El Lego és un joc molt estimat per petits i grans perquè permet fer un munt de figures amb peces petites. Molts enginyers construeixen màquines unint també peces de diferents mides i funcions, per tal d'aconseguir fer una tasca concreta. Quan la tasca és similar a la que fem nosaltres, o la que fa un altre organisme viu, podem fixar-nos en com ho fem i intentar copiar-ho amb peces que nosaltres construïm. No sempre és fàcil imitar la vida, i busquem alternatives. Per exemple, per traslladar-nos sobre terra utilitzem cotxes amb rodes en lloc de cotxes amb potes. Però, ¿què passaria si volguéssim comprendre com els organismes vius fem activitats concretes per tal d'emular-ho artificialment, per exemple, per fer robots? En el camp de la vida artificial, un dels objectius ha sigut durant molt temps construir objectes que puguin ser "vius", fets a partir de peces inerts (de plàstic, metall, resina...). Durant molt temps, la recerca es va fer en ordinadors i amb simulacions. Part dels programes que es feien servir intentaven emular les instruccions genètiques i possibles regles de selecció natural per permetre l'evolució de les figures i "organismes" virtuals.
Fa cert temps, es va intentar crear versions físiques d'alguns d'aquests "robots" (fets de plàstic i cables, i dirigits des d'un petit ordinador) que evolucionaven fins a aprendre a fer alguna tasca de forma similar a com ho fan els organismes vius, per exemple, aprendre a moure's en tracció horitzontal. Una versió més sofisticada, uns anys més tard, va ser la d'un robot que a més, era capaç d'aprendre a adaptar-se a noves circumstàncies, per exemple, havia sigut generat per aprendre a moure's amb quatre potes i, un cop ja en sabia, se li treia una per tal que aprengués a moure's amb les tres restants. Aquest va ser un important avenç per a una màquina, ja que una de les característiques dels éssers vius, a part de l'aprenentatge, és l'adaptació a noves situacions que determinen canvis físics o ambientals. Els humans, per exemple, ho fem contínuament, conscientment o inconscient. Imagineu que teniu enguixat un braç, patiu artrosi als dits, us fa mal un genoll en doblegar-lo... Ràpidament, el nostre cervell reavalua la nova situació, recol·loca la resta del nostre cos, i substitueix les accions que habitualment executaríem d'una manera per altres. Aquesta resiliència per tal de mantenir, dins el possible, l'estructura i la funció, la tenen tots els éssers vius dins d'uns límits. Aquesta capacitat d'adaptació no la presenta només l'organisme sencer, sinó que també és present en cèl·lules, teixits i òrgans.
Doncs bé, quin seria el somni d'un bioenginyer? Utilitzar cèl·lules vives per a fer màquines que facin accions com les farien els éssers vius. No es tractaria de fer un nou ésser viu, sinó de fer un artefacte viu i programable, que pugui explotar totes les característiques pròpies dels éssers vius. Per dir-ho d'una altra manera, jugar a Lego amb peces que són cèl·lules vives de veritat, i que són utilitzades en un nou context per a fer una tasca programada. Si es pogués usar la capacitat computacional de les cèl·lules per adaptar-se a noves configuracions, podríem fer noves "anatomies", noves unions de cèl·lules diferents, nous òrgans per a realitzar tasques concretes que no fan en l'organisme original del qual deriven. Un dels grans avantatges és que aquest tipus de ginys o "màquines" vives són biodegradables i eco-sostenibles, un cop acabada la feina, moririen com ho fan els éssers vius. No estem parlant de la generació d'organoides (en què les cèl·lules s'ordenen i fan òrgans tal com ho farien dins d'un embrió), ni de bioimpressores 3D convencionals, en què el teixit que "s'imprimeix" és una còpia del que existeix en un cos, sinó de fer realment de bioenginyers i generar noves estructures vives.
Utilitzant cèl·lules d'embrions de granota africana (Xenopus), un equip d'informàtics experts en sistemes complexos i biòlegs han dissenyat tota una sèrie de "màquines biològiques" o "biobots" que poden moure's, encerclar o transportar partícules, o mostrar comportaments col·lectius. Utilitzen dos tipus cel·lulars diferents, un tipus cel·lular contràctil, com ara cèl·lules embrionàries de cor, que li donarà al biobot capacitat de contracció i possible locomoció, i cèl·lules més rígides, com les embrionàries de pell, per a conferir estructura i una morfologia determinada. En primer lloc, i mitjançant un programa d'ordinador, van explorant de forma virtual com es poden barrejar un cert nombre de cèl·lules dels dos tipus, en diferents formes i conformacions, per tal d'arribar a una morfologia que pugui efectuar una funció, per exemple, moure's dins l'aigua. Es fan simulacions en l'ordinador usant el coneixement que tenim de les lleis biofísiques i de com es comporten les cèl·lules vives en un medi aquós quan estan juntes. Dels resultats obtinguts en les simulacions, l'ordinador aprèn i va millorant els dissenys fins a seleccionar aquelles formes que, a més de fer la funció desitjada són més resilients. En aquesta figura, us adjunto algunes de les formes anatòmiques escollides per a executar tasques de locomoció, manipulació d'objectes, transport d'objectes o per a presentar propietats col·lectives (per exemple, es posen d'acord amb altres biobots per recollir partícules).
Figura extreta de l'article de Kriegman et al., PNAS, doi:10.1073/pnas.1910837117, 2019. A l'esquerra les formes generades per l'ordinador que són usades i validades en simulacions. En vermell, la posició de les cèl·lules contràctils de cor, i en blau, la posició de les cèl·lules rígides de pell. A la dreta, les formes finalment escollides, realitzades amb cèl·lules vives i validades funcionalment, talment com figures de bio-Lego.
Llavors, aquestes formes seleccionades per a executar una tasca es fan al laboratori ajuntant les cèl·lules embrionàries mitjançant eines de micromanipulació, amb microbisturí, micropipetes, microelèctrodes... Et voilà, el "biobot" funciona! Les cèl·lules de granota s'organitzen, es "parlen" entre elles i s'adapten a aquesta nova anatomia que mai no han vist fora de l'embrió. Sorgeixen propietats emergents típiques dels organismes vius i realitzen tasques noves. Cèl·lules amb ADN 100% de granota, que no fan de granota. Tenen propietats d'autoreparació i adaptació, com tota cèl·lula viva, i com que són embrionàries, viuen de l'energia acumulada dins de les seves cèl·lules fins a morir al cap d'una setmana de vida. Mireu el vídeo dels autors, de la Universitat de Vermont i els ulls us faran pampallugues!
I això ho aconsegueixen amb només dos tipus cel·lulars de granota! Imagineu si es poden combinar tipus diferents de cèl·lules, amb diferents propietats i característiques, fins i tot, amb modificacions genètiques per a executar millor certes funcions! Aquestes "màquines vives" podrien servir per a introduir fàrmacs dins del cos humà, netejar les artèries de plaques d'aterosclerosi, ajudar a netejar l'ambient de la contaminació, disminuir l'ús de material sintètic, o per ajudar a comprendre per què els éssers vius som com som i fem el que fem. Veritablement com un joc de Lego, amb cèl·lules vives.