Científicos reutilizan células vivas de ranas para desarrollar el primer robot vivo del mundo

En un notable cruce entre la vida biológica y la robótica, un equipo de científicos ha reutilizado células vivas de ranas y las ha utilizado para desarrollar “xenobots”. Las células provienen de embriones de ranas, y los xenobots tienen solo un milímetro de ancho. Son capaces de moverse hacia un objetivo, posiblemente recoger una carga, como medicina para el interior del cuerpo humano, y curarse a sí mismos después de ser cortados o dañados.

“Estas son máquinas vivas nuevas”, según Joshua Bongard, un científico informático y experto en robótica de la Universidad de Vermont, quien codirigió la nueva investigación. “No son un robot tradicional ni una especie de animal conocida. Es una nueva clase de artefacto: un organismo vivo y programable”.

Los científicos diseñaron los robots en una supercomputadora en la Universidad de Vermont, y un grupo de biólogos en la Universidad de Tufts los ensambló y probó.

“Podemos imaginar muchas aplicaciones útiles de estos robots vivos que otras máquinas no pueden hacer”, dice el codirector Michael Levin, quien dirige el Centro de Biología Regenerativa y Desarrollo en Tufts, “como buscar compuestos nocivos o contaminación radioactiva, recoger microplásticos en los océanos, viajar en arterias para eliminar la placa”.

La investigación se publicó en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias el 13 de enero.

Según el equipo, esta es la primera vez que se diseñan máquinas biológicas completamente desde cero.

Tomó meses de tiempo de procesamiento en el clúster de supercomputadora Deep Green en el Vermont Advanced Computing Core de la UVM. El equipo incluyó al autor principal y estudiante de doctorado Sam Kriegman, y confiaron en un algoritmo evolutivo para desarrollar miles de diseños diferentes para las nuevas formas de vida.

Cuando la computadora se le asignó una tarea, como la locomoción en una dirección, continuamente volvía a ensamblar un par de cientos de células simuladas en diferentes formas y cuerpos. A medida que se ejecutaban los programas, se conservaban y refinaban los organismos simulados más exitosos. El algoritmo se ejecutó de forma independiente cien veces, y se seleccionaron los mejores diseños para su prueba.

El equipo de Tufts, liderado por Levin y con la ayuda del microcirujano Douglas Blackiston, luego asumió el proyecto. Pasaron los diseños a la siguiente etapa, que era la vida. El equipo recogió células madre que se obtuvieron de embriones de ranas africanas, la especie Xenopus laevis. Se separaron las células individuales y se dejaron incubar. El equipo utilizó pequeños fórceps y un electrodo para cortar las células y unirlas bajo un microscopio en los diseños creados por la computadora.

Las células se ensamblaron en formas corporales completamente nuevas y comenzaron a trabajar juntas. Las células de la piel se desarrollaron en una construcción más pasiva y las células del músculo cardíaco fueron responsables de crear un movimiento hacia adelante ordenado, guiado por el diseño de la computadora. Los robots pudieron moverse por sí solos debido a los patrones de autoorganización espontáneos.

Los organismos fueron capaces de moverse de manera coherente y duraron días o semanas explorando su entorno acuático. Dependen de las reservas de energía embrionaria, pero fallan una vez que se les da la vuelta en sus espaldas.

“Es un paso hacia el uso de organismos diseñados por computadora para la entrega inteligente de medicamentos”, dice Bongard, profesor en el Departamento de Ciencias de la Computación y el Centro de Sistemas Complejos de la UVM.

Dado que los xenobots son tecnologías vivas, tienen ciertas ventajas.

“La desventaja del tejido vivo es que es débil y se degrada”, dice Bongard. “Es por eso que usamos acero. Pero los organismos tienen 4.5 mil millones de años de práctica en regenerarse a sí mismos y seguir adelante durante décadas. Estos xenobots son completamente biodegradables”, continúa. “Cuando terminan su trabajo después de siete días, solo son células muertas de la piel”.

Estos desarrollos tendrán grandes implicaciones para el futuro.

“Si la humanidad va a sobrevivir en el futuro, necesitamos entender mejor cómo emergen propiedades complejas de reglas simples”, dice Levin. “Mucha de la ciencia se centra en controlar las reglas de bajo nivel. También necesitamos entender las reglas de alto nivel. Si queremos un hormiguero con dos chimeneas en lugar de una, ¿cómo modificamos las hormigas? No tendríamos idea”.

“Creo que es una necesidad absoluta para la sociedad avanzar hacia el futuro para tener un mejor control sobre los sistemas en los que el resultado es muy complejo. Un primer paso hacia hacerlo es explorar: ¿cómo deciden los sistemas vivos qué comportamiento general deben tener y cómo manipulamos las piezas para obtener los comportamientos que queremos?”

“Este estudio es una contribución directa para entender lo que la gente teme, que son las consecuencias no deseadas, ya sea en la llegada rápida de los coches autónomos, el cambio de impulsores genéticos para eliminar linajes completos de virus, o los muchos otros sistemas complejos y autónomos que cada vez más darán forma a la experiencia humana”.

“Hay toda esta creatividad innata en la vida”, dice Josh Bongard de la UVM. “Queremos entender eso más profundamente, y cómo podemos dirigirlo y empujarlo hacia nuevas formas”.