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La première machine vivante est maintenant capable de se « reproduire »

Un xénobot.

Le "parent" conçu par l'IA (rouge) trouve des cellules seules, les rassemble par centaines et les assemble avec sa bouche en forme de Pac-Man pour créer un "bébé" xénobot (vert).

Photo : Douglas Blackiston et Sam Kriegman

Près de deux ans après l’annonce de la création d’un robot mi-machine mi-vivant, ses créateurs révèlent qu’il peut maintenant s’autorépliquer biologiquement.

À la mi-janvier 2020, le monde apprenait avec étonnement la création par des scientifiques américains de cet organisme quadrupède d’un diamètre de 650 à 750 microns, un peu plus petit qu'une tête d'épingle, capable de se mouvoir et de se régénérer après avoir été coupé.

La créature avait été nommée xénobot en référence à la grenouille africaine Xenopus laevis dont sont issues les cellules souches embryonnaires qui la composent.

Le xénobot a été conçu en partie à l’aide du superordinateur Deep Green de l’Université du Vermont. Il a ensuite été assemblé et testé par des biologistes de l'Université Tufts.

Plan anatomique d'un organisme conçu par ordinateur.

À gauche, le plan anatomique d'un organisme conçu par ordinateur. À droite, l'organisme vivant entièrement construit à partir de cellules de peau de grenouille (en vert) et de muscle cardiaque (en rouge).

Photo : UVM/Sam Kriegman

Robot multiplicateur

Le chercheur Joshua Bongard et ses collègues expliquent maintenant que leur création peut, en nageant dans une boîte de Petri, trouver des cellules seules, les rassembler par centaines et les assembler avec leur bouche en forme de Pac-Man pour créer des bébés xénobots.

En quelques jours seulement, ces bébés prennent l’apparence d’un xénobot adulte et se mettent à bouger comme eux. À leur tour, ces nouveaux xénobots peuvent trouver des cellules et créer des copies d'eux-mêmes. Encore et encore, note Joshua Bongard dans un communiqué publié par l’Université du Vermont.

Un organisme quadrupède manufacturé.

Un organisme quadrupède fabriqué, de 650 à 750 microns de diamètre, un peu plus petit qu'une tête d'épingle.

Photo : Université Tufts/Douglas Blackiston

Repères

Les humains modèlent des organismes vivants depuis au moins l'avènement de l'agriculture. Dans les dernières décennies, l'édition génétique s’est grandement développée et a même permis de créer des organismes artificiels copiant les formes d’organes ou d'animaux.

De la grenouille au xénobot

Chez la grenouille Xenopus laevis, les cellules embryonnaires utilisées dans ces travaux se transformeraient en peau. Elles se trouveraient à l'extérieur du têtard, empêchant les agents pathogènes d'entrer, explique Michael Levin, professeur de biologie à l'Université Tufts et coauteur de la nouvelle recherche. Mais nous les avons placées dans un nouveau contexte pour leur donner une chance de réimaginer leur multicellulaire.

Et ce qu'elles imaginent est bien différent de la peau. C'est quelque chose qui n'a jamais été observé auparavant, affirme son collègue Douglas Blackiston, également chercheur à l'Université Tufts.

Ces cellules ont le génome d'une grenouille, mais libérées de l'obligation de se transformer en têtards, elles utilisent leur intelligence collective […] pour faire quelque chose de stupéfiant.

Ainsi, si de précédentes expériences avaient permis d’établir que les xénobots pouvaient accomplir des tâches simples, les présents travaux vont encore plus loin. Ils montrent que ces objets biologiques – qui sont ni plus ni moins que des cellules conçues par ordinateur – se répliquent spontanément.

Il n'y avait aucun indice qui nous permettait de penser que ces cellules pouvaient travailler ensemble à cette nouvelle tâche, qui consiste à rassembler puis à comprimer des cellules séparées pour en faire des autoproductions fonctionnelles, s’étonne Michael Levin.

Ce sont des cellules de grenouille qui se répliquent d'une manière très différente des cellules de grenouille. Aucun animal ni aucune plante connus de la science ne se répliquent de cette manière, ajoute Sam Kriegman, l’auteur principal de ces travaux, dont le détail est publié dans Proceedings of the National Academy of Sciences (Nouvelle fenêtre) (en anglais).

La réplication cinématique

Lorsqu’il est seul, un xénobot se compose de 3000 cellules et forme une sphère.

Ces cellules peuvent avoir des "bébés", mais il est très difficile de faire en sorte que le système continue à se reproduire d'une génération à l'autre, explique M. Kriegman.

Or, grâce à l’intelligence artificielle et au superordinateur Deep Green, un algorithme évolutionnaire a pu tester des milliards de formes corporelles pour trouver celles qui permettent aux cellules d'être plus efficaces dans la réplication dite cinématique, basée sur le mouvement.

Nous avons donc demandé à Deep Green de trouver comment ajuster la forme des parents. Après des mois de travail, l'IA a proposé des modèles étranges, dont un qui ressemble à Pac-Man, raconte M. Kriegman.

Ce n'est pas quelque chose qu'un ingénieur humain aurait imaginé. Pourquoi une seule petite bouche? Pourquoi pas cinq? s’interroge Sam Kriegman.

Les chercheurs ont quand même créé puis testé des xénobots parents en forme de Pac-Man.

Ces parents ont construit des enfants, qui ont construit des petits-enfants, qui ont construit des arrière-petits-enfants, qui ont construit des arrière-arrière-petits-enfants. En d'autres termes, la bonne conception a permis d'étendre considérablement le nombre de générations, se réjouit Sam Kriegman.

Si la réplication cinématique est bien connue au niveau des molécules, elle n'avait encore jamais été observée à l'échelle cellulaire ou d'organismes entiers.

Nous avons découvert qu'il existe un espace inconnu jusqu'alors au sein des systèmes vivants, et que c'est un espace très vaste, constate Joshua Bongard. Nous avions trouvé des xénobots qui nagent. Et maintenant, dans cette étude, nous avons trouvé des xénobots qui se répliquent cinématiquement. Qu'y a-t-il d'autre à apprendre?

Révolutionner la médecine

Ces travaux promettent de révolutionner la médecine, selon les chercheurs. Si nous savions comment dire à des groupes de cellules ce que nous voulons qu'elles réalisent, il serait possible de soigner des blessures traumatiques, des malformations congénitales, le cancer et même le vieillissement, note Michael Levin.

Tous ces problèmes de santé existent parce que nous ne savons pas comment prédire et contrôler les groupes de cellules qui vont se construire. Les xénobots sont une nouvelle plateforme pour nous l'apprendre, conclut M. Levin.

En outre, ces robots pourront délivrer des médicaments à des endroits, permettre de décontaminer des zones radioactives et collecter le microplastique dans les océans.

Vers des dérives éthiques?

La construction de ces xénobots est, selon les chercheurs, un petit pas vers le déchiffrage de ce qu'ils appellent le code morphogénétique, qui fournit une vue complète de l'organisation des organismes, mais aussi de la façon dont ils gèrent l'information en fonction de leur histoire et de leur environnement.

La création des xénobots – et les percées qui viendront dans les prochaines années – mèneront fort probablement à des changements technologiques rapides et à des manipulations biologiques encore plus poussées et plus complexes, dont pourraient découler des dérives éthiques.

Cette crainte n'est pas déraisonnable, puisque jouer dans des systèmes complexes qu'on ne comprend pas peut avoir des conséquences imprévues, rappelait Michael Levin lors de l'annonce de la création des xénobots.

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