Un organisme « parent » conçu par l’IA (forme de C ; rouge) à côté de cellules souches qui ont été compressées en boule (« progéniture ; vert). Crédit : Douglas Blackiston et Sam Kriegman
Les Xenobots conçus par l’IA révèlent une toute nouvelle forme d’auto-réplication biologique, prometteuse pour la médecine régénérative.
Pour persister, la vie doit se reproduire. Au cours de milliards d’années, les organismes ont évolué de nombreuses façons de se répliquer, des plantes bourgeonnantes aux animaux sexués en passant par les virus envahissants.
Aujourd’hui, les scientifiques ont découvert une toute nouvelle forme de reproduction biologique et ont appliqué leur découverte pour créer les tout premiers robots vivants auto-répliquants.
La même équipe qui a construit les premiers robots vivants (« Xenobots », assemblés à partir de cellules de grenouilles – signalés en 2020) a découvert que ces organismes conçus par ordinateur et assemblés à la main peuvent nager dans leur minuscule plat, trouver des cellules individuelles, rassembler des centaines de les ensemble et assembler 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 se déplacent comme eux.
Et puis ces nouveaux Xenobots peuvent sortir, trouver des cellules et construire des copies d’eux-mêmes. Encore et encore.
“Avec la bonne conception, ils se répliqueront spontanément”, explique Joshua Bongard, 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
Chez une grenouille Xenopus laevis, 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, professeur de biologie et directeur du Allen Discovery Center de l’Université Tufts et co-responsable de la nouvelle recherche. « Mais nous les plaçons dans un nouveau contexte. Nous leur donnons une chance de réimaginer leur multicellularité.
Et ce qu’ils imaginent est quelque chose de bien différent de la peau. « Les gens pensent depuis assez longtemps que nous avons élaboré 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, le scientifique principal de l’Université Tufts qui a réuni les « parents » Xenobot et développé la partie biologique de la nouvelle étude.
“Nous avons découvert qu’il existe cet espace auparavant inconnu au sein des organismes ou des systèmes vivants, et c’est un vaste espace.” – Josh Bongard
« C’est profond », dit Levin. “Ces cellules ont le génome d’une grenouille, mais, libérées du 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 répliquent spontanément. « Nous avons le génome de la grenouille complet et non modifié », explique 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 autocopies fonctionnelles.
«Ce sont des cellules de grenouilles 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 reproduit de cette manière », déclare Sam Kriegman, l’auteur principal de la nouvelle étude, qui a obtenu son doctorat dans le laboratoire de Bongard à l’UVM et est maintenant chercheur post-doctoral au Tuft’s Allen Center et au Wyss de l’Université Harvard. Institut de génie biologiquement inspiré.
Les organismes conçus par l’IA (en forme de C) poussent les cellules souches lâches (blanches) en tas lorsqu’elles se déplacent dans leur environnement. Crédit : Douglas Blackiston et Sam Kriegman
À lui seul, le parent Xenobot, composé de quelque 3 000 cellules, forme une sphère. « Ceux-ci peuvent faire des enfants, mais le système s’éteint normalement après cela. Il est en fait très difficile de faire en sorte que le système continue de se reproduire », explique Kriegman. Mais avec un programme d’intelligence artificielle travaillant sur le cluster de superordinateurs Deep Green du Vermont Advanced Computing Core d’UVM, un algorithme évolutionnaire a pu tester des milliards de formes corporelles en simulation – triangles, carrés, pyramides, étoiles de mer – pour trouver celles qui ont permis aux cellules de être plus efficace à la réplication « cinématique » basée sur le mouvement rapportée dans la nouvelle recherche.
« Nous avons demandé au superordinateur de l’UVM de déterminer comment ajuster la forme des parents initiaux, et l’IA a proposé des conceptions étranges après des mois de travail, dont une qui ressemblait à Pac-Man », explique Kriegman. « C’est très peu intuitif. Cela a l’air très simple, mais ce n’est pas quelque chose qu’un ingénieur humain pourrait proposer. Pourquoi une toute petite bouche ? Pourquoi pas cinq ? Nous avons envoyé les résultats à Doug et il a construit ces Xenobots parent en forme de Pac-Man. Ensuite, 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 étendu le nombre de générations.
Un organisme « parent » conçu par l’IA et en forme de Pac-Man (en rouge) à côté de cellules souches qui ont été compressées en une boule – la « progéniture » (vert). Crédit : Douglas Blackiston et Sam Kriegman
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 au sein des organismes ou des systèmes vivants, et c’est un vaste espace”, explique Bongard, professeur au Collège d’ingénierie et de sciences mathématiques de l’UVM. « Comment allons-nous alors 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 répliquent cinématiquement. Qu’y a-t-il d’autre là-bas ? »
Ou, comme l’écrivent les scientifiques dans le Actes de l’Académie nationale des sciences étude : “la vie recèle des comportements surprenants juste sous la surface, attendant d’être découverts.”
Au fur et à mesure que les «parents» de Xenobot en forme de Pac-man se déplacent dans leur environnement, ils collectent des cellules souches lâches dans leur «bouche» qui, au fil du temps, s’agrègent pour créer des Xenobots «progénitures» qui se développent pour ressembler à leurs créateurs. Crédit : Doug Blackiston et Sam Kriegman
Répondre au risque
Certaines personnes peuvent trouver cela exaltant. D’autres peuvent réagir avec inquiétude, voire terreur, à l’idée d’une biotechnologie auto-réplicable. Pour l’équipe de scientifiques, l’objectif est d’approfondir la compréhension.
« Nous travaillons pour comprendre cette propriété : la réplication. Le monde et les technologies évoluent rapidement. Il est important, pour la société dans son ensemble, d’étudier et de comprendre comment cela fonctionne », déclare Bongard. Ces machines vivantes de la taille d’un millimètre, entièrement contenues dans un laboratoire, facilement éteintes et vérifiées 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 aux écosystèmes par la pollution ; l’intensification des menaces du changement climatique », déclare Bongard de l’UVM. « C’est un système idéal pour étudier les systèmes auto-répliquants. Nous avons un impératif moral de comprendre les conditions dans lesquelles nous pouvons le contrôler, le diriger, l’éteindre, l’exagérer.
Les Xenobots sont une invention et un effort de recherche collaboratif par (de gauche à droite) : Josh Bongard, Université du Vermont ; Michael Levin, Tufts University et Wyss Institute de l’Université Harvard ; Douglas Blackiston, Université Tufts; et Sam Kriegman, de l’Université Tufts et du Wyss Institute de l’Université Harvard. Crédit : Tufts et ICDO
Bongard pointe du doigt l’épidémie de COVID et la recherche d’un vaccin. « La vitesse à laquelle nous pouvons produire des solutions est très 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 beaucoup de temps. L’équipe vise à accélérer la vitesse à 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 d’avancées vers la médecine régénérative. “Si nous savions comment dire aux collections de cellules de faire ce que nous voulions qu’elles fassent, en fin de compte, c’est 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.
Référence : « Auto-réplication cinématique dans les organismes reconfigurables » par Sam Kriegman, Douglas Blackiston, Michael Levin et Josh Bongard, 29 novembre 2021, .
DOI : 10.1073/pnas.2112672118
