07.04.2021 - Tufts University

Los científicos crean la próxima generación de robots vivos

Los organismos vivos artificiales pueden mover material en enjambres y registrar información

El año pasado, un equipo de biólogos e informáticos de la Universidad de Tufts y la Universidad de Vermont (UVM) creó unas diminutas máquinas biológicas autorreparadoras a partir de células de rana llamadas "Xenobots" que podían desplazarse, empujar una carga útil e incluso mostrar un comportamiento colectivo en presencia de un enjambre de otros Xenobots.

Prepárate para los Xenobots 2.0

El mismo equipo ha creado ahora formas de vida que autoensamblan un cuerpo a partir de células individuales, no necesitan células musculares para moverse e incluso demuestran la capacidad de tener memoria grabable. La nueva generación de Xenobots también se mueve más rápido, navega por diferentes entornos y tiene una vida más larga que la primera edición, y sigue teniendo la capacidad de trabajar en grupo y curarse a sí mismo si se daña. Los resultados de la nueva investigación se han publicado hoy en Science Robotics

En comparación con Xenobots 1.0, en el que los autómatas de tamaño milimétrico se construyeron con un enfoque "descendente" mediante la colocación manual de tejidos y el moldeado quirúrgico de la piel de rana y las células cardíacas para producir el movimiento, la siguiente versión de Xenobots adopta un enfoque "ascendente". Los biólogos de Tufts tomaron células madre de embriones de la rana africana Xenopus laevis (de ahí el nombre de "Xenobots") y les permitieron autoensamblarse y crecer en esferoides, donde algunas de las células, al cabo de unos días, se diferenciaron para producir cilios, unas proyecciones diminutas parecidas a pelos que se mueven hacia delante y hacia atrás o giran de una manera específica. En lugar de utilizar células cardíacas esculpidas manualmente, cuyas contracciones rítmicas naturales permitían a los Xenobots originales desplazarse, los cilios dan a los nuevos robots esferoides "patas" para moverlos rápidamente por una superficie. En una rana, o en un ser humano, los cilios se encuentran normalmente en las superficies mucosas, como en los pulmones, para ayudar a expulsar patógenos y otros materiales extraños. En los Xenobots, se reutilizan para proporcionar una rápida locomoción.

"Somos testigos de la notable plasticidad de los colectivos celulares, que construyen un nuevo 'cuerpo' rudimentario que es muy distinto del que tienen por defecto -en este caso, una rana- a pesar de tener un genoma completamente normal", afirma Michael Levin, profesor distinguido de Biología y director del Allen Discovery Center de la Universidad de Tufts, y autor correspondiente del estudio. "En un embrión de rana, las células cooperan para crear un renacuajo. Aquí, fuera de ese contexto, vemos que las células pueden reutilizar su hardware genéticamente codificado, como los cilios, para nuevas funciones como la locomoción. Es asombroso que las células puedan asumir espontáneamente nuevas funciones y crear nuevos planes corporales y comportamientos sin largos periodos de selección evolutiva para esas características."

"En cierto modo, los Xenobots están construidos de forma muy parecida a un robot tradicional. Sólo que utilizamos células y tejidos en lugar de componentes artificiales para construir la forma y crear un comportamiento predecible", dijo el científico principal Doug Blackiston, coautor del estudio con la técnica de investigación Emma Lederer. "En cuanto a la biología, este enfoque nos está ayudando a entender cómo se comunican las células cuando interactúan entre sí durante el desarrollo, y cómo podríamos controlar mejor esas interacciones".

Mientras los científicos de Tufts creaban los organismos físicos, los de la UVM se dedicaban a realizar simulaciones por ordenador que modelaban diferentes formas de los xenobots para ver si podían mostrar diferentes comportamientos, tanto individuales como en grupo. Utilizando el clúster de supercomputación Deep Green del Vermont Advanced Computing Core de la UVM, el equipo, dirigido por el informático y experto en robótica Josh Bongard y bajo cientos de miles de condiciones ambientales aleatorias utilizando un algoritmo evolutivo. Estas simulaciones se utilizaron para identificar a los Xenobots más capaces de trabajar juntos en enjambres para recoger grandes montones de desechos en un campo de partículas.

"Conocemos la tarea, pero no es en absoluto obvio -para las personas- cómo debería ser un diseño exitoso. Ahí es donde entra el superordenador y busca en el espacio de todos los posibles enjambres de Xenobots para encontrar el que mejor haga el trabajo", dice Bongard. "Queremos que los xenobots hagan un trabajo útil. Ahora mismo les asignamos tareas sencillas, pero en última instancia aspiramos a un nuevo tipo de herramienta viva que pueda, por ejemplo, limpiar microplásticos en el océano o contaminantes en el suelo."

Resulta que los nuevos Xenobots son mucho más rápidos y mejores en tareas como la recogida de basura que el modelo del año pasado, trabajando juntos en un enjambre para barrer una placa de Petri y recoger grandes montones de partículas de óxido de hierro. También pueden cubrir grandes superficies planas o desplazarse por capilares estrechos. Estos estudios también sugieren que las simulaciones in silico podrían optimizar en el futuro otras características de los robots biológicos para lograr comportamientos más complejos. Una característica importante añadida en la actualización de Xenobot es la capacidad de registrar información.

Ahora con memoria

Una característica central de la robótica es la capacidad de registrar la memoria y utilizar esa información para modificar las acciones y el comportamiento del robot. Para ello, los científicos de Tufts han diseñado los Xenobots con capacidad de lectura y escritura para registrar un bit de información, utilizando una proteína fluorescente llamada EosFP, que normalmente brilla en verde. Sin embargo, cuando se expone a la luz a una longitud de onda de 390 nm, la proteína emite luz roja en su lugar.

A las células de los embriones de rana se les inyectó el ARN mensajero que codifica la proteína EosFP antes de extirpar las células madre para crear los Xenobots. Los Xenobots maduros tienen ahora un interruptor fluorescente incorporado que puede registrar la exposición a la luz azul de unos 390 nm.

Los investigadores probaron la función de memoria dejando que 10 Xenobots nadaran alrededor de una superficie en la que se iluminaba un punto con un haz de luz de 390 nm. Al cabo de dos horas, comprobaron que tres robots emitían luz roja. El resto mantenía su color verde original, registrando así la "experiencia de viaje" de los robots.

Esta prueba de principio de la memoria molecular podría ampliarse en el futuro para detectar y registrar no sólo la luz, sino también la presencia de contaminación radiactiva, contaminantes químicos, medicamentos o una enfermedad. La ingeniería posterior de la función de memoria podría permitir el registro de múltiples estímulos (más bits de información) o permitir que los robots liberen compuestos o cambien de comportamiento al sentir los estímulos.

"Cuando incorporemos más capacidades a los robots, podremos utilizar las simulaciones por ordenador para diseñarlos con comportamientos más complejos y la capacidad de realizar tareas más elaboradas", dijo Bongard. "Podríamos diseñarlos no sólo para informar de las condiciones de su entorno, sino también para modificar y reparar las condiciones de su entorno".

Xenobot, cúrate a ti mismo

"Los materiales biológicos que estamos utilizando tienen muchas características que nos gustaría implementar algún día en los robots: las células pueden actuar como sensores, motores para el movimiento, redes de comunicación y computación, y dispositivos de grabación para almacenar información", dijo Levin. "Una cosa que los xenobots y las futuras versiones de los robots biológicos pueden hacer que sus homólogos de metal y plástico tienen dificultades para hacer es construir su propio plan corporal a medida que las células crecen y maduran, y luego repararse y restaurarse si se dañan. La curación es una característica natural de los organismos vivos, y se conserva en la biología de los xenobots".

Los nuevos xenobots eran notablemente adeptos a la curación y cerraban la mayor parte de una laceración grave de longitud completa de la mitad de su grosor en los 5 minutos siguientes a la lesión. Todos los robots lesionados fueron capaces, en última instancia, de curar la herida, recuperar su forma y continuar su trabajo como antes.

Otra ventaja de un robot biológico, añade Levin, es el metabolismo. A diferencia de los robots de metal y plástico, las células de un robot biológico pueden absorber y descomponer sustancias químicas y funcionan como pequeñas fábricas que sintetizan y excretan sustancias químicas y proteínas. Todo el campo de la biología sintética -que se ha centrado en gran medida en la reprogramación de organismos unicelulares para producir moléculas útiles- puede aprovecharse ahora en estas criaturas multicelulares.

Al igual que los Xenobots originales, los robots mejorados pueden sobrevivir hasta diez días con sus reservas de energía embrionarias y realizar sus tareas sin fuentes de energía adicionales, pero también pueden seguir a pleno rendimiento durante muchos meses si se mantienen en una "sopa" de nutrientes.

Lo que los científicos buscan realmente

Una atractiva descripción de los robots biológicos y de lo que podemos aprender de ellos se presenta en una charla TED de Michael Levin.

En su charla TED, el profesor Levin no sólo describe el notable potencial de los diminutos robots biológicos para llevar a cabo tareas útiles en el medio ambiente o potencialmente en aplicaciones terapéuticas, sino que también señala lo que puede ser el beneficio más valioso de esta investigación: utilizar los robots para entender cómo las células individuales se unen, se comunican y se especializan para crear un organismo más grande, como lo hacen en la naturaleza para crear una rana o un humano. Es un nuevo sistema modelo que puede servir de base para la medicina regenerativa.

Los xenobots y sus sucesores también pueden aportar información sobre cómo surgieron los organismos multicelulares a partir de antiguos organismos unicelulares, y sobre los orígenes del procesamiento de la información, la toma de decisiones y la cognición en los organismos biológicos.

Reconociendo el enorme futuro de esta tecnología, la Universidad de Tufts y la Universidad de Vermont han creado el Instituto de Organismos Diseñados por Ordenador (ICDO), que se pondrá en marcha formalmente en los próximos meses, y que reunirá recursos de cada universidad y de fuentes externas para crear robots vivos con capacidades cada vez más sofisticadas.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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