Cientistas criam os primeiros robôs vivos que podem se reproduzir

Xenobots projetados por inteligência artificial revelam uma forma inteiramente nova de autorreplicação biológica e abrem uma porta para a medicina regenerativa

Organismo “pai” projetado por IA (forma de C; vermelho) ao lado das células-tronco que foram comprimidas em uma bola (“descendência”; verde). Crédito: Douglas Blackiston e Sam Kriegman

Diversas formas de se replicar foram desenvolvidas pelos organismos durante os bilhões de anos de vida na Terra, de plantas em brotamento a animais sexuais e vírus invasores. Agora os cientistas descobriram uma forma inteiramente nova de reprodução biológica, e usaram esse conhecimento para criar os primeiros robôs vivos que se autorreproduzem. O fascinante estudo a esse respeito pode ser lido na revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

A mesma equipe que construiu os primeiros robôs vivos (xenobots) descobriu que esses organismos projetados por computador e montados à mão podem nadar em seu minúsculo prato, encontrar células individuais, reunir centenas deles e montar xenobots “bebês” dentro de sua “boca” em forma de Pac-Man. Depois de alguns dias depois, esses xenobots bebês se tornam novos xenobots que se parecem e se movem exatamente como eles próprios. E o ciclo se repete: esses novos xenobots podem sair, encontrar células, construir cópias de si mesmos e…

“Com o design certo, eles irão se autorreplicar espontaneamente”, afirmou Joshua Bongard, cientista da computação e especialista em robótica da Universidade de Vermont que coliderou a nova pesquisa.

Organismos projetados com IA (em forma de C) empurram células-tronco soltas (brancas) em pilhas à medida que se movem em seu ambiente. Crédito: Douglas Blackiston e Sam Kriegman
Algo espantoso

Em uma rã Xenopus laevis, essas células embrionárias se desenvolveriam na pele. “Elas estariam assentadas do lado de fora de um girino, afastando os patógenos e redistribuindo o muco”, disse Michael Levin, professor de biologia e diretor do Allen Discovery Center da Universidade Tufts e colíder da nova pesquisa. “Mas estamos colocando-as em um novo contexto. Estamos dando a ela a chance de reimaginar sua multicelularidade.”

O que eles imaginam é algo muito diferente da pele. “As pessoas pensam há 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”, disse o coautor Douglas Blackiston, o cientista sênior da Universidade Tufts que reuniu os “pais” do xenobot e desenvolveu a parte biológica do novo estudo.

“Isso é profundo”, afirmou Levin. “Essas células têm o genoma de um sapo, mas, livres de se tornarem girinos, usam sua inteligência coletiva, uma plasticidade, para fazer algo espantoso.”

Em experimentos anteriores, os cientistas ficaram surpresos com o fato de os xenobots serem projetados para realizar tarefas simples. Agora, a surpresa advém do fato de que esses objetos biológicos – uma coleção de células projetada por computador – irão se replicar espontaneamente. “Temos o genoma completo e inalterado do sapo”, disse  Levin, “mas isso não deu nenhuma pista de que essas células podem trabalhar juntas nessa nova tarefa”, de reunir e compactar células separadas em autocópias de trabalho.

Teste gigantesco

“Essas são células de rã que se replicam de uma maneira muito diferente de como as rãs fazem. Nenhum animal ou planta conhecida pela ciência se replica dessa maneira”, afirmou Sam Kriegman, o principal autor do novo estudo, que concluiu seu doutorado no laboratório de Bongard na Universidade de Vermont e agora é pesquisador de pós-doutorado no Allen Center da Universidade Tufts e no Instituto Wyss da Universidade Harvard.

Por conta própria, o xenobot pai, feito de cerca de 3 mil células, forma uma esfera. “Isso pode gerar filhos, mas o sistema normalmente morre depois disso. É muito difícil, na verdade, fazer com que o sistema continue se reproduzindo”, disse Kriegman. Mas com um programa de inteligência artificial trabalhando no supercomputador da Universidade de Vermont, um algoritmo evolucionário conseguiu testar bilhões de formas corporais em simulação – triângulos, quadrados, pirâmides, estrelas do mar – para encontrar aqueles que permitissem às células ser mais eficazes na replicação “cinemática” baseada em movimento relatada na nova pesquisa.

“Pedimos ao supercomputador da Universidade de Vermont que descobrisse como ajustar a forma dos pais iniciais, e a inteligência artificial apresentou alguns designs estranhos depois de meses trabalhando, incluindo um que lembrava o Pac-Man”, disse Kriegman. “É muito não intuitivo. Parece muito simples, mas não é algo que um engenheiro humano inventaria. Por que uma pequena boca? Por que não cinco? Enviamos os resultados para Doug e ele construiu esses xenobots pais 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 estendeu muito o número de gerações.

Comportamentos surpreendentes

A replicação cinemática é bem conhecida no nível das moléculas. Mas ela nunca havia sido observada antes na escala de células inteiras ou organismos. “Descobrimos que existe esse espaço até então desconhecido dentro dos organismos, ou sistemas vivos, e é um espaço vasto”, disse Bongard. “Como vamos explorar esse espaço? Encontramos xenobots que andam. Encontramos xenobots que nadam. E agora, neste estudo, encontramos xenobots que se reproduzem cinematicamente. O que mais há por aí?” Ou, como os cientistas escrevem no artigo publicado na PNAS: “(…) a vida nutre comportamentos surpreendentes logo abaixo da superfície, esperando para serem descobertos”.

Algumas pessoas podem achar isso estimulante. Outros podem reagir com preocupação, ou mesmo terror, à noção de uma biotecnologia autorreplicante. Para os cientistas, o objetivo é um entendimento mais profundo.

“Estamos trabalhando para entender essa propriedade: a replicação. O mundo e as tecnologias estão mudando rapidamente. É importante, para a sociedade como um todo, estudarmos e entendermos como isso funciona”, afirmou Bongard. Essas máquinas vivas de tamanho milimétrico, inteiramente contidas em um laboratório, facilmente extintas e verificadas por especialistas em ética federais, estaduais e institucionais, “não são o que me mantém acordado à noite. O que apresenta risco é a próxima pandemia; os danos ao ecossistema causados ​​pela poluição em aceleração; as ameaças das mudanças climáticas se intensificando. Este é um sistema ideal para estudar sistemas autorreplicantes. Temos um imperativo moral de compreender as condições sob as quais podemos controlá-lo, direcioná-lo, apagá-lo, exagerá-lo.”

Desafios e soluções

A pandemia de covid-19 e a busca por uma vacina são destacadas por Bongard. “A velocidade com que podemos produzir soluções é muito importante. Se pudermos desenvolver tecnologias, aprendendo com os xenobots, em que podemos dizer rapidamente à inteligência artificial ‘Precisamos de uma ferramenta biológica que faça X e Y e suprima Z’, isso poderá ser muito benéfico. Hoje, isso leva muito tempo. “ A equipe tem como objetivo acelerar a velocidade com que as pessoas podem ir da identificação de um problema para a geração de soluções – “como a implantação de máquinas vivas para retirar microplásticos de cursos d’água ou construir novos medicamentos”, afirmou Bongard. “Precisamos criar soluções tecnológicas que cresçam na mesma proporção dos desafios que enfrentamos.”

A medicina regenerativa pode se beneficiar muito com a nova descoberta. “Se soubéssemos como dizer a coleções de células para fazer o que queríamos que fizessem, isso seria medicina regenerativa – essa é a solução para lesões traumáticas, defeitos de nascença, câncer e envelhecimento”, comentou Levin. “Todos esses problemas diferentes estão aqui porque não sabemos como prever e controlar quais grupos de células serão construir. Os xenobots são uma nova plataforma para nos ensinar.”

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