Creados los primeros organismos vivos programables

xenobots

Amparo Tolosa, Genotipia

 

Están formados por células vivas y han sido diseñados para adoptar ciertas formas o realizar ciertas funciones de forma autónoma. Hablamos de los biobots, los organismos vivos programables que han sido diseñados mediante biología sintética por investigadores de la Universidad Tufts y la Universidad de Vermont.

Estos organismos vivos de diseño están formados por células derivadas de embriones de rana de la especie Xenopus laevis (sus creadores los denominan xenobots por esta razón). Sin embargo, más allá de su material hereditario no tienen ninguna relación con esta especie animal, ni con ninguna otra especie conocida. “Son innovadoras máquinas vivientes”, señala Joshua Bongard experto en robótica de la Universidad de Vermont y uno de los investigadores responsables del trabajo.

 

organismos vivos programables
Uno de los organismos programables creados, más pequeño que una cabeza de alfiler. Imagen: Douglas Blackiston, Tufts University.

 

Esta es la primera vez que un grupo de investigadores crea un organismo con características propias, sin reproducir estructuras de otros seres vivos. De momento, las “máquinas vivientes” de las que habla Bongard, son organismos diseñados para adquirir una forma concreta, moverse en círculos o interaccionar con objetos. Además, pueden realizar acciones de forma colectiva. Sus creadores plantean que en el futuro podrían utilizarse en múltiples aplicaciones, desde la neutralización de sustancias tóxicas a la medicina regenerativa.

Creación de las “máquinas vivientes”

Para crear los xenobots, los investigadores desarrollaron un protocolo destinado a diseñar y evaluar organismos vivos, partiendo de información sobre sus características biofísicas. El elemento central utilizado por el equipo es un algoritmo evolutivo con el que crearon miles de diseños candidatos para nuevas formas de vida. En este paso, los investigadores utilizaron una supercomputadora de la Universidad de Vermont para generar miles de estructuras constituidas por dos tipos de piezas biológicas virtuales: unas con capacidad contráctil y otras pasivas. A continuación, el algoritmo informático evaluó qué estructuras de las creadas tendrían más éxito para realizar tareas concretas, como por ejemplo desplazarse en una dirección concreta.

Una vez seleccionadas estas estructuras virtuales, el siguiente paso fue probarlas in vivo, con material biológico real. En esta etapa concreta, intervino el equipo de investigadores de la Universidad de Tufts dirigido por Michael Levin. Los investigadores obtuvieron células madre de embriones de rana y las diferenciaron en progenitores de células musculares cardiacas (contráctiles) y progenitores de células epidérmicas (pasivas). Con estos dos tipos de células el equipo construyó las estructuras biológicas  que la supercomputadora había estimado como potencialmente más exitosas y comprobó in vivo si su comportamiento era el que habían estimado in silico. Con la información obtenida en este paso, los investigadores refinaron el algoritmo original, para mejorar el diseño de los xenobots, proceso que puede realizarse repetidas veces para optimizar los organismos programables.

 

xenobots
A la izquierda, estructura virtual de uno de los organismos programables identificada por el algoritmo evolutivo. A la derecha, organismo construido por células derivadas de embriones de rana, verdes en el caso de las células de la piel y rojas en el caso de células cardiacas. Imagen: Sam Kriegman, UVM.

 

Los investigadores han desarrollado diferentes xenobots formados por células pasivas (originalmente precursoras de la piel) y células contráctiles (originalmente células precursoras de células cardiacas), que permiten el movimiento del organismo. Como indican en el trabajo, publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), el resultado final del protocolo que han diseñado es una criatura viva tridimensional, derivada del diseño evolutivo, que tiene la capacidad para moverse y explorar un ambiente acuoso durante días o semanas, sin ningún requerimiento nutricional adicional.

 

 

 

Aplicaciones de los xenorobots

Los xenobots, que pueden ser optimizados por los investigadores, tienen la capacidad de desplazarse mediante movimientos ondulatorios, manipular objetos o incluso transportar objetos así como mostrar comportamientos colectivos. Su diseño y estudio ofrecen una nueva aproximación para conocer cómo se organizan y comunican las células entre sí, y cómo cooperan para realizar una función determinada.  “La gran cuestión en biología es entender los algoritmos que determinan la forma y la función”, señala Michal Levin, director del Centro de Biología Regenerativa y del Desarrollo en la Universidad de Tufts. “El genoma codifica para proteínas, pero las aplicaciones transformativas esperan nuestro descubrimiento de cómo el hardware permite que las células colaboren hacia la creación de anatomías funcionales bajo condiciones muy diferentes”.

Sus creadores han sugerido diversas aplicaciones posibles para los xenobots, como por ejemplo, la búsqueda de partículas contaminantes en el medio, la acumulación de microplásticos en los océanos o la eliminación de placas en las arterias. En el futuro, los xenobots podrían incluso transportar fármacos por el interior de nuestro organismo o utilizarse en medicina regenerativa.

Todavía queda mucha investigación y desarrollo para determinar si estas aplicaciones tienen opciones reales de convertirse en realidad. De momento, los investigadores destacan algunas de las ventajas de utilizar los organismos vivos programables como su característica de ser biodegradables cuando dejan de funcionar y mueren, así como el hecho de que pueden reconstituirse espontáneamente si se altera su estructura. “Los organismos reconfigurables podrían servir como un sistema modelo único que facilite el trabajo sobre la evolución de la multicelularidad, la exobiología, la vida artificial, la cognición basal y la medicina regenerativa”, manifiestan los autores en el trabajo.

Las consecuencias de crear nuevas formas de vida

Los primeros organismos vivos programables son prototipos susceptibles de múltiples mejoras según el objetivo para el que se vayan a utilizar. De momento, los investigadores han conseguido obtener máquinas vivientes de un tamaño reducido, pero el protocolo computacional utilizado puede realizar simulaciones con mayores números y bloques de células.

El desarrollo de estos organismos también ha planteado importantes cuestiones sobre los límites de la manipulación biológica y las consecuencias futuras de su utilización. Los autores del trabajo son conscientes del miedo que puede generar una tecnología basada en organismos vivos de diseño, pero defienden la necesidad de generar conocimiento que pueda mejorar el futuro de la especie humana. “Ese miedo no carece de razón”, señala Levin. “Cuando empezamos a tratar con sistemas complejos que no entendemos vamos a obtener consecuencias no deseadas”. El investigador destaca que “si la humanidad va a sobrevivir, necesitamos entender mejor cómo emergen las propiedades complejas a partir de normas simples”.

Por último, más allá de su utilización o aplicaciones, los organismos vivos programables desafían la propia definición de qué es un organismo vivo. Están formados por células vivas pero al mismo tiempo han sido diseñados para adquirir una estructura y una función concreta. Además, no pueden multiplicarse. Representan una entidad que, dependiendo de cómo y hacia dónde evolucionen los estudios, podría llegar a ser difícil de clasificar según los criterios habituales. “Toda esta creatividad innata existe en la vida”, señala Bongard. “Queremos entender esto de forma más profunda, y saber cómo podemos dirigirla y empujarla hacia nuevas formas”.

Referencia: Kriegman S, et al. A scalable pipeline for designing reconfigurable organisms. PNAS. 2020. Doi: https://doi.org/10.1073/pnas.1910837117

Fuente: Team Builds the First Living Robots. https://www.uvm.edu/uvmnews/news/team-builds-first-living-robots

 

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