Puis l'équipe de Tufts, dirigé 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, prélevés sur des embryons de grenouilles africaines, les espèces Xénope laevis . (D'où le nom "xenobots.") Ceux-ci ont été séparés en cellules individuelles et laissés à incuber. Puis, en utilisant de minuscules pinces et une électrode encore plus petite, les cellules ont été coupées et jointes sous un microscope dans une approximation proche des conceptions spécifiées par l'ordinateur.

Assemblés dans des formes corporelles jamais vues dans la nature, les cellules ont commencé à travailler ensemble. Les cellules de la peau formaient 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 aidés par des modèles d'auto-organisation spontanés, permettant aux robots de se déplacer seuls.

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, alimenté par des réserves d'énergie embryonnaires. Renversé, cependant, ils ont raté, comme des coléoptères renversés sur le dos.

Des tests ultérieurs ont montré que des groupes de xénobots se déplaçaient en rond, pousser les granulés dans un emplacement central, spontanément et collectivement. D'autres ont été construits avec un trou au centre pour réduire la traînée. Dans les 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, " dit Bongard, professeur au Département d'informatique et au Centre des systèmes complexes de l'UVM.

Technologies vivantes

De nombreuses technologies sont en acier, béton ou plastique. Cela peut les rendre solides ou flexibles. Mais ils peuvent aussi 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, " dit Bongard. " C'est pourquoi nous utilisons de l'acier. Mais les organismes ont 4,5 milliards d'années de pratique pour se régénérer et continuent pendant des décennies." Et lorsqu'ils cessent de fonctionner - la mort - ils se désagrègent généralement sans danger. "Ces xénobots sont entièrement biodégradables, " dit Bongard, "quand ils ont fini leur travail après sept jours, ce ne sont que des cellules mortes de la peau."

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

Déchiffrer le code

Levin et Bongard disent que le potentiel de ce qu'ils ont appris sur la façon dont les cellules communiquent et se connectent s'étend profondément à la fois à la science informatique et à notre compréhension de la vie. "La grande question en biologie est de comprendre les algorithmes qui déterminent la forme et la fonction, " dit Levin. " Le génome code des 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 (calcul organique) en cours dans et entre les cellules tout le temps, pas seulement dans les neurones. Ces propriétés émergentes et géométriques sont façonnées par la bioélectricité, biochimique, et les processus biomécaniques, "qui fonctionnent sur du matériel spécifié par l'ADN, " Levin dit, "et ces processus sont reconfigurables, permettant de nouvelles formes de vie."

Les scientifiques voient les travaux présentés dans leur nouveau PNAS étude—"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 100 % d'ADN de grenouille, mais ce ne sont pas des grenouilles. Ensuite, vous demandez, bien, qu'est-ce que ces cellules sont capables de construire d'autre ? »

"Comme nous l'avons montré, ces cellules de grenouille peuvent être amenées à créer des formes vivantes intéressantes qui sont complètement différentes de ce que serait leur anatomie par défaut, ", dit 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 le décryptage de ce qu'il appelle le "code morphogénétique, " offrant une vue plus approfondie de la manière dont les organismes sont organisés et de la façon dont ils calculent et stockent les informations en fonction de leur histoire et de leur environnement.

Future shocks

Many people worry about the implications of rapid technological change and complex biological manipulations. "That fear is not unreasonable, " Levin says. "When we start to mess around with complex systems that we don't understand, we're going to get unintended consequences." A lot of complex systems, like an ant colony, begin with a simple unit—an ant—from which it would be impossible to predict the shape of their colony or how they can build bridges over water with their interlinked bodies.

"If humanity is going to survive into the future, we need to better understand how complex properties, somehow, emerge from simple rules, " says Levin. Much of science is focused on "controlling the low-level rules. We also need to understand the high-level rules, " he says. "If you wanted an anthill with two chimneys instead of one, how do you modify the ants? We'd have no idea."

"I think it's an absolute necessity for society going forward to get a better handle on systems where the outcome is very complex, " Levin says. "A first step towards doing that is to explore:how do living systems decide what an overall behavior should be and how do we manipulate the pieces to get the behaviors we want?"

En d'autres termes, "this study is a direct contribution to getting a handle on what people are afraid of, which is unintended consequences, " Levin says—whether in the rapid arrival of self-driving cars, changing gene drives to wipe out whole lineages of viruses, or the many other complex and autonomous systems that will increasingly shape the human experience.

"There's all of this innate creativity in life, " says UVM's Josh Bongard. "We want to understand that more deeply—and how we can direct and push it toward new forms."