Cientistas Repropositam Células de Sapo Vivo para Desenvolver o Primeiro Robô Vivo do Mundo

Em uma notável combinação entre vida biológica e robótica, uma equipe de cientistas repropôs células vivas de sapo e as utilizou para desenvolver “xenobots”. As células vieram de embriões de sapo, e os xenobots têm apenas um milímetro de largura. Eles são capazes de se mover em direção a um alvo, possivelmente pegar uma carga, como medicamentos para o interior do corpo humano, e se curar após serem cortados ou danificados. 

“Estes são máquinas vivas novas”, de acordo com Joshua Bongard, um cientista da computação e especialista em robótica da Universidade de Vermont, que co-liderou a nova pesquisa. “Eles não são um robô tradicional nem uma espécie de animal conhecida. É uma nova classe de artefato: um organismo vivo e programável.”

Os cientistas projetaram os robôs em um supercomputador na Universidade de Vermont, e um grupo de biólogos da Universidade Tufts os montou e testou. 

“Podemos imaginar muitas aplicações úteis desses robôs vivos que outras máquinas não podem fazer”, diz o co-líder Michael Levin, que dirige o Centro de Biologia Regenerativa e Desenvolvimento da Universidade Tufts, “como procurar compostos nocivos ou contaminação radioativa, reunir microplásticos nos oceanos, viajar nas artérias para raspar a placa.”

A pesquisa foi publicada no Proceedings of the National Academy of Sciences em 13 de janeiro.

De acordo com a equipe, esta é a primeira vez que a pesquisa “projeta máquinas biológicas completamente do zero.”

Levou meses de tempo de processamento no cluster de supercomputador Deep Green no Vermont Advanced Computing Core da UVM. A equipe incluiu o autor principal e estudante de doutorado Sam Kriegman, e eles confiaram em um algoritmo evolutivo para desenvolver milhares de designs diferentes para as novas formas de vida. 

Quando o computador foi solicitado a completar uma tarefa dada pelos cientistas, como locomoção em uma direção, ele continuamente reorganizaria algumas centenas de células simuladas em diferentes formas e formatos de corpo. À medida que os programas executavam, os organismos simulados mais bem-sucedidos eram mantidos e aprimorados. O algoritmo executou independentemente cem vezes, e os melhores designs foram escolhidos para testes.

A equipe da Universidade Tufts, liderada por Levin e com a ajuda do microcirurgião Douglas Blackiston, então assumiu o projeto. Eles transferiram os designs para a próxima etapa, que era a vida. A equipe reuniu células-tronco que foram colhidas de embriões de sapos africanos, a espécie Xenopus laevis. Células individuais foram então separadas e deixadas para incubar. A equipe usou pinças minúsculas e um eletrodo para cortar as células e juntá-las sob um microscópio nos designs criados pelo computador.

As células foram montadas em novas formas de corpo, e começaram a funcionar juntas. As células da pele se desenvolveram em uma construção mais passiva e as células do músculo cardíaco foram responsáveis por criar movimento ordenado para a frente, guiado pelo design do computador. Os robôs foram capazes de se mover sozinhos devido aos padrões de auto-organização espontânea.

Os organismos foram capazes de se mover de maneira coerente, e duraram dias ou semanas explorando seu ambiente aquático. Eles confiaram nas lojas de energia embrionárias, mas falharam uma vez virados de costas. 

“É um passo em direção ao uso de organismos projetados por computador para entrega de medicamentos inteligentes”, diz Bongard, um professor no Departamento de Ciência da Computação e Centro de Sistemas Complexos da UVM.

Como os xenobots são tecnologias vivas, eles têm certas vantagens. 

“A desvantagem do tecido vivo é que é fraco e se degrada”, diz Bongard. “É por isso que usamos aço. Mas os organismos têm 4,5 bilhões de anos de prática em se regenerar e continuar por décadas. Esses xenobots são completamente biodegradáveis”, ele continua. “Quando eles terminam seu trabalho após sete dias, são apenas células de pele mortas.”

Esses desenvolvimentos terão grandes implicações para o futuro. 

“Se a humanidade vai sobreviver no futuro, precisamos entender melhor como propriedades complexas surgem de regras simples”, diz Levin. “Muito da ciência está focada em controlar as regras de baixo nível. Também precisamos entender as regras de alto nível. Se você quisesse um formigueiro com dois chaminés em vez de um, como você modificaria as formigas? Não teríamos ideia.”

“Acho que é uma necessidade absoluta para a sociedade avançar para entender sistemas onde o resultado é muito complexo. Um primeiro passo para fazer isso é explorar: como os sistemas vivos decidem qual deve ser o comportamento geral e como podemos manipular as peças para obter os comportamentos que queremos?”

“Este estudo é uma contribuição direta para entender o que as pessoas têm medo, que são consequências não intencionais, seja na chegada rápida de carros autodirigíveis, alterando drives genéticos para erradicar linhagens inteiras de vírus, ou os muitos outros sistemas complexos e autônomos que irão moldar cada vez mais a experiência humana.”

“Há toda essa criatividade inata na vida”, diz Josh Bongard, da UVM. “Queremos entender isso mais profundamente — e como podemos direcioná-lo e impulsioná-lo para novas formas.”