Les scientifiques réutilisent des cellules de grenouille vivantes pour développer le premier robot vivant du monde

Dans ce qui est un remarquable croisement entre la vie biologique et la robotique, une équipe de scientifiques a réutilisé des cellules de grenouille vivantes et les a utilisées pour développer des « xénobots ». Les cellules provenaient d’embryons de grenouille, et les xénobots ne mesurent qu’un millimètre de large. Ils sont capables de se déplacer vers une cible, de ramasser une charge utile telle que des médicaments à l’intérieur du corps humain, et de se guérir après avoir été coupés ou endommagés.

“Ce sont des machines vivantes nouvelles”, selon Joshua Bongard, un informaticien et expert en robotique à l’Université du Vermont qui a co-dirigé la nouvelle recherche. “Ils ne sont ni un robot traditionnel ni une espèce d’animal connue. C’est une nouvelle classe d’artefact : un organisme vivant et programmable.”

Les scientifiques ont conçu les robots sur un supercalculateur à l’Université du Vermont, et un groupe de biologistes à l’Université Tufts les a assemblés et testés.

“Nous pouvons imaginer de nombreuses applications utiles de ces robots vivants que d’autres machines ne peuvent pas faire”, déclare le co-dirigeant Michael Levin, qui dirige le Centre de biologie régénérative et développementale de Tufts, “comme la recherche de composés nocifs ou de contamination radioactive, la collecte de microplastiques dans les océans, le déplacement dans les artères pour éliminer la plaque.”

La recherche a été publiée dans les Proceedings of the National Academy of Sciences le 13 janvier.

Selon l’équipe, c’est la première fois que la recherche « conçoit complètement des machines biologiques à partir de zéro ».

Cela a nécessité des mois de temps de traitement sur le cluster de supercalculateur Deep Green du Vermont Advanced Computing Core de l’UVM. L’équipe comprenait l’auteur principal et l’étudiant doctorant Sam Kriegman, et ils ont utilisé un algorithme évolutif pour développer des milliers de conceptions différentes pour les nouvelles formes de vie.

Lorsque l’ordinateur était chargé de compléter une tâche donnée par les scientifiques, telle que la locomotion dans une direction, il réassemblait continuellement quelques centaines de cellules simulées en différentes formes et corps. Au fur et à mesure que les programmes s’exécutaient, les organismes simulés les plus réussis étaient conservés et affinés. L’algorithme a fonctionné indépendamment cent fois, et les meilleures conceptions ont été sélectionnées pour les tests.

L’équipe de Tufts, dirigée par Levin et avec l’aide du microchirurgien Douglas Blackiston, a ensuite repris le projet. Ils ont transféré les conceptions dans la prochaine étape, qui était la vie. L’équipe a récolté des cellules souches provenant des embryons de grenouilles africaines, l’espèce Xenopus laevis. Les cellules uniques ont été séparées et laissées à incuber. L’équipe a utilisé de petites pinces et une électrode pour couper les cellules et les joindre sous un microscope dans les conceptions créées par l’ordinateur.

Les cellules ont été assemblées en formes de corps entièrement nouvelles, et elles ont commencé à fonctionner ensemble. Les cellules de peau se sont développées en une structure plus passive et les cellules du muscle cardiaque étaient responsables de la création d’un mouvement ordonné vers l’avant, guidé par la conception de l’ordinateur. Les robots ont pu se déplacer seuls en raison des modèles auto-organisés spontanés.

Les organismes étaient capables de se déplacer de manière cohérente, et ils ont duré des jours ou des semaines en explorant leur environnement aquatique. Ils ont compté sur les réserves d’énergie embryonnaires, mais ils ont échoué une fois retournés sur le dos.

“C’est un pas vers l’utilisation d’organismes conçus par ordinateur pour une livraison de médicaments intelligente”, déclare Bongard, professeur au département d’informatique et de systèmes complexes de l’UVM.

Puisque les xénobots sont des technologies vivantes, ils ont certains avantages.

“L’inconvénient des tissus vivants, c’est qu’ils sont faibles et qu’ils se dégradent”, déclare Bongard. “C’est pourquoi nous utilisons l’acier. Mais les organismes ont 4,5 milliards d’années de pratique pour se régénérer et durer des décennies. Ces xénobots sont entièrement biodégradables”, poursuit-il. “Lorsqu’ils ont terminé leur travail après sept jours, ils ne sont que des cellules de peau mortes.”

Ces développements auront de grandes implications pour l’avenir.

“Si l’humanité doit survivre dans le futur, nous devons mieux comprendre comment les propriétés complexes, d’une manière ou d’une autre, émergent de règles simples”, déclare Levin. “Une grande partie de la science se concentre sur le contrôle des règles de bas niveau. Nous devons également comprendre les règles de haut niveau. Si vous vouliez une fourmilière avec deux cheminées au lieu d’une, comment modifiez-vous les fourmis ? Nous n’aurions aucune idée.”

“Je pense que c’est une nécessité absolue pour la société à venir de mieux comprendre les systèmes où le résultat est très complexe. Un premier pas pour y parvenir consiste à explorer : comment les systèmes vivants décident-ils d’un comportement général et comment pouvons-nous manipuler les pièces pour obtenir les comportements que nous voulons ?”

“Cette étude est une contribution directe à la compréhension de ce que les gens craignent, qui sont les conséquences involontaires, que ce soit dans l’arrivée rapide des voitures autonomes, le changement de conduites génétiques pour éliminer des lignées entières de virus, ou les nombreux autres systèmes complexes et autonomes qui façonneront de plus en plus l’expérience humaine.”

“Il y a toute cette créativité innée dans la vie”, déclare Josh Bongard de l’UVM. “Nous voulons la comprendre plus en profondeur – et comment nous pouvons la diriger et la pousser vers de nouvelles formes.”