Les 'robots vivants' conçus par l'IA offrent une nouvelle base potentielle pour la médecine régénérative
Si la reproduction est le signe distinctif de la vie, alors les premiers 'robots vivants' du monde viennent peut-être de sortir d'une boîte de Pétri à Burlington, dans le Vermont. Certes, 'sortir' est peut-être exagéré (les 'xénobots' conçus par l'IA ont plutôt roulé sans cérémonie dans la boîte), cependant, ils ont réussi à accomplir quelque chose de tout à fait remarquable dans le processus. Les minuscules créatures en forme de Pac-Man ont rassemblé des cellules souches de grenouille à partir de la solution dans laquelle elles nageaient et ont construit des copies d'elles-mêmes – et l'ampleur de cela ne peut être surestimée.
L'équipe responsable du développement – de l'Université du Vermont, de l'Université Tufts et de l'Institut Wyss pour l'ingénierie bio-inspirée à l'Université Harvard – s'est appuyée sur des recherches qu'ils ont dévoilées l'année dernière lorsqu'ils ont créé les tout premiers robots entièrement construits à partir de cellules vivantes (les cellules utilisées étant prélevées sur des embryons de grenouille). Bien que ces premiers robots soient purement organiques dans leur structure, ils n'étaient pas considérés comme des organismes vivants car ils n'avaient aucune capacité à se répliquer eux-mêmes – l'une des caractéristiques les plus fondamentales d'une créature vivante.
Tout cela a changé cette année.
Nouvelles formes de vie
Dans le but de donner vie à leurs xénobots, Sam Kriegman, Ph.D., co-leader de l'équipe, a sollicité l'IA de l'Université du Vermont et lui a demandé de concevoir une structure parentale de xénobot. 'L'IA a proposé des conceptions étranges après des mois de travail acharné,' dit Kriegman, 'y compris une qui ressemblait à Pac-Man. C'est très contre-intuitif. Cela semble très simple, mais ce n'est pas quelque chose qu'un ingénieur humain aurait imaginé. Pourquoi une petite bouche ? Pourquoi pas cinq ?'
Malgré les questions concernant la conception proposée par l'IA, ces résultats ont néanmoins été utilisés pour construire un parent xénobot. Ce parent a réussi à créer des enfants et a ensuite créé des petits-enfants. Des choses effrayantes – non seulement nous avons créé un robot auto-réplicant, mais en plus un autre que nous avons construit (une IA) l'a conçu pour nous. 'Les gens ont pensé pendant assez longtemps que nous avions découvert toutes les façons dont la vie peut se reproduire ou se répliquer,' déclare Douglas Blackiston, Ph.D., qui a assemblé les parents xénobots, 'mais c'est quelque chose qui n'a jamais été observé auparavant.'
Maintenant, l'idée de créatures artificielles et auto-réplicantes pourrait donner des frissons à certaines personnes, cependant, nous n'avons pas encore besoin de nous inquiéter des envahisseurs de style Pac-Man prenant le contrôle de la planète. Le système d'auto-réplication utilisé par les xénobots n'est pas entièrement réalisé, le processus s'éteignant après quelques générations. Néanmoins, les implications de cette avancée biotechnologique sont extrêmement profondes, en particulier en ce qui concerne la médecine.
Xénobots et médecine régénérative
La médecine régénérative est un terme qui englobe les traitements ciblant les tissus endommagés, se concentrant largement sur le remplacement et la réparation sélectifs des cellules. Avec pour principal objectif le rajeunissement, elle est souvent considérée comme une médecine anti-âge. Cependant, ce qui nous empêche de la développer efficacement est notre incapacité à dire précisément aux cellules ce que nous voulons qu'elles fassent.
Le travail effectué à l'Université du Vermont nous a rapprochés considérablement.
Les cellules embryonnaires de grenouille que les xénobots ont rassemblées se seraient normalement développées en peau de grenouille, cependant, entre les mains de l'équipe du Vermont, les cellules ont été réaffectées. « Nous les mettons dans un contexte nouveau », déclare Michael Levin, Ph.D., co-leader de la recherche. « Nous leur donnons une chance de réimaginer leur multicellularité. »
Bien que les cellules aient le génome d'une grenouille, elles étaient libérées de toute voie biologique prédéterminée et pouvaient utiliser leur intelligence génétique collective pour accomplir quelque chose de totalement différent. 'Nous travaillons à comprendre cette propriété,' dit Bongard. 'Il est important, pour la société dans son ensemble, que nous étudiions et comprenions comment cela fonctionne.'
En effet. Lorsque vous associez notre compréhension croissante de la structure cellulaire à la capacité d'une IA de créer des outils biologiques sur commande, nous pourrions bientôt avoir beaucoup plus de contrôle sur nos propres cellules que jamais auparavant – les recherches menées par l'équipe du Vermont nous accordant la capacité de combattre les ravages du vieillissement cellulaire et d'augmenter la longévité humaine.
« 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 la médecine régénérative », dit Levin. « C'est la solution aux blessures traumatiques, aux malformations congénitales, au cancer et au vieillissement. Tous ces différents problèmes existent parce que nous ne savons pas comment prédire et contrôler ce que les groupes de cellules vont construire. Les xénobots sont une nouvelle plateforme pour nous enseigner cela. »
Faire de la technologie anti-âge une réalité
À ce stade précoce, il est difficile de saisir véritablement les applications potentielles des xénobots. « Tout ce que nous pouvons faire, c'est considérer les avantages que cette technologie a par rapport aux robots traditionnels », déclare Bongard, « à savoir qu'ils sont petits, biodégradables et heureux dans l'eau. » Bien que cela puisse les rendre utiles pour l'agriculture, la production de viande cultivée ou le dessalement de l'eau à faible coût, il ne fait aucun doute que la technologie anti-âge sera l'un des principaux domaines de recherche future. La perspective de reléguer les maladies liées à l'âge aux livres d'histoire sera certainement assez tentante pour toute équipe de recherche avant même de penser aux récompenses financières.
La médecine régénérative n'est peut-être pas encore à l'horizon, mais avec l'avènement des xénobots auto-réplicants, nous avons certainement fait un grand pas en avant. Avec la possibilité que nos propres cellules puissent être réaffectées pour combattre les signes du vieillissement, non seulement nous vivrons plus longtemps, mais nous pourrons en profiter davantage – vous pourriez rester en forme et en bonne santé jusqu'à vos trois cents ans. Vous voudrez donc peut-être prendre Pac-Man un peu plus au sérieux la prochaine fois que vous y jouerez, car son cousin, le xénobot, pourrait vous apporter l'élixir de vie dans un avenir pas si lointain.
Références:
1. R. D. Kamm et al., Perspective : La promesse des systèmes vivants multicellulaires conçus. APL Bioeng. 2, 040901 (2018).
2. D. Blackiston et al., Une plateforme cellulaire pour le développement de machines vivantes synthétiques. Sci. Robot. 6, eabf1571 (2021).
3. J. Losner, K. Courtemanche, J. L. Whited, Une analyse inter-espèces des médiateurs systémiques de la réparation et de la régénération des tissus complexes. NPJ Regen. Med. 6, 21 (2021).
4. S. Kriegman, D. Blackiston, M. Levin, J. Bongard, Un pipeline évolutif pour concevoir des organismes reconfigurables. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 117, 1853–1859 (2020).
5. V. Zykov, E. Mytilinaios, B. Adams, H. Lipson, Robotique : Machines autoréplicantes. Nature 435, 163–164 (2005).
6. Z. Qu et al., Vers des micro-batteries haute performance : Configurations et optimisation des matériaux d'électrode par des plateformes analytiques in-situ. Energy Storage Mater. 29, 17–41 (2020).
7. Q. Wu et al., Organ-on-a-chip : Récentes percées et perspectives futures. Biomed. Eng. Online 19, 9 (2020).
8. E. Garreta et al., Repenser la technologie des organoïdes par le biais du bioingénierie. Nat. Mater. 20, 145–155 (2021).
9. Y. Han et al., Cellules souches mésenchymateuses pour la médecine régénérative. Cells 8, 886 (2019).
10. S. F. Gilbert, S. Sarkar, Embrasser la complexité : l'organicism pour le 21e siècle. Dev. Dyn. 219, 1–9 (2000).
11. G. S. Hussey, J. L. Dziki, S. F. Badylak, Matériaux à base de matrice extracellulaire pour la médecine régénérative. Nat. Rev. Mater. 3, 159–173 (2018).