Biocircuiti più precisi e programmabili

I bioingegneri lavorano allo sviluppo di computer biologici. Uno dei loro obiettivi è sviluppare piccoli circuiti costruiti con materiale biologico che possano essere introdotti nelle cellule per modificarne la funzione. In questo modo, in futuro potrebbe essere possibile riprogrammare le cellule tumorali in modo che non si dividano più in modo incontrollato. Anche le cellule staminali potrebbero essere riprogrammate in cellule di organi differenziati.

I ricercatori non sono ancora arrivati a questo punto. Negli ultimi vent'anni hanno sviluppato singoli elementi costitutivi e prototipi di computer biologici. Ma i biocomputer di oggi differiscono ancora in modo significativo dalle loro controparti in silicio e i bioingegneri devono affrontare alcuni ostacoli importanti.

Un chip di silicio calcola con uno e zero - la corrente scorre o meno - ed è possibile passare da uno stato all'altro alla velocità della luce. I segnali biologici, invece, sono meno chiari: oltre a "segnale" e "nessun segnale", esiste anche un gran numero di stati transitori con "un po' di segnale". Questo è un particolare svantaggio per quei componenti del biocomputer che fungono da sensori per una specifica biomolecola e sono destinati a trasmettere il segnale corrispondente nel circuito. A volte inviano un segnale di uscita anche in assenza di un segnale di ingresso. Questo accade soprattutto quando diversi componenti di questo tipo sono collegati in sequenza in un circuito.

Un biosensore che non "perde"

Il dottorando Nicolas Lapique del gruppo di Yaakov Benenson, professore di biologia sintetica presso il Dipartimento di biosistemi e ingegneria dell'ETH di Zurigo, ha sviluppato un interruttore biologico che può essere utilizzato per controllare l'attività dei singoli componenti del sensore nel tempo. Ciò consente di costruire circuiti in modo tale che un sensore non sia attivo finché non è necessario nel sistema. Se è necessario, può essere attivato da un segnale di controllo. Gli scienziati hanno recentemente pubblicato il loro lavoro sulla rivista Nature Chemical Biology.

Per comprendere la tecnologia sottostante, è importante sapere che questi sensori biologici sono costituiti da geni che vengono letti da enzimi e convertiti in RNA ed eventualmente anche in proteine. Nel biosensore controllabile di Lapique, il gene responsabile del segnale di uscita non è attivo nel suo stato di base, poiché è incorporato nel DNA del circuito con un orientamento sbagliato. Il gene viene attivato da un enzima speciale, una ricombinasi, che lo taglia dal DNA del circuito e lo reinserisce con l'orientamento corretto. Questo lo rende attivo. "Ciò significa che i segnali di ingresso possono essere trasmessi in modo molto più preciso di prima e, se lo si desidera, con un ritardo temporale", spiega Benenson.

Finora gli scienziati hanno testato la funzione del loro sensore attivabile in colture cellulari di cellule renali umane e di cellule tumorali. Tuttavia, stanno già lavorando per sviluppare ulteriormente il sensore in modo che possa essere utilizzato in un biocomputer più complesso che riconosca e uccida le cellule tumorali. A tal fine, il sensore è stato adattato in modo da riconoscere le molecole tipiche del cancro. Se tali marcatori tumorali sono presenti in una cellula, il circuito potrebbe, ad esempio, attivare un programma di suicidio cellulare. Le cellule normali prive di marcatori tumorali rimarrebbero inalterate.

Sviluppato un nuovo convertitore di segnale

Combinare diversi componenti biologici in un biocomputer più complesso è una sfida importante per i bioingegneri. "In elettronica, i diversi componenti di un circuito sono sempre collegati nello stesso modo: con un filo attraverso il quale passa o meno la corrente", spiega Benenson. In biologia, invece, ci sono molti segnali diversi: numerose proteine diverse, ad esempio, o altrettante molecole di micro-RNA. Affinché i componenti biologici possano combinarsi tra loro come desiderato, è necessario collegare tra loro dei convertitori di segnale.

Laura Prochazka, anch'essa dottoranda al Benenson, ha sviluppato un convertitore di segnale più versatile e lo ha recentemente pubblicato sulla rivista Nature Communications. Una caratteristica particolare del nuovo componente è che non si limita a convertire un segnale in un altro. Piuttosto, gli scienziati possono usarlo per convertire diversi segnali biologici in ingresso in diversi segnali in uscita.

Questa nuova piattaforma biologica espande in modo massiccio le applicazioni dei circuiti biologici. Benenson: "Poiché i circuiti biologici possono essere combinati in qualsiasi modo, ora possiamo parlare di programmazione di computer biologici - i bioingegneri saranno letteralmente in grado di programmare in futuro".