Cellule umane programmate come computer


Un gruppo di ricercatori è riuscito a programmare delle cellule per obbedire a 109 diversi set di istruzioni logiche. L’alto tasso di successo fa ben sperare, ma la ricerca è ancora lunga e complessa.


Programmare le cellule umane è possibile, almeno secondo lo studio pubblicato su Nature Biotechnology in cui un gruppo di ricerca dell’Università di Boston spiega di avere programmato delle cellule per obbedire a 109 diversi set di istruzioni logiche.

Un risultato eccellente, considerato che come spiega il biologo Wilson Wong, dei 113 “circuiti” costruiti, 109 hanno funzionato. Un lavoro che ha alte prospettive di utilità nella diagnostica delle malattie, perché potrebbe consentire di rilevare e combattere determinate patologie senza l’impiego di macchinari costosi, sfruttando semplicemente le sostanze a loro associate.

Andando per ordine, negli ultimi due decenni i biologi hanno lavorato alla creazione di algoritmi cellulari nel tentativo di controllare i processi di determinate cellule, per scalzare la Natura dal ruolo di “ingegnere del software della vita”. Facendo un’analogia con il mondo dell’informatica, il punto di partenza è che le cellule si possono considerare dei minuscoli computer: ricevono input e inviano output di conseguenza.

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Le istruzioni vengono eseguite usando enzimi noti come ricombinasi, che sono in grado di coordinare la ricombinazione genetica (lo scambio di regioni di DNA a partire da segmenti distinti e separati tra loro). Questi enzimi riconoscono e bersagliano specifiche posizioni su un filamento di DNA, e i ricercatori hanno capito come innescare la loro attività. A seconda che la ricombinasi venga o meno attivata, la cellula può o meno produrre la proteina codificata nel segmento di DNA.

Nell’applicazione pratica, per esempio, una cellula potrebbe essere programmata con una porta logica NOT – una delle più semplici operazioni logiche: non fare qualcosa ogni volta che si riceve un input. Gli autori dello studio in oggetto hanno usato proprio questa funzione per fare in modo che delle cellule “si accendano” a comando.

Wilson Wong si riferisce a queste cellule ingegnerizzate come a “circuiti genetici”. Il risultato è che negli esperimenti ogni volta che la cellula conteneva una specifica proteina per la ricombinasi non doveva produrre una proteina fluorescente blu che la rendeva luminescente. Di conseguenza quando la cellula non conteneva lo specifico enzima si illuminava.

Senza farsi distrarre dalle luci brillanti, il nocciolo della questione è che le cellule così programmate comprendono ed eseguono correttamente delle istruzioni.

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Come sanno bene i Maker, il primo passo per costruire circuiti Arduino complessi è riuscire a programmare un LED perché lampeggi a comando, ed è un po’ quello che hanno fatto i ricercatori in questo caso.

Come ha spiegato Wong, si potrebbero usare queste cellule luminescenti per diagnosticare delle malattie, innescando le proteine per la ricombinasi in associazione a una particolare malattia. In altre parole: se si verifica la reazione prevista nel campione di sangue di un paziente, significa che è affetto dalla patologia su cui si è eseguito il controllo: un metodo molto più economico rispetto a quelli attuali, che richiedono costosi macchinari per analizzare i campioni di sangue.

L’idea a pensarci bene non è nuova: praticamente tutte le aziende farmaceutiche stanno cercando di “insegnare” alle cellule del sistema immunitario a individuare il cancro usando una tecnologia simile. Le cellule tumorali hanno specifiche “impronte digitali biologiche”, come ad esempio un tipo specifico di proteina. Si cerca quindi di creare delle cellule immunitarie in grado di rilevare queste proteine e farmaci antitumorali che colpiscano solo un bersaglio specifico. Con delle “porte logiche” in quelle cellule immunitarie, sarebbe possibile programmare le cellule del sistema immunitario così da distruggere le cellule tumorali in modo sofisticato e controllato.

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Insomma il gruppo di ricerca che fa capo a Wong non è il primo a creare “porte logiche” biologiche, ma è il primo a costruirne così tante con successo costante. Ora che hanno ottenuto i circuiti genetici di base il prossimo passo sarà quello di fare in modo che le porte logiche possano lavorare con diversi tipi di cellule. Un obiettivo non facile perché le cellule sono incredibilmente complicate e il DNA non ha un semplice switch “acceso” e “spento” come un circuito elettronico. Per questo (al momento) il metodo di Wong per spegnere la produzione di una certa proteina alterando il segmento di DNA che codifica le istruzioni non sempre funziona. Del resto è difficile fare il debug di 3 miliardi di anni di evoluzione!

 

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