision et de la cognition dans les organismes biologiques.

Reconnaissant l’énorme avenir de cette technologie, l’Université Tufts et l’Université du Vermont ont créé l’Institut pour les organismes conçus par ordinateur (ICDO), qui sera officiellement lancé dans les mois à venir, qui rassemblera les ressources de chaque université et de sources extérieures pour créer des des robots aux capacités de plus en plus sophistiquées.

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