29/11/2021, por Joshua Brown - Xenobots projetados por IA revelam uma forma totalmente nova de autorreplicação biológica - promissora para a medicina regenerativa. Para persistir, a vida deve se reproduzir. Ao longo de bilhões de anos, os organismos desenvolveram muitas maneiras de se replicar, desde plantas em brotamento até animais sexuais e vírus invasores. Agora, cientistas da Universidade de Vermont, Tufts University e do Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering da Harvard University
descobriram uma forma totalmente nova de reprodução biológica – e aplicaram sua descoberta para criar os primeiros robôs vivos auto-replicantes. A mesma equipe que construiu os primeiros robôs vivos (“Xenobots”, montados a partir de células de sapos – relatados em 2020) descobriu que esses organismos projetados por computador e montados à mão podem nadar em seu minúsculo prato, encontrar células únicas, reunir centenas de juntos, e montam Xenobots “bebês” dentro de sua “boca” em forma de Pac-Man – que, alguns dias depois, se tornam novos Xenobots que se parecem e se movem exatamente como eles. E então esses novos Xenobots podem sair, encontrar células e construir cópias de si mesmos. De novo e de novo.
“Com o design certo, eles se auto-replicam espontaneamente”, diz Joshua Bongard, Ph.D., cientista da computação e especialista em robótica da Universidade de Vermont, que co-liderou a nova pesquisa. Os resultados da nova pesquisa foram publicados em 29 de novembro de 2021, no Proceedings of the National Academy of Sciences.
No desconhecido
Em um sapo Xenopus laevis, essas células embrionárias se desenvolveriam em pele. “Eles estariam sentados do lado de fora de um girino, impedindo a entrada de patógenos e redistribuindo o muco”, diz Michael Levin, Ph.D., professor de biologia e diretor do Allen Discovery Center da Tufts University e co-líder do novo pesquisar. “Mas estamos colocando-os em um novo contexto. Estamos dando a eles a chance de reimaginar sua multicelularidade.” Levin também é membro do corpo docente associado do Wyss Institute.
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E o que eles imaginam é algo muito diferente da pele. “As pessoas pensaram por muito tempo que descobrimos todas as maneiras pelas quais a vida pode se reproduzir ou replicar. Mas isso é algo que nunca foi observado antes”, diz o coautor Douglas Blackiston, Ph.D., cientista sênior da Tufts University e do Wyss Institute que reuniu os “pais” do Xenobot e desenvolveu a parte biológica do novo estudo.
“Isso é profundo”, diz Levin. “Essas células têm o genoma de um sapo, mas, livres de se tornarem girinos, usam sua inteligência coletiva, uma plasticidade, para fazer algo surpreendente.” Em experimentos anteriores, os cientistas ficaram surpresos que os Xenobots pudessem ser projetados para realizar tarefas simples. Agora eles estão surpresos que esses objetos biológicos – uma coleção de células projetadas por computador – irão se replicar espontaneamente. “Temos o genoma completo e inalterado do sapo”, diz Levin, “mas não deu nenhuma dica de que essas células podem trabalhar juntas nessa nova tarefa”, de reunir e compactar células separadas em autocópias funcionais.
“São células de sapos se replicando de uma maneira muito diferente de como os sapos o fazem. Nenhum animal ou planta conhecido pela ciência se replica dessa maneira”, diz Sam Kriegman, Ph.D., principal autor do novo estudo, que concluiu seu doutorado. no laboratório de Bongard na UVM e agora é pesquisador de pós-doutorado no Tuft's Allen Center e no Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering da Universidade de Harvard.
Por conta própria, o pai do Xenobot, feito de cerca de 3.000 células, forma uma esfera. “Isso pode gerar filhos, mas o sistema normalmente desaparece depois disso. É muito difícil, na verdade, fazer com que o sistema continue se reproduzindo”, diz Kriegman. Mas com um programa de inteligência artificial trabalhando no cluster de supercomputadores Deep Green no Vermont Advanced Computing Core da UVM, um algoritmo evolucionário foi capaz de testar bilhões de formas corporais em simulação – triângulos, quadrados, pirâmides, estrelas do mar – para encontrar aqueles que permitiam que as células ser mais eficaz na replicação “cinemática” baseada em movimento relatada na nova pesquisa.
“Pedimos ao supercomputador da UVM para descobrir como ajustar a forma dos pais iniciais, e a IA apresentou alguns designs estranhos após meses de trabalho, incluindo um que se assemelhava ao Pac-Man”, diz Kriegman. “É muito pouco intuitivo. Parece muito simples, mas não é algo que um engenheiro humano inventaria. Por que uma boca pequena? Por que não cinco? Enviamos os resultados para Doug e ele construiu esses Xenobots pai em forma de Pac-Man. Então aqueles pais construíram filhos, que construíram netos, que construíram bisnetos, que construíram tataranetos.” Em outras palavras, o design certo ampliou muito o número de gerações.
A replicação cinemática é bem conhecida no nível das moléculas - mas nunca foi observada antes na escala de células ou organismos inteiros.
“Descobrimos que existe esse espaço anteriormente desconhecido dentro de organismos ou sistemas vivos, e é um espaço vasto”, diz Bongard. “Como então vamos explorar esse espaço? Encontramos Xenobots que andam. Encontramos Xenobots que nadam. E agora, neste estudo, encontramos Xenobots que se replicam cinematicamente. O que mais está lá fora?”
Ou, como os cientistas escrevem no estudo Proceedings of the National Academy of Science: “a vida abriga comportamentos surpreendentes logo abaixo da superfície, esperando para serem descobertos”.
Respondendo ao Risco
Algumas pessoas podem achar isso emocionante. Outros podem reagir com preocupação, ou mesmo terror, à noção de uma biotecnologia auto-replicante. Para a equipe de cientistas, o objetivo é uma compreensão mais profunda.
“Estamos trabalhando para entender essa propriedade: a replicação. O mundo e as tecnologias estão mudando rapidamente. É importante, para a sociedade como um todo, estudar e entender como isso funciona”, diz Bongard. Essas máquinas vivas de tamanho milimétrico, inteiramente contidas em um laboratório, facilmente extinguíveis e examinadas por especialistas em ética federal, estadual e institucional, “não são o que me mantém acordado à noite. O que apresenta risco é a próxima pandemia; acelerando os danos ao ecossistema causados pela poluição; intensificando as ameaças das mudanças climáticas”, diz Bongard, da UVM. “Este é um sistema ideal para estudar sistemas auto-replicantes. Temos um imperativo moral para entender as condições sob as quais podemos controlá-lo, direcioná-lo, extingui-lo, exagerá-lo”.
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Bongard aponta para a epidemia de COVID e a busca por uma vacina. “A velocidade com que podemos produzir soluções é muito importante. Se pudermos desenvolver tecnologias, aprendendo com Xenobots, onde possamos dizer rapidamente à IA: ‘Precisamos de uma ferramenta biológica que faça X e Y e suprima Z’ – isso pode ser muito benéfico. Hoje, isso leva muito tempo.” A equipe visa acelerar a rapidez com que as pessoas podem passar da identificação de um problema à geração de soluções – “como implantar máquinas vivas para retirar microplásticos de cursos d’água ou construir novos medicamentos”, diz Bongard.
“Precisamos criar soluções tecnológicas que cresçam na mesma proporção dos desafios que enfrentamos”, diz Bongard.
E a equipe vê promessa na pesquisa para avanços em medicina regenerativa. “Se soubéssemos dizer às coleções de células para fazerem o que queríamos que elas fizessem, em última análise, isso é medicina regenerativa – essa é a solução para lesões traumáticas, defeitos congênitos, câncer e envelhecimento”, diz Levin. “Todos esses problemas diferentes estão aqui porque não sabemos como prever e controlar quais grupos de células vão construir. Xenobots são uma nova plataforma para nos ensinar.”
Fonte: https://wyss.harvard.edu/