L’uovo senza la gallina

La biologia sintetica si occupa della progettazione e fabbricazione di componenti e sistemi biologici non ancora esistenti in natura, così come della riprogettazione e produzione di sistemi biologici già presenti in natura.

Esatto, stiamo parlando di vita sintetica, creata in laboratorio.

La biologia sintetica è pertanto una disciplina a cavallo tra ingegneria e biologia, interessata a costruire sistemi biologici artificiali combinando conoscenze di chimica, biotecnologia, ingegneria genetica, biologia molecolare, biofisica, ingegneria chimica, bioinformatica e teoria dei controlli.

Sembra difficile e in realtà lo è.

La biologia sintetica applica tali tecnologie per ingegnerizzare sistemi biologici a scopi di ricerca, ingegneristici ma anche per applicazioni mediche e industriali molto tangibili.

Il fine, come spesso accade in questi campi di ricerca, è nobile e al tempo stesso eticamente controverso.

Inserire precise sequenze genetiche, create appositamente in laboratorio, in un microrganismo – come un batterio – può essere un modo per modificarne il comportamento, per esempio inducendolo a metabolizzare e neutralizzare composti tossici o a produrre sostanze attive diverse da quelle previste dal suo genoma.

Troppo facile però vederne l’aspetto negativo, tanto che la ricerca dietro a queste tecniche si pensava dovesse rimanere altamente segreta. La Casa Bianca per lungo tempo impose infatti il segreto su questi studi.

La ricerca in questo campo si annuncia come un enorme Lego, nel senso che per progettare e costruire una cellula mai vista in natura e che esegua dei compiti ben precisi si parte da una lista di componenti di base da assemblare per ottenere cellule diverse, come fossero mattoncini delle costruzioni, e sono indispensabili fantasia e visione per metterli insieme in modo organico, come la vita biologica ci insegna.

Esistono oggi software che permettono di leggere ed eventualmente riprogrammare le sequenze genetiche degli organismi.

Un supporto determinante è dato dall’intelligenza artificiale, che “impara” le caratteristiche del mondo naturale e fa “deduzioni guidate” per la produzione di nuovi materiali non presenti in natura. In questo modo sarà possibile in futuro produrre seta di ragno senza ragni o proteine dell’uovo senza galline.

Rimanendo più prosaici, tra le applicazioni in corso di realizzazione tramite biologia sintetica, ricordiamo modificazioni a carico di microrganismi che si possono sfruttare per ripulire acqua, suolo ed aria da agenti inquinanti, modificazioni del riso per produrre beta-carotene al fine di prevenire una deficienza di vitamina A, ingegnerizzazioni di lieviti per produrre olio di rosa in modo eco-friendly per il settore cosmetico.

Gli scienziati si augurano comunque di poter estenderne sempre più l’utilizzo, modificando porzioni di genoma via via maggiori, fino alla cosiddetta “whole-genome synthesis”, la scrittura e la sintesi, da zero, di un intero genoma.

Pietra miliare di questa frontiera della biologia è stata la stesura del primo genoma sintetico virale. Siamo nel 2002, nei laboratori della State University of New York a Stony Brook, e il genoma è quello del poliovirus, un virus con un codice lungo circa 7.500 nucleotidi. Il risultato di questo studio, pubblicato su Science, fu la prima dimostrazione di principio che era possibile, con strumenti chimici e biochimici, sintetizzare un agente infettivo in laboratorio a partire dalla sola sequenza genomica scritta.

Non dovrebbe destare troppo stupore, quindi, il pensiero che il Coronavirus sia stato creato in laboratorio…

È invece del 2008 la “prima volta” della sintesi chimica completa del Mycoplasma genitalium, uno dei batteri autoreplicanti più piccoli e semplici, per mano dei ricercatori del Craig Venter Institute di Rockville, sempre negli Stati Uniti, i cui risultati furono riportati anch’essi su Science.

Vale la pena ascoltare l’intervento su TED.com proprio di Craig Venter, lo scienziato pioniere in questo campo.

Questa è una parte fondamentale del suo messaggio: “…oggi vogliamo annunciare la prima cellula sintetica, una cellula costruita a partire da un codice genetico digitale, costruendo il cromosoma con i prodotti chimici di 4 bottiglie, assemblando quel cromosoma nel lievito, trapiantandolo in una cellula batterica, per trasformarla infine in una nuova specie batterica. Questa è la prima specie auto-replicante di questo pianeta che sia nata da un computer. È anche la prima specie ad avere il suo sito web codificato nel proprio codice genetico”. Ma riprenderemo il tema alla fine di quest’articolo…

È solo nel 2019 che gli scienziati del Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology di Cambridge danno notizia sulle pagine di Nature della sintesi del genoma sintetico di Escherichia coli, batterio tra i più utilizzati nella ricerca in biologia. Un genoma di circa quattro milioni di coppie di basi (il quadruplo rispetto al caso precedente, e un traguardo che nel 2008 era inimmaginabile) nel quale è stato possibile introdurre sequenze in grado di alterare il comportamento dei batteri stessi.

Per quanto riguarda la sintesi del genoma degli eucarioti, gli organismi le cui cellule presentano un nucleo contenuto in una membrana, ci si sta ancora lavorando. Il progetto che sembra più vicino a raggiungere il risultato è il cosiddetto Sc2.0, che prende il nome dal lievito Saccharomyces cerevisiae, un organismo unicellulare tra i più studiati. La collaborazione internazionale dietro a questo progetto, iniziata nel 2011, ha già segnato traguardi importanti e potrebbe portare presto alla riproduzione del primo lievito completamente sintetico.

L’obiettivo ultimo, di progettare e concretizzare sistemi biologici complessi con risultati prevedibili e riproducibili, è a oggi ancora abbastanza lontano, anche perché i genomi degli organismi superiori risultano al momento troppo difficili da progettare rispetto alle possibilità degli strumenti a disposizione.
Guarda al futuro in questa prospettiva il cosiddetto “Genome Project-Write (GP-Write)”. Il nome è ispirato al Progetto genoma umano, il grande piano di sequenziamento completato nel 2001. Il nuovo progetto ha l’obiettivo di sviluppare gli strumenti e i metodi per la sintesi e lo studio su larga scala dei genomi di molte specie, sia vegetali che animali, essere umano incluso.

Tra gli obiettivi più ambiziosi, la costruzione di versioni migliorate, dette “ultra-sicure”, delle cellule umane: cellule che siano resistenti ai virus (come per esempio l’HIV o Sars-CoV-2), al cancro o alle radiazioni. Lanciato formalmente nel 2016, il GP-Write prevede studi almeno ventennali, ma il campo della biologia sintetica è in grande fermento e attira grandi interessi economici e finanziari.

Il mercato della biologia sintetica è stato stimato intorno ai 14 miliardi di USD e si prevede una crescita importantissima nei prossimi 5 anni. Già al giorno d’oggi si registrano numerose aziende di biologia sintetica quotate in Borsa che operano in associazione con industrie più tradizionali.

L’industria della plastica è molto interessata all’utilizzo di batteri creati in laboratorio per la produzione di eco-plastiche non derivanti dal petrolio, così come al contrario l’industria energetica sta guardando con interesse tecniche che utilizzano nuovi batteri per la produzione di metano a basso costo da rifiuti organici.

Si comprende, quindi, come il settore sia di profondo interesse non solo per l’industria farmaceutica, ma anche industriale, in quanto consente all’industria stessa di restare in prima linea nell’innovazione a medio e lungo termine, e di sviluppare altre attività collegate e complementari, quali ad esempio lo sviluppo di modelli informatici di supporto, di nanotecnologie e tecniche di bioelettronica per l’attuazione di nuove applicazioni.

Ritorniamo adesso alle idee di Venter, come promesso sopra. Qualora foste interessati a conoscere (o a clonare) i codici del Mycoplasma, sappiate che il codice sviluppato dalla equipe di Venter prevede degli antifurti, quattro “filigrane” sparse su un migliaio di coppie di basi di codice genetico, per renderlo riconoscibile qualora dovesse fuggire in qualche modo. La prima filigrana contiene il codice necessario per interpretare la restante parte del codice genetico. Poi vi sono i nomi dei 46 autori e dei contributori principali al progetto ed infine è stato inserito anche un indirizzo web, cosicché se qualcuno decifra il codice può spedire un’e-mail a quell’indirizzo. E poi dicono che gli scienziati non sono persone pratiche…

Come scriveva di Richard Feynman, uno dei più grandi fisici teorici della storia: “Ciò che non sono in grado di costruire, non mi è dato di capire.” Credo però che anche questa frase sia scritta in qualche filigrana sparsa per il codice genetico di quel batterio, nato in laboratorio da 4 bottiglie.

Perché ne parliamo? Perché questi Megatrend possono caratterizzare gli investimenti di oggi e quelli del nostro futuro.

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