Biologia sintetica: al MIT i circuiti cellulari intelligenti che ricordano la loro storia

cellule mit

Costruire un “circuito genetico” in cellule di batterio: roba da matti? No, roba da MIT. In effetti l’istituto nordamericano, da sempre all’avanguardia nella ricerca, stupisce sempre con la sua capacità di avere, e concretizzare nel presente, un visione del futuro ai limiti del fantascientifico.

Questa volta i ricercatori del prestigioso ateneo hanno creato un circuito in una cellula di un batterio, in grado non solo di eseguire le funzioni logiche Booleane, ma di memorizzarne i risultati. Questa tecnologia, descritta nell’edizione online di Nature Biotechnology del 10 febbraio e finanziata dall’Office of Naval Research e dalla Defense Advanced Research Projects Agency, potrebbe essere impiegata nell’immediato per costruire sensori ambientali a lungo termine, controlli efficienti per bioproduzione, o nella programmazione delle cellule staminali determinandone la differenziazione in altri tipi di cellule.

Quasi tutto il lavoro svolto fino ad oggi in biologia sintetica si è focalizzato sui soli componenti logici o sui moduli di memoria, separatamente. “Pensiamo che man mano che aumenterà la complessità di calcolo sarà necessario combinare sia l'aspetto logico-matematico che la capacità di immagazzinare i dati computati; per questo abbiamo 'costruito' questo particolare circuito genetico”, dice Timothy Lu, assistente professore del MIT di ingegneria elettronica, informatica ed ingegneria biologica.

Attualmente i biologi sintetici utilizzano “parti genetiche” intercambiabili per progettare circuiti che siano in grado di realizzare una funzione specifica, come rilevare una sostanza chimica nell'ambiente per esempio. Quando la sostanza che si sta cercando entra “in contatto” con il circuito si può generare una risposta specifica, come ad esempio la produzione di una proteina fluorescente verde (GFP). Diversamente dai precedenti in materia il circuito genetico del Prof. Lu, oltre a svolgere le funzioni esposte sopra è anche in grado, cosa non di poco conto, di memorizzare le informazioni.

Come già accennato questi circuiti genetici possono svolgere qualsiasi tipo di funzione logica Booleana. Nella maggior parte dei circuiti logici cellulari ingegnerizzati in precedenza il prodotto finale (il risultato dell’operazione logica) viene generato solo finché gli stimoli originali sono presenti. Una volta venuti meno gli stimoli in ingresso il circuito si spegne fino al successivo input. Lu e colleghi hanno scelto di realizzare, invece, un circuito che venga irreversibilmente modificato dallo stimolo originale, creando una memoria permanente dell'evento. Tali circuiti utilizzano enzimi noti come “recombinases”, che possono letteralmente ritagliare filamenti di DNA e modificarli a piacimento.

L’attivazione sequenziale di tali enzimi consente ai circuiti di determinare la struttura genetica e gli eventi all'interno di una cellula. Tali circuiti potrebbero anche essere utilizzati per creare un tipo di circuito noto come “convertitore digitale-analogico”: un D/A Converter acquisisce gli ingressi digitali (come, ad esempio, la presenza/assenza – lo zero e uno digitali - di singole sostanze chimiche) e li converte in una uscita analogica che può essere un intervallo di valori quali, ad esempio, livelli continui di espressione genica.

Questo sistema è in grado di offrire un miglior controllo sulla produzione di biocarburanti, farmaci e altri composti utili. Michael Jewett, assistente professore di ingegneria chimica e biologica presso la Northwestern University, sostiene che “l’ innovativo design rappresenta un progresso enorme nella codifica/memorizzazione del DNA e prevedo che queste innovazioni contribuiranno sensibilmente ad ispirare grandi sforzi nella biologia sintetica fino a toccare i limiti dell’ingegneria dei sistemi biologici”.

Abbiamo accennato all’utilizzo pratico di questa tecnologia: farmacologia, biocarburanti, codifica del DNA; possibile che una ricerca del genere sia finanziata dal comparto Difesa? Quali i possibili risvolti in campo bellico?

Andrea Pallini

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