La biologia sintetica rappresenta un nuovo campo scientifico interdisciplinare che coniuga la biologia con l’ingegneria, la chimica, l’informatica e la bioinfomatica per ideare e realizzaressistemi biologici, come cellule e microrganismi, dotati di nuove funzioni o capacità.
L’obiettivo è creare circuiti genetici, percorsi metabolici o persino intere cellule artificiali per risolvere problemi globali in settori come medicina, agricoltura e produzione sostenibile.
La biologia di sintesi (synthetic biology) contribuisce alla creazione di circuiti genetici, percorsi metabolici o perfino intere cellule artificiali per la risoluzione di problematiche su scala globale nei campi della medicina, agricoltura e produzione sostenibile.
Indice degli argomenti
Cos’è la biologia sintetica
La biologia sintetica è una disciplina emergente che, combinando l’ingegneria con le scienze della vita, permette la progettazione e la costruzione di nuovi sistemi biologici in grado di vantare funzionalità ad hoc.
Manipolando il Dna e sfruttando principi e strumenti di ingegneria genetica evoluta, è possibile effettuare modifiche di organismi esistenti, allo scopo di realizzarne di totalmente nuovi.
Le applicazioni, dalla medicina alla produzione sostenibile, dall’agricoltura all’energia.
Il nuovo campo di ricerca innova la nostra modalità di interazione con la galassia biologica, ponendo anche interrogativi sulla relazione fra tecnologia e vita.
La biologia sintetica può curare malattie, rendere più sana l’alimentazione e sostenibile, migliorando la qualità della vita, riducendo l’inquinamento e creando materiali ecologici.
Le origini
La biologia sintetica appare per la prima volta su Nature nel 1913, ma è solo nel 1974 che si inizia ad esplorarne le potenzialità, dopo che il genetista polacco Wacław Szybalski ne usa l’espressione come sinonimo di ingegneria genetica, ipotizzando l’aggiunta di nuovi moduli a genomi esistenti o la creazione di genomi totalmente nuovi.
L’avvento delle tecniche di Dna ricombinante negli anni ’70, con cui gli scienziati manipolavano finalmente i genomi con crescente precisione, aprì la strada a innovative applicazioni biotecnologiche. Ma fu solo all’albori degli anni 2000, dopo la pecora Dolly, che la biologia sintetica divenne disciplina autonoma.
Nel 2002 un team di ricercatori della State University of New York, per la prima volta, riuscì a sintetizzare il genoma completo di un virus, il poliovirus, testimoniando una dimostrazione della possibilità di creare, partendo da componenti chimici di base, un agente patogeno funzionale.
Ma la svolta è datata 2010, quando il team, guidato da Craig Venter al J. Craig Venter Institute, sintetizzò il genoma completo del batterio Mycoplasma mycoides. L’esperimento del trapianto in una cellula ospite privata del proprio Dna, permise di creare la prima cellula batterica controllata interamente da un genoma sintetico.
Lo sviluppo parallelo delle tecnologie Crispr-Cas9, che ha reso più preciso ed economico l’editing genetico, facilitando l’ingegnerizzazione di organismi con funzioni specifiche, e l’integrazione dell’AI hanno impresso un’accelerazione alla ricerca, permettendo ai ricercatori la previsione dell’impatto delle modifiche genetiche e l’ottimizzazione del design dei network biologici.
Progressi, infine, nella progettazione di organismi sintetici con funzioni specifiche sono giunti nel 2016 dalla creazione di una cellula con minimo genoma, la più piccola al mondo, con appena 473 geni cruciali per la vita, sempre a firma del team di ricerca del J. Craig Venter Institute.
In cosa la biologia sintetica differisce dalla biotecnologia tradizionale
La biologia sintetica si distingue dalla biotech tradizionale, in quanto non trasferisce soltanto geni da un organismo all’altro, ma ha l’obiettivo di reimmaginare circuiti genetici ex novo, percorsi metabolici e perfino riprogettare completamente cellule artificiali.
La biologia di sintesi infatti punta a creare sistemi biologici ingegnerizzati in grado di eseguire funzioni mirate e ad hoc, al fine di comprendere meglio i meccanismi biologici e fornire innovazioni efficaci per rispondere alle enormi sfide globali che dobbiamo affrontare.
I campi di applicazione della biolgia di sintesi
Mediante la progettazione di organismi artificiali e la modifica genetica, la biologia sintetica offre applicazioni che migliorano la qualità della vita attraverso progressi in medicina, produzione di biocarburanti ed agricoltura sostenibile.
Le applicazioni spaziano, quindi, dalla medicina alla sostenibilità, in ambito produttivo e agricolo.
Nella medicina, le applicazioni di successo sono:
- terapie personalizzate: cellule ingegnerizzate (come Car-T) sono in grado di riconoscere e distruggere tumori.
- produzione farmaceutica: lieviti e batteri modificati sono in grado di sintetizzare molecole complesse, per esempio insulina, vaccini e antibiotici.
- biosensori: microrganismi o cellule possono rilevare malattie (per esempio, tumori e infezioni) dall’analizsi dei fluidi corporei.
- probiotici di nuova generazione: batteri intestinali ideati e progettati per la cura di malattie metaboliche o autoimmuni.
Nell’agricoltura e nell’agroalimentare:
- piante in grado di resistere agli stress ambientali e dei cambiamenti climatici (siccità, parassiti, salinità), minimizzando così l’uso di pesticidi;
- produzione di alimenti sostenibili: lieviti e batteri per produrre proteine alternative (carne coltivata, latte sintetico).
- arricchimento nutrizionale: piante modificate permette di ottenere più vitamine o micronutrienti (come il “golden rice” arricchito in vitamina A: infatti è una varietà di riso geneticamente modificato, Ogm, contenente beta-carotene, precursore di questa vitamina, la cui carenza può provocare cecità e morte nei bambini).
In energia e ambiente:
- bioremediation: l’ingegnerizzazione di microrganismi permette di degradare inquinanti (plastiche, petrolio, metalli pesanti).
- bioenergie: batteri e alghe per la produzione di biocarburanti rinnovabili più sostenibili rispetto ai fossili.
- taglio delle emissioni: microrganismi progettati per la cattura di CO2 sono in grado di trasformare l’anidride carbonica, responsabile dei casmbiamenti climatici, in plastica biodegradabile e bioplastiche, prodotti di largo utilizzo e sostenibili.
Nell’industria e materiali:
- bioplastiche e materiali innovativi: l’obiettivo è produrre materiali biodegradabili e tessuti (per esempio seta di ragno artificiale).
- enzimi industriali: microrganismi sintetici per produrre enzimi più efficaci per carta, biochimica e detergenti.
- manifattura sostenibile: prodotti chimici e sostanze coloranti creati con processi biologici invece di quelli petrolchimici.
Esempi di applicazioni sono la progettazione di organismi per la degradazione di plastiche e rifiuti tossici, batteri per assorbire anidride carbonica dall’atmosfera e colture modificate geneticamente per migliorare ed aumentare la produttività in ambito agricolo.
Biologia sintetica, impatto sulla ricerca scientifica
La biologia di sintesi ha un forte e radicale impatto sulla ricerca scientifica, consentendo una migliore comprensione dei meccanismi fondamentali alla base della vita, lo sviluppo di nuove terapie personalizzate e la creazione di organismi ingegnerizzati adibiti all’industria e alla sostenibilità ambientale.
La costruzione e la modifica dei sistemi biologici è un approccio bottom-up per l’esplorazione delle proprietà emergenti dei sistemi viventi e la sperimentazione per testare, in maniera controllata, ipotesi su processi cellulari e metabolici, per riuscire a decifrare la complessità biologica, approfondendo le dinamiche di regolazione genetica, della crescita cellulare e dell’interazione proteica.
La biologia sintetica consente di effettuare la sintesi di lunghe sequenze di Dna senza sfruttare modelli naturali, individuando e ridisegnando insiemi di geni. Il loro coinvolgimento in biosintesi e l’introduzione in organismi come funghi o lieviti permette di produrre metaboliti particolari su scala industriale.
Progettare batteri per la produzione di farmaci on-demand, sviluppare terapie geniche evolute ed ingegnerizzare cellule immunitarie, consente la lotta contro il cancro.
La possibilità di programmazione di cellule permette il riconoscimento e l’attacco contro patologie specifiche. Ciò apre le porte a nuove opportunità per trattare le malattie in maniera personalizzata.
Prospettive future
Innovative ma complesse, le prospettive future della biologia sintetica sono molteplici.
Si spazia dalle applicazioni nel trattamento e cura delle malattie alla progettazione e manifattura di biomateriali, fino alla lotta al cambiamento climatico.
L’intelligenza artificiale permette di creare proteine anti Eschirichia coli in pochi attimi, realizzando il design su misura di proteine, accorciando i tempi. In Australi, un gruppo di ricercatori, per la prima volta, ha generato una proteina biologica in grado di distruggere batteri resistenti agli antibiotici come l’Escherichia coli, grazie all’impiego dell’AI e del machine learning per intervenire su un meccanismo essenziale per la loro sopravvivenza, l’assunzione di ferro, ostacolando la crescita dei batteri patogeni.
Questa scoperta rafforza la lotta contro i superbatteri ed altre patologie, innescando una svolta nella ricerca biomedica. I biologi strutturali ed informatici delle università australiane di Melbourne Bio21 Institute e del Monash Biomedicine Discovery Institute (che ha anche sede a Prato) hanno sviluppato insieme l’AI Protein Design Platform, in continuità con gli studi del premio Nobel David Baker, antesignano del design proteico basato sull’intelligenza artificiale.
“Queste proteine sono adesso sviluppate come farmaci, vaccini, nanomateriali e sensori molecolari. Le potenzialità sono enormi, molte ancora tutte da esplorare”, spiega Gavin Knott, Snow Medical Fellow, che guida il progetto AI insieme a Rhys Grinter.
“Queste proteine vengono ora sviluppate come farmaci, vaccini, nanomateriali e sensori molecolari. Le potenzialità sono enormi, molte ancora tutte da esplorare”, aggiunge Gavin Knott.
Gli strumenti di protein design basati sull’AI hanno permesso la creazione di molecole sintetiche in grado di bloccare ChuA, una proteina che, presente sulla membrana esterna dei batteri E. coli e Shigella, può legarsi all’emoglobina del corpo umano per effettuare l’estrazione del cofattore eme, ricco di ferro, importandolo nella cellula e bypassando così la strategia di difesa naturale che attua il nostro corpo per limitare la disponibilità di ferro nel corso di un’infezione.
Tuttavia le applicazioni della biologia di sintesi pongono anche questioni etiche e regolatorie in ambito della sicurezza e dell’utilizzo responsabile delle nuove tecnologie.
