Des Xenobots conçus par l’IA révèlent une toute nouvelle forme d’auto-réplication biologique, prometteuse pour la médecine régénérative

Aujourd’hui, des scientifiques de l’Université du Vermont, de l’Université Tufts et du Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de l’Université Harvard ont découvert une toute nouvelle forme de reproduction biologique et ont appliqué leur découverte pour créer les tout premiers robots vivants auto-réplicants.

La même équipe qui a construit les premiers robots vivants (“Xenobots”, assemblés à partir de cellules de grenouilles – rapporté en 2020) a découvert que ces organismes conçus par ordinateur et assemblés à la main peuvent nager dans leur petit plat, trouver des cellules individuelles, rassembler des centaines d’eux ensemble, et assemblez des “bébés” Xenobots à l’intérieur de leur “bouche” en forme de Pac-Man – qui, quelques jours plus tard, deviennent de nouveaux Xenobots qui ressemblent et bougent comme eux-mêmes.

Et puis ces nouveaux Xenobots peuvent sortir, trouver des cellules et créer des copies d’eux-mêmes. Encore et encore.

“Avec la bonne conception, ils s’auto-répliqueront spontanément”, déclare Joshua Bongard, Ph.D., informaticien et expert en robotique à l’Université du Vermont qui a codirigé la nouvelle recherche.

Les résultats de la nouvelle recherche ont été publiés le 29 novembre 2021 dans le Actes de l’Académie nationale des sciences.

Dans l’inconnu

Dans un Xénope laevis grenouille, ces cellules embryonnaires se développeraient en peau. “Ils seraient assis à l’extérieur d’un têtard, empêchant les agents pathogènes d’entrer et redistribuant le mucus”, explique Michael Levin, Ph.D., professeur de biologie et directeur du Allen Discovery Center de l’Université Tufts et co-directeur du nouveau recherche. “Mais nous les plaçons dans un nouveau contexte. Nous leur donnons une chance de réinventer leur multicellularité.” Levin est également membre associé du corps professoral de l’Institut Wyss.

Et ce qu’ils imaginent est bien différent de la peau. “Les gens pensent depuis longtemps que nous avons découvert toutes les façons dont la vie peut se reproduire ou se répliquer. Mais c’est quelque chose qui n’a jamais été observé auparavant”, déclare le co-auteur Douglas Blackiston, Ph.D., le principal scientifique de l’Université Tufts et de l’Institut Wyss qui a réuni les “parents” Xenobot et développé la partie biologique de la nouvelle étude.

“C’est profond”, dit Levin. “Ces cellules ont le génome d’une grenouille, mais, libérées de devenir des têtards, elles utilisent leur intelligence collective, une plasticité, pour faire quelque chose d’étonnant.” Lors d’expériences antérieures, les scientifiques étaient étonnés que les Xenobots puissent être conçus pour accomplir des tâches simples. Maintenant, ils sont stupéfaits que ces objets biologiques – une collection de cellules conçue par ordinateur – se reproduisent spontanément. “Nous avons le génome complet et non modifié de la grenouille”, dit Levin, “mais cela n’a donné aucune indication que ces cellules peuvent travailler ensemble sur cette nouvelle tâche”, consistant à rassembler puis à compresser des cellules séparées en auto-copies fonctionnelles.

“Ce sont des cellules de grenouille qui se répliquent d’une manière très différente de la façon dont les grenouilles le font. Aucun animal ou plante connu de la science ne se réplique de cette manière”, déclare Sam Kriegman, Ph.D., l’auteur principal de la nouvelle étude, qui a terminé son doctorat. dans le laboratoire de Bongard à l’UVM et est maintenant chercheur post-doctoral au Tuft’s Allen Center et au Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de l’Université de Harvard.

À lui seul, le parent Xenobot, composé de quelque 3 000 cellules, forme une sphère. “Ceux-ci peuvent faire des enfants, mais ensuite le système s’éteint normalement après cela. Il est très difficile, en fait, de faire en sorte que le système continue de se reproduire”, explique Kriegman. Mais grâce à un programme d’intelligence artificielle travaillant sur le cluster de supercalculateurs Deep Green du Vermont Advanced Computing Core de l’UVM, un algorithme évolutif a pu tester des milliards de formes corporelles en simulation – triangles, carrés, pyramides, étoiles de mer – pour trouver celles qui permettaient au cellules pour être plus efficaces lors de la réplication “cinématique” basée sur le mouvement rapportée dans la nouvelle recherche.

“Nous avons demandé au supercalculateur de l’UVM de comprendre comment ajuster la forme des parents initiaux, et l’IA a proposé des conceptions étranges après des mois de soufflage, dont une qui ressemblait à Pac-Man”, explique Kriegman. “C’est très peu intuitif. Cela semble très simple, mais ce n’est pas quelque chose qu’un ingénieur humain trouverait. Pourquoi une petite bouche ? Pourquoi pas cinq ? Nous avons envoyé les résultats à Doug et il a construit ces Xenobots parents en forme de Pac-Man. . Puis ces parents ont construit des enfants, qui ont construit des petits-enfants, qui ont construit des arrière-petits-enfants, qui ont construit des arrière-arrière-petits-enfants.” En d’autres termes, la bonne conception a considérablement prolongé le nombre de générations.

La réplication cinématique est bien connue au niveau des molécules, mais elle n’a jamais été observée auparavant à l’échelle de cellules entières ou d’organismes.

“Nous avons découvert qu’il existe cet espace auparavant inconnu dans les organismes, ou systèmes vivants, et c’est un vaste espace”, explique Bongard. “Comment allons-nous ensuite explorer cet espace ? Nous avons trouvé des Xenobots qui marchent. Nous avons trouvé des Xenobots qui nagent. Et maintenant, dans cette étude, nous avons trouvé des Xenobots qui se reproduisent cinématiquement. Qu’y a-t-il d’autre ?”

Ou, comme l’écrivent les scientifiques dans le Actes de l’Académie nationale des sciences étude : “la vie abrite des comportements surprenants juste sous la surface, attendant d’être découverts.”

Répondre au risque

Certaines personnes peuvent trouver cela exaltant. D’autres peuvent réagir avec inquiétude, voire terreur, à l’idée d’une biotechnologie autoréplicative. Pour l’équipe de scientifiques, l’objectif est une compréhension plus profonde.

“Nous travaillons à comprendre cette propriété : la réplication. Le monde et les technologies évoluent rapidement. Il est important, pour la société dans son ensemble, que nous étudiions et comprenions comment cela fonctionne”, explique Bongard. Ces machines vivantes de la taille d’un millimètre, entièrement contenues dans un laboratoire, facilement éteintes et contrôlées par des experts en éthique fédéraux, étatiques et institutionnels, “ne sont pas ce qui me tient éveillé la nuit. Ce qui présente un risque, c’est la prochaine pandémie ; l’accélération des dommages causés à l’écosystème par la pollution ; intensification des menaces du changement climatique », déclare Bongard de l’UVM. “Il s’agit d’un système idéal pour étudier les systèmes d’auto-réplication. Nous avons un impératif moral pour comprendre les conditions dans lesquelles nous pouvons le contrôler, le diriger, l’étouffer, l’exagérer.”

Bongard pointe du doigt l’épidémie de COVID et la chasse au vaccin. “La vitesse à laquelle nous pouvons produire des solutions est profondément importante. Si nous pouvons développer des technologies, en apprenant des Xenobots, où nous pouvons rapidement dire à l’IA : “Nous avons besoin d’un outil biologique qui fait X et Y et supprime Z”, cela pourrait être très bénéfique. Aujourd’hui, cela prend énormément de temps. L’équipe vise à accélérer la rapidité avec laquelle les gens peuvent passer de l’identification d’un problème à la génération de solutions – “comme le déploiement de machines vivantes pour extraire les microplastiques des cours d’eau ou créer de nouveaux médicaments”, explique Bongard.

“Nous devons créer des solutions technologiques qui évoluent au même rythme que les défis auxquels nous sommes confrontés”, déclare Bongard.

Et l’équipe voit des promesses dans la recherche de progrès vers la médecine régénérative. “Si nous savions comment dire à des collections de cellules de faire ce que nous voulions qu’elles fassent, en fin de compte, c’est de la médecine régénérative – c’est la solution aux blessures traumatiques, aux malformations congénitales, au cancer et au vieillissement”, explique Levin. “Tous ces différents problèmes sont là parce que nous ne savons pas comment prédire et contrôler quels groupes de cellules vont se construire. Les Xenobots sont une nouvelle plate-forme pour nous enseigner.”

Vidéo des premiers robots vivants autoréplicatifs au monde : https://www.youtube.com/watch?v=aBYtBXaxsOw