A gauche, le plan anatomique d’un organisme conçu par ordinateur, découvert sur un superordinateur de l’Université du Vermont (UVM), aux Etats-Unis. A droite, l’organisme vivant, entièrement construit à partir de cellules de peau de grenouille (en vert) et de muscle cardiaque (en rouge). L’arrière-plan montre les traces sculptées par un essaim de ces organismes nouveaux venus dans la nature, qui se déplacent dans un champ de particules. (Crédit : Sam Kriegman, UVM)
De minuscules « xénobots » assemblés à partir de cellules promettent des progrès allant de l’administration de médicaments à la dépollution des déchets toxiques
Un livre est fait de bois. Mais ce n’est pas un arbre. Les cellules mortes ont été reconverties pour répondre à un autre besoin.
Aujourd’hui, une équipe de scientifiques a reconverti des cellules vivantes – prélevées sur des embryons de grenouilles – et les a assemblées pour créer des formes de vie entièrement nouvelles. Ces « xénobots » d’un millimètre de large peuvent se déplacer vers une cible, peut-être transporter une charge utile (comme un médicament qui doit être transporté à un endroit précis à l’intérieur d’un patient) – et se soigner 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. « Ce n’est ni un robot traditionnel ni une espèce animale connue. C’est une nouvelle classe d’artefacts : un organisme vivant et programmable ».
Les nouvelles créatures ont été conçues sur un superordinateur à l’UVM, puis assemblées et testées par des biologistes de l’université de Tufts. « Nous pouvons imaginer de nombreuses applications utiles de ces robots vivants que d’autres machines ne peuvent pas faire », déclare le co-directeur Michael Levin qui dirige le Centre de biologie régénérative et du développement à Tufts, « comme la recherche de composés nocifs ou de contamination radioactive, la collecte de microplastiques dans les océans, le déplacement dans les artères pour gratter la plaque ».
Les résultats de ces nouvelles recherches ont été publiés le 13 janvier dans « the Proceedings of the National Academy of Sciences ».
Des systèmes vivants sur mesure
Les gens manipulent des organismes pour le bénéfice de l’homme depuis au moins l’aube de l’agriculture, la manipulation génétique se répand et quelques organismes artificiels ont été assemblés manuellement ces dernières années – en copiant les formes corporelles d’animaux connus.
Mais cette recherche, pour la toute première fois, « conçoit des machines entièrement biologiques à partir de la base », écrit l’équipe dans sa nouvelle étude.
Avec des mois de temps de traitement sur le cluster de superordinateurs Deep Green du centre de calcul avancé de l’UVM dans le Vermont, l’équipe – dont l’auteur principal et doctorant Sam Kriegman – a utilisé un algorithme évolutif pour créer des milliers de modèles candidats pour les nouvelles formes de vie. En essayant de réaliser une tâche assignée par les scientifiques – comme la locomotion dans une direction – l’ordinateur aurait réassemblé sans cesse quelques centaines de cellules simulées en une myriade de formes et de corps.
Alors que les programmes fonctionnaient selon des règles de base sur la biophysique de ce que peuvent faire une seule peau de grenouille et des cellules cardiaques, les organismes simulés les plus performants étaient conservés et affinés, tandis que les conceptions ratées étaient rejetées. Après une centaine d’essais indépendants de l’algorithme, les modèles les plus prometteurs ont été sélectionnés pour être testés.
Puis l’équipe de Tufts, dirigée par Michael Levin et dont les travaux clés ont été réalisés par le microchirurgien Douglas Blackiston, a donné vie aux modèles in silico. Ils ont d’abord recueilli des cellules souches, prélevées sur les embryons de grenouilles africaines, l’espèce Xenopus laevis. (d’où le nom de « xénobots ».) Ces cellules ont été séparées en cellules individuelles et laissées en incubation. Ensuite, à l’aide d’une pince minuscule et d’une électrode encore plus petite, les cellules ont été coupées et assemblées au microscope pour obtenir une approximation des dessins spécifiés par l’ordinateur.
Assemblées en formes de corps 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 autrefois 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 se déplacer par eux-mêmes.
Il a été démontré que ces organismes reconfigurables étaient capables de se déplacer de manière cohérente et d’explorer leur environnement aquatique pendant des jours ou des semaines, grâce aux réserves d’énergie embryonnaires. Cependant, lorsqu’ils se retournaient, ils échouaient, à l’image des coléoptères qui se retournent sur leur dos.
Des tests ultérieurs ont montré que des groupes de xénobots se déplaçaient en cercle, poussant des boulettes dans un endroit central – spontanément et collectivement. D’autres ont été construits avec un trou au centre pour réduire la traînée. Dans des versions simulées, les scientifiques ont réussi à transformer ce trou en poche pour transporter un objet. « C’est un pas vers l’utilisation d’organismes conçus par ordinateur pour l’administration intelligente de médicaments », déclare Joshua Bongard, professeur au département d’informatique et au centre des systèmes complexes de l’UVM.
Organisme quadrupède construit à partir de cellules souches d’amphibiens
Un organisme quadrupède manufacturé, de 650-750 microns de diamètre, un peu plus petit qu’une tête d’épingle. (Crédit : Douglas Blackiston, Université de Tufts).
Technologies du vivant
De nombreuses technologies sont en acier, en béton ou en plastique. Cela peut les rendre solides ou flexibles. Mais elles peuvent aussi créer des problèmes écologiques et de santé humaine, comme le fléau croissant de la pollution des océans par le plastique et la toxicité de nombreux matériaux synthétiques et de l’électronique. « L’inconvénient des tissus vivants est qu’ils sont faibles et se dégradent », explique Joshua Bongard. « C’est pourquoi nous utilisons l’acier. Mais les organismes ont 4,5 milliards d’années de pratique pour se régénérer et cela dure depuis des décennies ». Et quand ils arrêtent de travailler – à leur mort – ils s’effondrent généralement sans danger. « Ces xénobots sont entièrement biodégradables, » précise Joshua Bongard, « quand ils ont fini leur travail après sept jours, ce ne sont que des cellules de peau morte. »
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 ont observé ce qui se passait. « Nous avons coupé le robot presque en deux et il s’est recousu lui-même et continue à avancer », souligne Joshua Bongard. « Et c’est quelque chose qu’on ne peut pas faire avec les machines habituelles. »
Professeur Josh Bongard de l’Université du Vermont. (Photo : Joshua Brown)
Déchiffrage du code
Michael Levin et Joshua Bongard affirment tous deux que le potentiel de ce qu’ils ont appris sur la façon dont les cellules communiquent et se connectent, s’étend profondément dans 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 », dit Michael Levin. « Le génome encode les protéines, mais les applications transformatives attendent que nous découvrions comment ce matériel permet aux cellules de coopérer pour créer des anatomies fonctionnelles dans des conditions très différentes ».
Pour qu’un organisme se développe et fonctionne, il y a beaucoup de partage d’informations et de coopération – le calcul organique – qui se fait tout le temps dans et entre les cellules, et 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 », explique Michael Levin, « et ces processus sont reconfigurables, ce qui permet de nouvelles formes de vie ».
Les scientifiques considèrent les travaux présentés dans leur nouvelle étude PNAS (Proceedings Of The National Academy Of Sciences) – « Un pipeline évolutif pour la conception d’organismes reconfigurables » – comme une étape dans l’application des connaissances sur ce code bioélectrique à la fois à la biologie et à l’informatique. « Qu’est-ce qui détermine réellement l’anatomie vers laquelle les cellules coopèrent ? » demande Michael Levin. « Vous regardez les cellules avec lesquelles nous avons construit nos xénobots, et, d’un point de vue génomique, ce sont des grenouilles. C’est de l’ADN de grenouille à 100% – mais ce ne sont pas des grenouilles. Puis vous demandez, eh bien, de quoi d’autre ces cellules sont-elles capables de construire ? »
« Comme nous l’avons montré, ces cellules de grenouille peuvent être amenées à créer des formes vivantes intéressantes qui sont complètement différentes de leur anatomie par défaut », explique Michael 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 – pensent que la construction des xénobots est un petit pas vers la découverte de ce qu’il appelle le « code morphogénétique », qui permet d’avoir une vision plus approfondie de l’organisation globale des organismes et de la façon dont ils calculent et stockent les informations en fonction de leur histoire et de leur environnement.
Chocs futurs
Beaucoup de gens s’inquiètent des implications des changements technologiques rapides et des manipulations biologiques complexes. « Cette crainte n’est pas déraisonnable », précise Michael Levin. « Lorsque nous commençons à nous amuser avec des systèmes complexes que nous ne comprenons pas, nous allons avoir des conséquences involontaires. » Beaucoup de systèmes complexes, comme une colonie de fourmis, commencent par une simple unité – une fourmi – à partir de laquelle il serait impossible de prévoir la forme de leur colonie ou comment ils peuvent construire des ponts sur l’eau avec leurs corps interconnectés.
« Si l’humanité doit survivre dans le futur, nous devons mieux comprendre comment des propriétés complexes, d’une manière ou d’une autre, émergent de règles simples », explique-t-il. Une grande partie de la science est axée 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 de mieux maîtriser les systèmes dont le résultat est très complexe », assure Michael Levin. « Une première étape pour y parvenir est d’explorer : comment les systèmes vivants décident de ce que doit être un comportement global et comment manipuler les pièces pour obtenir les comportements que nous voulons ».
En d’autres termes, « cette étude est une contribution directe à la maîtrise de ce dont les gens ont peur, c’est-à-dire des conséquences involontaires », déclare Michael Levin – que ce soit l’arrivée rapide des voitures à moteur, la modification des mécanismes de transmission génétique pour éliminer des lignées entières de virus, ou les nombreux autres systèmes complexes et autonomes qui façonneront de plus en plus l’expérience humaine.
« Il y a toute cette créativité innée dans la vie », déclare Josh Bongard, de l’UVM. « Nous voulons la comprendre plus profondément et savoir comment l’orienter et la pousser vers de nouvelles formes ».
https://www.uvm.edu/uvmnews/news/team-builds-first-living-robots
