Home / Psychologie / De minuscules «xénobots» assemblés à partir de cellules promettent des progrès de la délivrance de médicaments au nettoyage des déchets toxiques – Actualite-sante

De minuscules «xénobots» assemblés à partir de cellules promettent des progrès de la délivrance de médicaments au nettoyage des déchets toxiques – Actualite-sante

#ScienceTwitter

Un livre est en bois. Mais ce n'est pas un arbre. Les cellules mortes ont été réutilisées pour répondre à un autre besoin.

Maintenant, une équipe de scientifiques a réutilisé des cellules vivantes – extraites d'embryons de grenouilles – et les a assemblées en de nouvelles formes de vie. Ces "xénobots" d'un millimètre de large peuvent se déplacer vers une cible, peut-être ramasser une charge utile (comme un médicament qui doit être transporté à un endroit spécifique à l'intérieur d'un patient) – et se guérir après avoir été coupés.

"Ce sont de nouvelles machines vivantes », explique Joshua Bongard, informaticien et expert en robotique à l'Université du Vermont qui a codirigé les nouvelles recherches. "Ils ne sont ni un robot traditionnel ni une espèce animale connue. C'est une nouvelle classe d'artefact: un organisme vivant et programmable."

Les nouvelles créatures ont été conçues sur un supercalculateur à l'UVM – puis assemblées et testées par biologistes à l'Université Tufts. "Nous pouvons imaginer de nombreuses applications utiles de ces robots vivants que d'autres machines ne peuvent pas faire", explique le co-leader Michael Levin qui dirige le Center for Regenerative and Developmental Biology at Tufts, "comme rechercher des composés nocifs ou une contamination radioactive, collecter des microplastiques dans les océans, voyageant dans les artères pour gratter la plaque. "

Les résultats de la nouvelle recherche ont été publiés le 13 janvier dans les Actes de l'Académie nationale des sciences .

Bespoke Living Systèmes

Les gens manipulent des organismes pour le bien de l'homme depuis au moins l'aube de l'agriculture, l'édition génétique se généralise et quelques organismes artificiels ont été assemblés manuellement au cours des dernières années – copiant les formes corporelles de

Mais cette recherche, pour la première fois, "conçoit des machines complètement biologiques à partir de zéro", écrit l'équipe dans sa nouvelle étude.

Avec des mois de traitement u temps passé sur le cluster de superordinateurs Deep Green du Vermont Advanced Computing Core d'UVM, l'équipe – y compris l'auteur principal et doctorant Sam Kriegman – a utilisé un algorithme évolutif pour créer des milliers de conceptions candidates pour les nouvelles formes de vie. Tentant d'accomplir une tâche assignée par les scientifiques – comme la locomotion dans une direction – l'ordinateur réassemblerait encore et encore quelques centaines de cellules simulées en une myriade de formes et de formes corporelles. Au fur et à mesure que les programmes se déroulaient – guidés par des règles de base sur la biophysique de ce que la peau de grenouille et les cellules cardiaques peuvent faire – les organismes simulés les plus performants ont été conservés et affinés, tandis que les conceptions échouées ont été jetées. Après une centaine d'exécutions indépendantes de l'algorithme, les conceptions les plus prometteuses ont été sélectionnées pour les tests.

Puis l'équipe de Tufts, dirigée par Levin et avec le travail clé du microchirurgien Douglas Blackiston – a donné vie aux conceptions in silico. Ils ont d'abord rassemblé des cellules souches, récoltées à partir d'embryons de grenouilles africaines, l'espèce Xenopus laevis . (D'où le nom de "xénobots".) Ceux-ci ont été séparés en cellules individuelles et laissés à incuber. Puis, à l'aide de minuscules pinces et d'une électrode encore plus petite, les cellules ont été coupées et réunies sous un microscope dans une approximation proche des dessins spécifiés par l'ordinateur.

Assemblées en formes corporelles jamais vues dans la nature, les cellules ont commencé à travailler ensemble . Les cellules de la peau ont formé une architecture plus passive, tandis que les contractions une fois aléatoires des cellules du muscle cardiaque ont été mises à contribution pour créer un mouvement vers l'avant ordonné, guidé par la conception de l'ordinateur, et aidé par des modèles spontanés d'auto-organisation – permettant aux robots de passer à autre chose.

Ces organismes reconfigurables se sont avérés capables de se déplacer de manière cohérente – et d'explorer leur environnement aquatique pendant des jours ou des semaines, alimentés par des réserves d'énergie embryonnaire. Mais, retournés, ils ont échoué, comme des coléoptères renversés sur le dos.

Des tests ultérieurs ont montré que des groupes de xénobots se déplaçaient en rond, poussant les boulettes dans un emplacement central – spontanément et collectivement. D'autres ont été construits avec un trou au centre pour réduire la traînée. Dans des versions simulées de ceux-ci, les scientifiques ont pu réutiliser ce trou comme une poche pour transporter avec succès un objet. «C'est une étape vers l'utilisation d'organismes conçus par ordinateur pour l'administration intelligente de médicaments», explique Bongard, professeur au Département d'informatique et de Centre des systèmes complexes de l'UVM.

Living Technologies

De nombreuses technologies sont fabriquées en acier, béton ou plastique. Cela peut les rendre solides ou flexibles. Mais ils peuvent également créer des problèmes écologiques et de santé humaine, comme le fléau croissant de la pollution plastique dans les océans et la toxicité de nombreux matériaux synthétiques et électroniques. "L'inconvénient des tissus vivants est qu'ils sont faibles et qu'ils se dégradent", explique Bongard. "C'est pourquoi nous utilisons de l'acier. Mais les organismes ont 4,5 milliards d'années de pratique pour se régénérer et durer des décennies." Et quand ils arrêtent de travailler – la mort – ils se désintègrent généralement sans danger. "Ces xénobots sont entièrement biodégradables", explique Bongard, "lorsqu'ils ont terminé leur travail après sept jours, ce ne sont que des cellules mortes."

Votre ordinateur portable est une technologie puissante. Mais essayez de le couper en deux. Ça ne marche pas si bien. Dans les nouvelles expériences, les scientifiques ont coupé les xénobots et regardé ce qui s'était passé. «Nous avons coupé le robot presque en deux et il se recroqueville et continue», explique Bongard. "Et c'est quelque chose que vous ne pouvez pas faire avec des machines typiques."

Déchiffrer le code

Levin et Bongard disent tous deux le potentiel de ce qu'ils ont appris sur la façon dont les cellules communiquent et se connectent s'étend profondément à la fois la science informatique et notre compréhension de la vie. "La grande question en biologie est de comprendre les algorithmes qui déterminent la forme et la fonction", explique Levin. "Le génome code pour les protéines, mais des applications transformatrices attendent notre découverte de la façon dont ce matériel permet aux cellules de coopérer pour créer des anatomies fonctionnelles dans des conditions très différentes."

Pour faire se développer et fonctionner un organisme, il y a beaucoup de partage d'informations et de coopération. – le calcul organique – qui se passe dans et entre les cellules tout le temps, pas seulement dans les neurones. Ces propriétés émergentes et géométriques sont façonnées par des processus bioélectriques, biochimiques et biomécaniques, "qui fonctionnent sur du matériel spécifié par l'ADN", dit Levin, "et ces processus sont reconfigurables, permettant de nouvelles formes vivantes."

Les scientifiques voient le travail présenté dans leur nouvelle étude PNAS – «Un pipeline évolutif pour la conception d'organismes reconfigurables», – comme une étape dans l'application des connaissances sur ce code bioélectrique à la biologie et à l'informatique. "Qu'est-ce qui détermine réellement l'anatomie avec laquelle les cellules coopèrent?" Demande Levin. "Vous regardez les cellules avec lesquelles nous avons construit nos xénobots et, génomiquement, ce sont des grenouilles. C'est de l'ADN de grenouille à 100% – mais ce ne sont pas des grenouilles. Ensuite, vous demandez, eh bien, de quoi d'autre ces cellules sont-elles capables? "

" Comme nous l'avons montré, ces cellules de grenouille peuvent être cajolées pour créer des formes vivantes intéressantes qui sont complètement différentes de ce que serait leur anatomie par défaut "", explique Levin. Lui et les autres scientifiques de l'équipe UVM et Tufts – avec le soutien du programme Lifelong Learning Machines de la DARPA et de la National Science Foundation – croient que la construction des xénobots est un petit pas vers la destruction de ce qu'il appelle le "code morphogénétique", fournissant un une vision plus approfondie de l'organisation globale des organismes – et de la manière dont ils calculent et stockent les informations en fonction de leur histoire et de leur environnement.

Future Shocks

Beaucoup de gens s'inquiètent des implications d'un changement technologique rapide et manipulations biologiques complexes. "Cette crainte n'est pas déraisonnable", dit Levin. "Lorsque nous commençons à jouer avec des systèmes complexes que nous ne comprenons pas, nous allons avoir des conséquences imprévues." Un grand nombre de systèmes complexes, comme une colonie de fourmis, commencent par une simple unité – une fourmi – à partir de laquelle il serait impossible de prédire la forme de leur colonie ou comment ils peuvent construire des ponts sur l'eau avec leurs corps liés. [19659003] "Si l'humanité veut survivre dans le futur, nous devons mieux comprendre comment les propriétés complexes, d'une manière ou d'une autre, émergent de règles simples", dit 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", dit-il. "Si vous vouliez une fourmilière avec deux cheminées au lieu d'une, comment modifier les fourmis? Nous n'en aurions aucune idée."

"Je pense que c'est une nécessité absolue pour la société d'aller de l'avant pour mieux gérer les systèmes où le résultat est très complexe ", dit Levin. "Une première étape vers cela consiste à explorer: comment les systèmes vivants décident-ils d'un comportement global et comment manipuler les pièces pour obtenir les comportements que nous voulons?"

En d'autres termes, "cette étude est une étude directe contribution à obtenir une idée de ce dont les gens ont peur, ce qui est des conséquences inattendues », dit Levin – que ce soit dans l'arrivée rapide des voitures autonomes, la modification des lecteurs de gènes pour éliminer des lignées entières de virus, ou les nombreux autres complexes et des systèmes autonomes qui façonneront de plus en plus l'expérience humaine.

"Il y a toute cette créativité innée dans la vie", explique Josh Bongard de l'UVM. "Nous voulons comprendre cela plus profondément – et comment nous pouvons le diriger et le pousser vers de nouvelles formes."

Source

About Actus-sante

Check Also

La portée de la sélection naturelle s'étend au-delà du génome dans l'épigénome, selon une étude – Actualite-sante

#ScienceTwitter Le domaine de la biologie évolutive a vu sa part de débats animés. Mais …

Laisser un commentaire