Una spiegazione della Biologia Sintetica

By Dario Iacampo


Dopo diecimila anni di manipolazione genetica da allevamento selettivo, gli esseri umani hanno finalmente ottenuto l'accesso diretto al codice genetico: L'acido deossiribonucleico D-N-A.

Da allora abbiamo tagliato, incollato e fotocopiato frammenti di esso, accelerato la lettura della sequenza, stampato il codice lettera per lettera in laboratorio, lo abbiamo modellato mediante i computer e misurato con microscopi.

Per quarant'anni abbiamo chiamato questo lavoro ingegneria genetica.
Il problema è che per quanto ci sia stata una straordinaria quantità di scoperte sulla manipolazione genetica, c'è stata ben poca ingegneria.
Gli ingegneri sono frustrati dalla genetica e dalla biologia molecolare.
Gli esperimenti sono troppo lenti, la complessità molto disordinata e sempre in crescita e c'è una frustrante mancanza di componenti standardizzati.

Vorremmo fare con l'ingegneria genetica ciò che gli ingegneri hanno fatto sin dall'età della pietra: raccogliere, affinare e riorganizzare la natura in modo da trarne cose nuove ed affidabili.

Gli ingegneri desiderano lavorare con il DNA come se fosse un linguaggio di programmazione - anziché uno e zero, 'A' 'T' 'G' e 'C'.

Vogliono utilizzare il DNA per creare semplici unità, ispirate alla natura ma non presenti in essa, come se fossero Lego e poi farle funzionare in una cellula anziché in un computer.

L'unica differenza è che questo software genera autonomamente anche l'hardware.
Questo viene chiamato  ingegneria genetica re-ingegnerizzata: Biologia sintetica.

Attualmente, piuttosto che tagliare e incollare la sequenza di DNA da un organismo ad un altro, è possibile, se sai quello che stai facendo, semplicemente digitare la sequenza di DNA in un computer, o copiarla da un database, o anche selezionarla da un catalogo di componenti in continua crescita e semplicemente ordinarla attraverso Internet.

Sì, sul serio.

La sequenza di DNA può essere copiata dalla natura ma viene poi sintetizzata da una macchina.
È sintetica.
La materia prima per la sintesi del DNA è lo zucchero.
Venticinque dollari di zucchero sono sufficienti per sintetizzare una copia del genoma di ogni essere umano sul pianeta

Le lettere chimiche vengono date in input a quella che potrebbe essere considerata l'equivalente a DNA di una stampante a getto d'inchiostro industriale.

Entra la sequenza di informazioni ed esce il DNA.
Ad un costo inferiore a quaranta centesimi per ogni coppia di basi e che continua a diminuire.

Viene poi liofilizzato e spedito a casa tua.

Già gli ingegneri hanno già assemblato un catalogo open source di oltre cinquemila componenti standardizzati chiamati BioBricks.

In una competizione annuale del tipo 'far-da-se', degli studenti universitari creano nuovi e più complessi BioBricks che vengono poi iniettati ed eseguiti all'interno di una cellula del ben noto batterio intestinale E. coli.

Certamente si tratta di progetti giocattolo con budget super ridotti, ma i risultati sono impressionanti.

E. chromi: un E. coli con un sintonizzatore di sensibilità ed un generatore di colore, programmato per assumere uno tra cinque colori a seconda della concentrazione rilevata di una particolare tossina ambientale.

E. Coliroid è un sistema batterico, che si attiva e disattiva in risposta alla luce rossa e si comporta come una macchina fotografica Polaroid batterica.

I gruppi con più tempo e risorse economiche stanno scrivendo, o come si dice in gergo informatico facendo il refactoring di interi sistemi.

Jay Keisling, ingegnere chimico e biologico ed il suo team alla Berkeley hanno costruito e continuamente perfezionato una nuova via metabolica nel lievito, assemblando 10 geni da tre organismi nel tentativo di produrre sinteticamente il farmaco anti-malaria Artemisinina, e di farlo a buon mercato in modo da poter trattare fino a 200 milioni di malati ogni anno.

Il pioniere delle Biotecnologie Craig Venter è andato anche oltre.
Il suo team ha interamente sostituito il DNA di un batterio con una copia sintetica del DNA di un'altra specie naturale, ed aggiunto alcune informazioni extra come i loro indirizzi email.

Questo non è stato creare la vita, ma testare quanto può essere ri-programmabile una cellula batterica.

Un passo importante se vogliamo fabbriche biologiche che possano essere incaricate della produzione di molte cose, come vaccini, medicine, cibo o anche carburante.

Negli ultimi diecimila anni la genetica ci ha portato da raccogliere semi alla manipolazione del DNA.

L'ingegneria ci ha portato da rocce e caverne a computer portatili e grattacieli.

Possiamo solo immaginare quello che le due cose assieme come biologia sintetica possono aiutarci ad ottenere a buon mercato in futuro, ma le possibilità sono mozzafiato: Alghe ingegnerizzate che possono nutrirsi dell'anidride carbonica dannosa per il cambiamento climatico producendo biocarburanti meno inquinanti.
Potremmo fare a meno di trapianti di fegato e reni utilizzando un filtro biologico multiuso coltivato chiamato kliver.

Potremmo cambiare radicalmente il modo in cui costruiamo edifici, l' architettura, la pianificazione urbanistica, la silvicoltura e persino il giardinaggio, con un seme che può crescere diventando una casa, o anche ripristinare la vita in un intero pianeta come Marte.

Fino ad allora la biologia sintetica avanza di progetto in progetto.
Come dice Drew Endy, l'ingegnere civile diventato biologo sintetico: "Testare la comprensione attraverso la costruzione, è il percorso più breve per dimostrare quello che sai e quello che non sai."
In tal modo la biologia sintetica sta già pagando dividendi, espandendo e testando la nostra comprensione delle funzioni cellulari