Cómo nadar sin cerebro: potencial de los nanobots médicos
Muchos microorganismos pueden moverse de forma orientada en los líquidos. ¿Cómo lo hacen sin un sistema nervioso complejo?
Las bacterias pueden hacerlo, las amebas pueden hacerlo, incluso las células sanguíneas pueden hacerlo: todas ellas tienen la capacidad de moverse de forma orientada a un objetivo en los líquidos. Y lo hacen a pesar de tener estructuras extremadamente simples sin un sistema de control central (como un cerebro). ¿Cómo se explica esto? Un equipo de la Universidad Técnica de Viena, la Universidad de Viena y la Universidad de Tufts (EE.UU.) simularon este tipo de movimiento en un ordenador y pudieron demostrar que los movimientos natatorios son posibles incluso sin una unidad de control central. Esto no sólo explica el comportamiento de los microorganismos, sino que también podría permitir a los nanobots moverse de forma selectiva, por ejemplo para transportar fármacos al lugar adecuado del cuerpo.
Éxito incluso sin un sistema de control central
"Los microorganismos sencillos pueden imaginarse como compuestos de varias partes, un poco como un collar de perlas", explica Benedikt Hartl, del Instituto de Física Teórica de la Universidad Técnica de Viena y del Allen Discovery Center de la Universidad Tufts, autor principal de la presente publicación. "Las piezas individuales pueden moverse unas respecto a otras. Queríamos saber en qué circunstancias se produce un movimiento que hace que todo el organismo se mueva en la dirección deseada".
Esto es relativamente sencillo si existe un sistema de control central, algo así como un cerebro o al menos un centro nervioso. Ese centro puede dar órdenes específicas a cada una de las partes. Es fácil entender cómo esto puede dar lugar a un movimiento coordinado.
Pero un organismo unicelular no tiene células nerviosas ni un sistema central de procesamiento que pueda emitir órdenes. ¿Cómo es posible en este caso que surja un movimiento de natación coordinado? Si todas las partes individuales del microorganismo se comportan de acuerdo con reglas muy simples, ¿puede esto dar lugar a un comportamiento colectivo que conduzca a una natación eficiente?
Microorganismos simulados en ordenador
Esta cuestión se investigó mediante simulaciones por ordenador: los microorganismos se modelaron como cadenas de cuentas interconectadas. Cada una de estas cuentas puede ejercer una fuerza hacia la izquierda o hacia la derecha, pero cada cuenta sólo conoce la posición de sus vecinas inmediatas. No conoce el estado general del organismo ni el de las cuentas más alejadas.
"La cuestión crucial ahora es: ¿Existe un sistema de control, un conjunto de reglas sencillas, una estrategia de comportamiento que cada cuenta pueda seguir individualmente para que surja un movimiento de natación colectivo, sin ninguna unidad de control central?", afirma Benedikt Hartl.
En el ordenador, las cuentas individuales -las partes simuladas del microorganismo virtual- estaban equipadas con una forma muy simple de inteligencia artificial, una diminuta red neuronal con sólo 20 ó 50 parámetros, explica Hartl: "El término red neuronal quizá sea algo engañoso en este contexto; por supuesto, un organismo unicelular no tiene neuronas. Pero estos sistemas de control tan sencillos pueden implementarse dentro de una célula, por ejemplo, mediante circuitos físico-químicos muy simples que hacen que una zona específica del microorganismo realice un movimiento concreto."
Este sencillo sistema de control descentralizado se ha adaptado ahora al ordenador en busca del "código de control" más eficiente posible que produzca el mejor comportamiento natatorio. Con cada versión de este sistema de control, se permitió al microorganismo virtual nadar en un fluido viscoso simulado.
"Hemos podido demostrar que este método extremadamente sencillo basta para producir un comportamiento natatorio muy robusto", afirma Benedikt Hartl. "Aunque nuestro sistema carece de control central y cada segmento del microorganismo virtual se comporta según reglas muy sencillas, el resultado global es un comportamiento complejo suficiente para una locomoción eficiente".
Biología y tecnología
Este resultado no sólo es interesante porque explica el comportamiento complejo de sistemas biológicos muy simples, sino que también podría serlo para los nanobots producidos artificialmente: "Esto significa que también sería posible crear estructuras artificiales capaces de realizar tareas complejas con una programación muy sencilla", afirma Andreas Zöttl (Universidad de Viena). "Sería concebible, por ejemplo, construir nanobots que buscaran activamente la contaminación por petróleo en el agua y ayudaran a eliminarla. O incluso nanobots médicos que se desplacen de forma autónoma a lugares específicos del cuerpo para liberar un fármaco de forma selectiva."
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