Per tutta la vita, ben prima dei biobot, Doug Blackiston è stato affascinato dalla metamorfosi: il modo in cui un oggetto si trasforma in un altro. “Da bambino, amavo quei giocattoli che iniziavano come una cosa e si trasformavano in qualcos’altro”, ricorda. Anche lui era interessato alla natura. È cresciuto in campagna e ha cercato negli stagni vicini le uova di rana, che raccoglieva in barattoli.
“Poi li ho visti passare da uova a girini a rane”, dice. “Non avresti mai indovinato che quelle creature fossero le stesse forme di vita se non lo sapessi.”
Ora biologo alla Tufts University di Medford, Massachusetts, Blackiston rimane affascinato da come si trasformano gli esseri viventi. I suoi interessi specifici sono cambiati, ma solo di poco. Ha cercato di capire, ad esempio, cosa ricorda un bruco dopo che si è trasformato in una farfalla.
Più recentemente, tuttavia, si è concentrato sul convincere le cellule a trasformarsi in modi specifici, da sole o attraverso l’intervento umano. Dice che le cellule possono diventare elementi costitutivi per nuove macchine e quindi programmate per svolgere un lavoro utile.
Ad esempio, faceva parte di un gruppo di scienziati che di recente hanno assemblato cellule in robot viventi (biobot). Questi minuscoli robot sono grandi quanto un granello di sabbia grezza. “Se prendi un seme di papavero e lo tagli a metà due volte, questa è la loro dimensione”, dice Blackiston. Questi robot possono muoversi da soli e curarsi da soli dopo piccole ferite.
Possono anche completare attività, come lavorare insieme per spostare oggetti da un luogo all’altro. Alla fine di novembre, il suo team ha persino dimostrato che i robot ora possono replicarsi o fare copie di se stessi. I robot sono costituiti da cellule della rana artigliata africana, o Xenopus laevis. Gli scienziati chiamano le loro creazioni “organismi progettati al computer”. Al di fuori del laboratorio, tuttavia, i dispositivi sono noti come xenobot.
Blackiston è tra un numero crescente di scienziati e ingegneri che esplorano nuovi modi per costruire cose con le cellule. Alcuni gruppi combinano cellule viventi con componenti artificiali per creare dispositivi “bioibridi”. Altri hanno utilizzato il tessuto muscolare o cardiaco per creare macchine che camminano da sole. Alcuni dei robot possono progettare materiali sintetici per testare nuovi farmaci o medicine. Ancora altre macchine emergenti imitano le azioni delle cellule, anche senza utilizzare tessuti viventi.
Biobot: perché costruire macchine viventi?
Ci sono molte ragioni per costruire con le cellule, dice Mattia Gazzola. È un ingegnere meccanico presso l’Università dell’Illinois Urbana-Champaign, o UIUC. Uno dei motivi è studiare la vita stessa. “Se stai pensando di capire come funzionano le creature viventi”, dice, ha senso iniziare con le cellule. Un altro motivo è esaminare come farmaci o altre sostanze chimiche possono aiutare o danneggiare le persone.
Un terzo motivo è costruire dispositivi che imitino le caratteristiche degli esseri viventi. Materiali come cemento e metallo non si replicano né si riparano da soli. Non si decompongono nemmeno rapidamente nell’ambiente. Ma le cellule sì: si auto-rinnovano e spesso possono guarire se stesse.
Continuano a lavorare finché hanno cibo per alimentarli. “Immagina di poter fabbricare strutture che possono crescere o curarsi da sole, fare tutte le cose che troviamo intorno a noi dal mondo biologico”, afferma Rashid Bashir. È un ingegnere elettrico alla UIUC.
Questi progetti mostrano come gli scienziati possono imparare da sistemi che già funzionano bene in natura, afferma Ritu Raman. È un ingegnere meccanico presso il Massachusetts Institute of Technology, o MIT. Questo è a Cambridge. Raman sottolinea che il corpo umano è una “macchina biologica” alimentata da parti viventi.
Le cellule “sanno” già come percepire il loro ambiente, lavorare insieme e rispondere al mondo che li circonda. Se gli scienziati possono sfruttare questa conoscenza nei materiali biologici, dice, allora potrebbero costruire sistemi artificiali con le stesse caratteristiche.
Ritu Raman vede molte potenziali applicazioni. I robot viventi potrebbero aiutare gli scienziati a saperne di più su come il corpo programma le cellule per svolgere il loro lavoro. Un giorno tali robot potrebbero essere in grado di trovare e ripulire gli agenti inquinanti. Potrebbero anche essere usati per far crescere tessuti sostitutivi, persino organi, che potrebbero aiutare qualcuno che è stato ferito o ha una malattia particolare.
Nel suo laboratorio al MIT, Raman usa il tessuto muscolare vivente per costruire attuatori. Questi sono dispositivi che utilizzano l’energia immagazzinata per far muovere le cose. “Le celle sono ottimi attuatori”, afferma. “Sono efficienti dal punto di vista energetico e possono creare movimento”.
Raman è cresciuta in una famiglia di ingegneri. Dice che sapeva fin dalla tenera età “come si risolvono problemi costruendo dispositivi o macchine”. Quindi, quando ha visto con quanta efficienza la natura potesse costruire dispositivi e macchine, si è ispirata. “Sono passata dal pensare a come costruisco macchine, a come costruisco macchine che hanno componenti biologici?”
Progettato da computer, fatto da rane
Per Blackiston in Illinois, costruire con biobot con le cellule sembrava un modo per continuare il suo studio sulla trasformazione. Il suo lavoro sugli xenobot è iniziato con un messaggio che ha visto online. Veniva da un gruppo di scienziati con cui Blackiston aveva lavorato in precedenza.
Questi ricercatori dell’Università del Vermont, a Burlington, hanno descritto un nuovo modo per l’intelligenza artificiale, o IA, di generare indicazioni per realizzare robot in miniatura che potrebbero svolgere alcuni compiti. Ma c’era un problema: questi robot esistevano solo nella realtà virtuale, non nel mondo reale.
Blackiston ha visto una sfida. Ha inviato una nota alla squadra del Vermont. “Scommetto che posso costruire i vostri modelli con le celle”, ha detto loro. “Una versione reale.”
Aveva molta esperienza nello studio dei modi per trasformare le cellule in cose nuove. Ma gli altri scienziati non avevano in mente le cellule viventi per i loro nuovi robot. Sono rimasti scettici. Blackiston rimase imperterrito.
Il suo gruppo iniziò raccogliendo cellule staminali dalle rane. Queste celle sono come lavagne vuote. Possono svilupparsi in quasi tutti i tipi di cellule del corpo. Nei piatti di laboratorio, queste cellule crescono insieme in tessuto. Usando minuscoli strumenti, gli scienziati hanno scolpito queste macchie in crescita in forme e strutture.
Hanno seguito i piani prodotti dal programma per computer degli scienziati del Vermont. Hanno anche aggiunto cellule che sarebbero cresciute nel tessuto cardiaco. Una volta che le cellule del cuore hanno iniziato a battere da sole, il robot avrebbe avuto la capacità di muoversi.
Dopo che tutte le cellule si sono unite in una struttura comune, gli scienziati hanno iniziato a testarla. Come previsto dall’IA, alcuni progetti potevano muoversi da soli. Potrebbero anche cambiare direzione. Altri potrebbero spingere un piccolo oggetto. Non tutti i progetti hanno funzionato, dice Blackiston. Le cellule viventi possono essere schizzinose.
Ma i successi sono stati entusiasmanti. L’esperimento ha dimostrato che era possibile costruire robot con cellule. “Abbiamo trasformato le cellule in qualcosa di nuovo che non erano prima: il primo robot costruito interamente con cellule”, afferma Blackiston. “Da lì, l’idea è esplosa”. Nel gennaio 2020 hanno condiviso i loro risultati negli Atti della National Academy of Sciences.
Da allora, il gruppo ha affinato i suoi metodi. Nel marzo 2021 hanno mostrato come costruire interi sciami di xenobot. Hanno anche aggiunto cellule in cui crescono minuscoli peli, chiamati ciglia, che aiutano i robot a nuotare in un liquido. E a novembre, hanno riportato risultati che mostravano che gli xenobot potevano replicarsi. In futuro, dice Blackiston, il suo gruppo vuole costruire robot da altri tipi di cellule, comprese quelle umane, forse.
“Una volta che hai un fantastico set di LEGO con cui costruire”, dice, “puoi costruirne molti di più”.
Robot in movimento
All’Università dell’Illinois, anche gli scienziati stanno pensando al movimento, ma stanno lavorando con un tipo diverso di elementi costitutivi. “Mi sono interessato molto alla progettazione di deambulatori”, afferma Bashir. “Il movimento è una funzione così basilare e le macchine in genere convertono l’energia in movimento”.
Anni fa, il gruppo di Bashir ha lavorato con il suo collega UIUC Taher Saif per sviluppare robot “bioibridi”. Nel 2012, hanno dimostrato i deambulatori robotici guidati dal battito delle cellule del cuore. Successivamente, hanno stampato in 3D dei deambulatori che utilizzavano il muscolo scheletrico (il tipo solitamente attaccato alle ossa).
Nel 2014, il team di Saif ha costruito dispositivi in grado di nuotare. Avevano parti sintetiche realizzate con un materiale morbido chiamato polimero di silicone. Erano guidati dal potere delle cellule cardiache battenti che inizialmente provenivano dai topi.
Più recentemente, nel 2019, il team di Saif ha collaborato con Gazzola in Illinois. Ha realizzato modelli al computer per trovare il miglior design di robot bioibrido. Questo team ha costruito nuotatori alimentati da cellule muscolari ma controllati da cellule chiamate motoneuroni. Entrambi i gruppi di cellule sono stati coltivati da cellule staminali di topi.
Quando i neuroni hanno rilevato la luce, hanno inviato un segnale alle cellule muscolari per contrarsi. E questo ha fatto muovere il nuotatore. I ricercatori hanno condiviso il loro lavoro negli Atti della National Academy of Sciences.
All’inizio dell’anno scorso, il gruppo di Bashir e Gazzola hanno introdotto un nuovo design per un deambulatore bioibrido. Come i robot precedenti, era alimentato da cellule muscolari. A differenza di quelli precedenti, questo poteva essere guidato.
“La prima volta che lo vedemmo, non potevamo smettere di guardare i video di questa cosa che camminava su una capsula di Petri”, dice Bashir. “Il movimento è una manifestazione così basilare di qualcosa di vivente. Sono macchine viventi”. Raman, al MIT, studia anche nuovi modi per far muovere i biobot.
Per un ingegnere come lei, significa studiare la forza. È un’azione, come una spinta o una trazione, che fa muovere qualcosa. Il suo laboratorio si concentra in questo momento sulla comprensione non solo di come le cellule producono forza, ma anche di quanta forza e come un robot potrebbe usarla.
Sta anche pensando ad altri modi in cui queste cellule potrebbero comportarsi. I biobot potrebbero essere programmati per cambiare colore se rilevano una determinata sostanza chimica, ad esempio. Oppure cambiare forma. Potrebbero anche essere programmati per inviare segnali elettrici per la comunicazione, aggiunge.
Dice Raman, “C’è un’intera gamma di risposte in uscita, oltre a muoversi, che un sistema biologico può fare”. La domanda ora è: come possono gli scienziati integrarli?
Le macchine viventi offrono agli scienziati un modo per porre domande di base su come si muovono gli esseri viventi, dice. Allo stesso tempo, Raman vuole utilizzare i biobot per creare dispositivi che possano aiutare le persone. “Metà del mio laboratorio si concentra maggiormente sulle applicazioni mediche”, dice, “e metà sulla robotica”.
Un futuro di biobot
Gli ingegneri che sviluppano biobot devono affrontare molte sfide. Uno, dice Raman, ha a che fare con la biologia. I ricercatori non conoscono tutte le regole della natura per progettare gli esseri viventi. Eppure gli ingegneri stanno cercando di costruire nuove macchine basate su queste regole. “È come disegnare la mappa mentre la usi per navigare”, dice Raman. Se gli ingegneri vogliono costruire biobot migliori, devono saperne di più sui progetti biologici della vita.
Un’altra sfida, dice Raman, è che i ricercatori non sanno ancora quali cellule e sistemi saranno i migliori per applicazioni particolari. In alcuni casi, la risposta è abbastanza ovvia. Se gli ingegneri vogliono macchine che possano funzionare nel corpo umano, ad esempio, allora probabilmente vorranno usare cellule umane.
Se vorranno inviare macchine viventi sul fondo dell’oceano o nello spazio, le cellule umane (o persino di mammiferi) potrebbero non essere molto utili. “Non andiamo molto bene lì”, dice. “Se continuiamo a costruire con cellule simili alle nostre, anche lì non funzioneranno bene”.
Altre situazioni non sono così chiare. Per trovare i migliori detergenti per l’inquinamento, ad esempio, gli scienziati dovranno testare diversi robot per vedere quanto bene nuotano, sopravvivono e prosperano in ambienti tossici.
Bashir, in Illinois, evidenzia un’altra complicazione. Poiché sono fatte di cellule viventi, queste macchine sollevano domande su cosa significhi essere un organismo. “Sembrano un essere vivente, anche se non rappresentano la vita”, dice. Le macchine non possono imparare o adattarsi, ancora, e non possono riprodursi. Quando gli xenobot esauriscono il cibo immagazzinato nelle celle, muoiono e si decompongono.
Ma i futuri biobot potrebbero essere in grado di imparare e adattarsi. E man mano che l’IA diventerà più potente, i computer potrebbero progettare nuovi organismi che sembreranno davvero realistici. I programmi di domani, afferma Blackiston, potrebbero accelerare l’evoluzione. “Un computer dovrebbe essere in grado di progettare la vita?” lui chiede. “E cosa ne sarebbe venuto fuori?” Le persone devono anche chiedersi: “Ci sentiamo a nostro agio? Vogliamo che Google progetti forme di vita?“
Le conversazioni su ciò che le persone dovrebbero e non dovrebbero fare saranno una parte importante della ricerca futura, afferma Bashir. Stabilire regole su quali celle utilizzare e cosa farne sarà fondamentale per creare dispositivi utili. “È vivere? Ed è la vita?” lui chiede. “Dobbiamo pensarci davvero e dobbiamo stare attenti”.