ai confini della scienza

Biologia sintetica, programmare le cellule come un Pc: sviluppi allettanti e scenari distopici

Un campo di sviluppo promettente della biologia sintetica è quello della costruzione di circuiti biologici simili a quelli elettronici in cui le cellule sono programmate con la stessa facilità dei computer. Ma come spesso accade con le nuove tecnologie, serve grande responsabilità per evitare evoluzioni avverse all’umanità

24 Dic 2021
Domenico Marino

Università Degli Studi Mediterranea di Reggio Calabria

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Benché gli studi sulla cosiddetta biologia sintetica abbiano ormai cinquant’anni, solo da una ventina d’anni si sono cominciati a fare degli esperimenti che possono avere una qualche valenza pratica, per cui, ancora oggi, possiamo tranquillamente affermare che gli sviluppi di questa disciplina sono solo pioneristici.

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Cos’è la biologia sintetica

La biologia sintetica è costituita da un approccio multidisciplinare che mette insieme, chimica, biofisica, biologia ed ingegneria. L’idea che sta alla base è quella di utilizzare ed imitare le strutture metaboliche degli organismi viventi più semplici per costruire circuiti sintetici. L’obiettivo è sicuramente molto ambizioso ed è quello di creare in maniera artificiale dei circuiti organici sintetici che possano avere tutti i vantaggi in termini, ad esempio, di resilienza e di autoregolazione che hanno gli organismi viventi.

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In genere in questi esperimenti si utilizzano come modelli microrganismi semplici. Uno dei più usati è l’escherichia coli, un ospite indesiderato del nostro intestino che generalmente ci crea piccoli problemi e qualche volta è anche essere causa di gravi patologie. Il motivo della preferenza per l’E. Coli è dovuto alla grande conoscenza che abbiamo di questo batterio il cui genoma sequenziato è ampiamente studiato ormai da molti anni. In alcuni casi si preferisce usare anche microrganismi più semplici, i micoplasmi, che sono formati da pochissimi geni sui quali è facile intervenire modificando il DNA.

Per la costruzione dei microrganismi sintetici si possono usare due diversi approcci. Il primo approccio consiste nel ricostruire artificialmente le basi proteiche del microrganismo, nel secondo, invece, si usa come punto di partenza un microrganismo semplice e si procede modificando pezzi di Dna e ottenendo come risultato una cellula ottimizzata rispetto ai nostri scopi.

I rischi della biologia sintetica

Batteri sintetici, ad esempio, possono essere programmati per “mangiare” l’inquinamento dopo essere stati opportunamente programmati per autodistruggersi, ma il rischio di liberare nell’ambiente batteri sintetici, cioè organismi viventi in grado di comportarsi in maniera adattiva è molto pericoloso, perché, dato che come tutti gli organismi viventi sono in grado di evolversi, essi potrebbero sfuggire al nostro controllo. Anche la programmata autodistruzione potrebbe saltare sia per un errore genetico, sia per una mutazione, liberando nella natura un microrganismo ibrido di cui non possiamo prevedere assolutamente comportamento ed effetti.

Anche a causa di questi problemi fino ad oggi le applicazioni dei batteri sintetici sono state molto limitate, anche se il potenziale di sviluppo nel medio periodo è elevato. Oggi si riesce ad esempio a programmare batteri sintetici simili ai lieviti per produrre qualsiasi sostanza vegetale. In futuro con queste tecniche potremo arrivare a produrre qualunque sostanza organica. È un mercato che può valere centinaia di miliardi di euro, ma che probabilmente non vedrà la luce dal punto di vista industriale prima di 10-15 anni.

Gli ambiti di sviluppo più promettenti

Un campo promettente di sviluppo di queste applicazioni è quello della costruzione di circuiti biologici molto simili a quelli elettronici programmando le cellule con la stessa facilità dei computer. Il biofisico Sangram Bagh al Saha dell’Institute of Nuclear Physics di Kolkata ha provato a risolvere un problema connesso con la matematica dei labirinti attraverso un processo di calcolo distribuito fra batteri sintetici derivati dall’E. Coli. Si è trattato di un esperimento semplice, ma che ha dimostrato come, in linea di principio, anche problemi più complessi potrebbero essere risolti con questo approccio che apre sconfinate possibilità di applicazione a tutti i settori a partire dall’agricoltura fino ai viaggi spaziali, passando per il settore oggi più di moda che è quello farmaceutico.

L’esperimento del labirinto è un esempio di un campo si ricerca molto promettente perché, piuttosto che creare un singolo tipo di cellula programmato per fare tutto il lavoro, si progettano più tipi di cellule, ognuna con funzioni diverse, parcellizzando il lavoro per ottenere un risultato migliore. In linea con le ipotesi di Adamo Smith sulla divisione del lavoro, parcellizzando i processi e facendo lavorando congiuntamente questi microbi ingegnerizzatisi, potrebbero raggiungere risultati migliori, creando sistemi capaci di risolvere i problemi più complessi.

Il sogno proibito della biologia sintetica

Ovviamente il grado di complessità che riusciamo ancora a gestire è molto basso. I biologi sintetici, ad esempio, hanno il sogno proibito di poter ricostruire sinteticamente un cervello funzionante, ma il grado di complessità di un cervello va molto oltre le nostre attuali conoscenze e possibilità e probabilmente passeranno molti anni, se non secoli, prima che questo sogno possa diventare reale. Gli esperimenti di Bagh vanno nella direzione di costruire un computer biologico che aiuta nella crittografia o nella steganografia (gli strumenti per nascondere le informazioni), usando i labirinti per criptare e nascondere i dati.

Va considerato che non si può sovraccaricare troppo una cellula. C’è il rischio di creare interferenze che ostacolano le prestazioni e limitano le capacità del sistema. Con i risolutori di labirinti computazionali, dice Bagh, l’algoritmo avrebbe potuto essere inserito in una sola cellula di E. Coli. Ma il sistema ha funzionato meglio quando le funzioni del circuito necessario sono state distribuite tra sei tipi di cellule. Il calcolo distribuito è la direzione in cui la biologia sintetica deve andare e in proposito Christofer Voigt , un professore di biologia sintetica del MIT, spiega che: “un cucchiaino di batteri ha più porte logiche che, credo, 2 miliardi di processori Xeon”.

Conclusioni

Ci stiamo muovendo ai confini della scienza e, pertanto, dobbiamo usare molta cautela. Non bisogna dimenticare che ricerche di questo tipo possono preludere anche a scenari distopici in cui l’umanità intera potrebbe esser messa a rischio da queste tecnologie. Cosa succederebbe se un batterio sintetico sfuggisse al nostro controllo o cosa succederebbe se un terrorista costruisse un batterio killer sintetico? Uno stato canaglia non potrebbe pensare di produrre armi batteriologiche basate su batteri sintetici opportunamente programmati?

Come spesso accade ad una tecnologia più evoluta e potente è necessario associare una grande responsabilità se si vuole evitare che questa tecnologia si rivolga contro l’umanità.

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