Après avoir simulé le prototype parfait sur un supercalculateur, des scientifiques ont sculpté des cellules de grenouilles pour les transformer en "machines vivantes".

Mi-robots, mi-organismes vivants. Des scientifiques des universités du Vermont (UMV) et de Tufts, aux États-Unis, ont réussi à créer, en combinant un programme informatique et des cellules de grenouilles, des "xenobots". Mesurant quelques millimètres de large, ces organismes vivants et programmables sont, pour l'instant, capables d'effectuer uniquement des actions basiques comme se déplacer, pousser de petits objets et se régénérer après avoir été blessés. Mais ils pourraient, un jour, servir d'outils médicaux, détecter des contaminations radioactives ou même... Dépolluer les océans, annoncent les chercheurs dans leur étude publiée ce lundi 13 janvier dans la revue PNAS.

"Il s'agit de nouvelles machines vivantes, affirme Josh Bongard, informaticien expert en robotique à l'UVM et co-auteur de l'étude, dans un communiqué. Il ne s'agit ni de robots traditionnels ni d'une espèce animale connue, mais d'une nouvelle catégorie d'artefact : un organisme vivant et programmable". Ces créatures ont d'abord été conçues dans un supercalculateur de l'UVM puis ont été assemblées par des biologistes de Tufts qui ont utilisé des cellules souches de grenouilles. "Nous pouvons imaginer de nombreuses applications pour ces robots vivants : détecter des matériaux dangereux ou radioactifs, récupérer les microplastiques présents dans les océans ou encore voyager à l'intérieur du corps humain afin de nettoyer les artères", explique Michael Levin, directeur du Centre de biologie de Tufts et également co-auteur de l'étude.

Un être vivant sur-mesure

La première partie de cette expérimentation - dont chaque étape est détaillée sur Youtube - a donc commencé dans le superordinateur Deep Greende l'UVM. Les informaticiens ont utilisé un algorithme évolutionniste - qui s'inspire de la théorie de l'évolution - permettant de simuler des milliers de modèles candidats à "une nouvelle forme de vie", avec pour contrainte de respecter les règles biophysiques d'une cellule de grenouille. Pendant des mois, ce programme a assemblé et réassemblé numériquement des centaines de cellules de grenouilles pour créer une multitude de corps formés différemment. Le but étant de concevoir l'organisme le plus efficace dans la réalisation de tâches précises, comme se mouvoir, encercler une cible et la déplacer, etc. À mesure que les tests s'enchaînaient, les organismes simulés les moins compétents étaient écartés et les autres améliorés. Après une centaine d'essais, les modèles les plus prometteurs ont été mis de côté.

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Ces informations ont été envoyées à Tufts où la deuxième équipe était chargée de donner vie aux modèles informatiques. Les chercheurs ont d'abord recueilli des cellules souches de peau et de muscle prélevées sur les embryons de grenouilles africaines de l'espèce Xenopus laevis, d'où le nom xenobots. Puis un microchirurgien les a "sculptées" à l'aide de minuscules pinces et électrodes, afin d'obtenir la forme que le superordinateur avait estimé être la meilleure.

"Comme nous ne pouvions pas prédire comment les cellules musculaires se comporteraient lorsqu'elles seraient assemblées, nous les avons simulées pour qu'elles agissent de façon aléatoire, détaille Josh Bongard, interrogé par L'Express. En d'autres termes, nous avons demandé à l'algorithme d'assembler ces cellules de manière à leur donner une forme qui nous assure que les xenobots se déplacent toujours comme nous le souhaitions, et ce, quel que soit le comportement des cellules musculaires dans la réalité." "L'algorithme nous a permis de prédire les mouvements que les créatures allaient exécuter selon la forme qu'on leur donnerait", résume Michael Levin, également interrogé par L'Express.

Et effectivement, une fois sculptées, les petites cellules ont commencé à se mouvoir comme prévu. Et les organismes reconfigurables se sont déplacé de façon cohérente afin d'explorer leur environnement aquatique pendant des jours, voire des semaines, grâce à leurs réserves d'énergie embryonnaires. Plus surprenant, en observant leurs xénobots prendre vie, les chercheurs ont remarqué qu'ils pouvaient travailler collectivement, par exemple en se déplaçant en cercle afin de pousser des boulettes dans une zone située au centre. "C'est l'une des découvertes les plus étonnantes que nous ayons faites : nous n'avons pas téléchargé notre algorithme dans les cellules ni transmis de quelconques informations, les cellules que nous avons sculptées possédaient déjà leur propre 'algorithme biologique', qui leur permet de coopérer", s'enthousiasme Michael Levin.

Et c'est bien là tout l'intérêt de leur étude.En combinant informatique et biologie, les chercheurs ont prouvé que la forme des xenobots, découverte par l'ordinateur et sculptée par le microchirurgien, a permis de supprimer tout comportement aléatoire des cellules et de les forcer à se déplacer uniquement comme les scientifiques le désiraient, mais aussi que ces dernières conservaient certaines fonctions biologiques primaires. Bien sûr, les petites créatures ne sont pas encore capables d'accomplir des tâches complexes. Mais Josh Bongard estime qu'en fournissant plus d'options à l'algorithme, comme la capacité d'intégrer des organes sensoriels ou des tissus nerveux aux simulations numériques, il serait possible de fabriquer des xenobots "plus intéressants".

Dotés de capacité de régénération et biodégradables

En attendant, les scientifiques ont tout de même exploré quelques pistes prometteuses. Ils ont notamment simulé de nouvelles formes de cellules dotées de poches. Un attribut qui pourrait permettre à de futurs xénobots de transporter de minuscules objets. "C'est une étape vers l'utilisation d'organismes conçus par ordinateur pour l'administration intelligente de médicaments", estime Josh Bongard. Mieux encore, en testant leur résistance, les chercheurs ont compris que leurs xenobots sont capables de se régénérer : même après avoir été quasiment coupés en deux, ils "se ressoudent" et poursuivent leur travail. Une capacité dont la plupart des robots classiques sont dépourvus.

Si des organismes artificiels ont déjà été créés par le passé, c'est la première fois que des scientifiques conçoivent de A à Z des machines entièrement biologiques. L'intérêt, outre les potentielles utilisations évoquées par les chercheurs ? Ces xenobots sont entièrement biodégradables, contrairement aux robots de métal ou de plastique. "Quand ils ont terminé de travailler, après sept jours, il ne reste plus que des cellules mortes", souligne ainsi Josh Bongard.

Des inquiétudes légitimes

Plus qu'une démonstration technique, ces travaux devraient bouleverser notre compréhension à la fois de l'informatique et de la vie. Selon les auteurs, la fabrication de xenobots constitue une importante étape dans le déchiffrage de ce que les spécialistes appellent le "code morphogénétique", qui permet de mieux comprendre l'organisation générale des organismes et la façon dont ils calculent et stockent l'information en fonction de leur histoire et de leur environnement. Une avancée qui devrait stimuler de nombreuses recherches dans ce domaine. "Regardez les cellules avec lesquelles nous avons construit nos xenobots : leur ADN est à 100% celui de grenouille... Mais il ne s'agit pas de grenouilles. La question qui vient ensuite est : mais que peuvent-elles faire d'autre ?", s'interroge Michael Levin.

C'est probablement la question que se pose aussi la DARPA, une agence du département de la Défense des États-Unis chargée de la recherche et du développement des nouvelles technologies destinées à un usage militaire, qui a financé ces travaux. Conscients que les recherches sur les manipulations biologiques complexes peuvent effrayer le grand public - surtout quand elles sont financées par l'armée -, M. Levin se montre donc rassurant. "Ces craintes ne sont pas déraisonnables : quand on commence à s'amuser avec des systèmes complexes qu'on ne comprend pas, il est possible de subir des conséquences imprévues, souligne-t-il. Mais nos travaux permettent justement de lever une partie du mystère qui effraie tant". Malgré tout, l'une des questions qui saute à l'esprit à la lecture de leur étude est le contrôle des xenobots une fois créés. Peuvent-ils se faire pirater ou échapper au contrôle humain ?

Le roboticien et informaticien Josh Bongard, de l'Université du Vermont, co-auteur de l'étude publiée dans la revue PNAS ce lundi 13 janvier. UVM/Joshua Brown

Interrogé sur ce point par L'Express, Michael Levin développe ses arguments. "La première étape était de comprendre leurs capacités innées (...), nous allons désormais travailler à un moyen de les contrôler", promet-il. L'objectif futur des deux équipes sera de comprendre le "langage" qui permet aux cellules de contrôler leur structure, et de l'apprendre. Le biologiste rappelle que les cellules communiquent grâce à des signaux électriques, chimiques et mécaniques. En cernant ce langage - cet algorithme biologique - les chercheurs pourraient alors imaginer des mécanismes de contrôle chimique, des signaux lumineux pour les guider, voire de reprogrammer les cellules pour qu'elles soient plus sensibles à certains stimuli.

Robotique biologique

"C'est exactement ce que nous faisons aujourd'hui en robotique : nous assemblons des pièces et faisons en sorte qu'elles s'envoient les bons signaux, poursuit-il. La différence ici est que nos pièces - les cellules - sont déjà extrêmement compétentes en elles-mêmes et une fois que nous aurons compris comment contrôler leur interaction, nous aurons aussi la réponse à beaucoup de problèmes biomédicaux".

Josh Bongard, prudent, reconnaît qu'outre la prédiction de l'algorithme, il n'est pas totalement sûr de réussir à créer un mécanisme de contrôle après leur avoir donné vie. "Un humain pourrait avoir du mal à concevoir un xenobot à la fois sûr et utile, mais notre algorithme évolutionniste est bien plus "intelligent" que nous, et lui pourrait bien en être capable, assure-t-il néanmoins. Afin d'éviter toute 'conséquences imprévues', tout nouveau xenobot sera méticuleusement testé dans de nombreux environnements différents, comme pour toutes les nouvelles technologies". Rassurés ?