Cellule come computer

Un giorno le cellule biologiche saranno dotate di programmi genetici artificiali che funzioneranno in modo simile ai sistemi elettronici. Tali cellule riprogrammate potrebbero svolgere compiti medici nel nostro corpo, come la diagnosi o il trattamento di malattie. Un'applicazione potrebbe essere quella delle cellule immunitarie modificate che combattono le cellule tumorali. Poiché le cellule tumorali hanno caratteristiche genetiche diverse, nelle cellule che combattono il tumore dovrebbe essere eseguito il seguente programma biochimico, ad esempio: "Combatti un'altra cellula se è di tipo X, Y o Z".

In matematica e in elettronica, una funzione di questo tipo è nota come porta OR. "Ne abbiamo sempre bisogno nei processi decisionali quando diverse cose portano allo stesso risultato, quando dobbiamo gestire diversi input allo stesso tempo", spiega Jiten Doshi, dottorando nel gruppo del professor Yaakov Benenson dell'ETH presso il Dipartimento biosistemi e ingegneria dell'ETH di Zurigo a Basilea. Doshi e Benenson, insieme ai colleghi, hanno sviluppato per la prima volta un cosiddetto gate Oder nelle cellule umane. Si tratta di un'unità di commutazione molecolare che emette un segnale biochimico in uscita quando misura uno dei due o più segnali biochimici in entrata.

Le precedenti porte di Oder implementate nelle cellule biologiche erano semplici, come spiega Benenson. Se, ad esempio, una cellula deve rilasciare una sostanza attiva in risposta al segnale X o al segnale Y, gli scienziati in precedenza combinavano due sistemi: uno che rilasciava la sostanza attiva in risposta al segnale X e un altro che rilasciava la sostanza attiva in risposta al segnale Y. Al contrario, la nuova porta di Oder degli scienziati dell'ETH è una vera porta di Oder, cioè un singolo sistema. Come in tutti i sistemi biologici, l'informazione è disponibile come sequenza di DNA. Nel nuovo gate la sequenza è molto più breve perché si tratta di un unico sistema e non di due sistemi separati.

Ispirati dalla natura

Per realizzare la porta OR, i ricercatori dell'ETH utilizzano la trascrizione, il processo cellulare in cui le informazioni vengono lette da un gene e memorizzate sotto forma di molecola di RNA messaggero. Questo processo è messo in moto da alcune molecole di controllo (fattori di trascrizione) che si legano in modo specifico a una "sequenza di attivazione" (promotore) nella regione iniziale di un gene. Esistono anche geni con diverse sequenze di attivazione. Un esempio è il gene CIITA, che nell'uomo ha quattro sequenze di questo tipo.

I ricercatori dell'ETH si sono ispirati a questo gene e hanno sviluppato costrutti sintetici con un gene responsabile della produzione di un colorante fluorescente e dotato di tre sequenze di attivazione. A ciascuna di queste sequenze sono specificamente legati da uno a tre fattori di trascrizione e piccole molecole di RNA. Il costrutto genico produce il colorante quando la trascrizione viene avviata attraverso almeno una delle tre sequenze di attivazione, cioè attraverso la sequenza 1 o la sequenza 2 o la sequenza 3. I ricercatori hanno brevettato il nuovo sistema.

Un cerchio si chiude

La ricerca chiude un cerchio, come sottolinea l'ETH Benenson. Storicamente, l'elaborazione delle informazioni si è sviluppata negli organismi viventi durante l'evoluzione: Gli esseri umani e gli animali sono molto bravi con il loro cervello a recepire gli input sensoriali, elaborarli e reagire di conseguenza. Solo nel XIX secolo è iniziato lo sviluppo di componenti elettronici commutabili, prima con i relè, poi con i tubi elettronici e infine con i transistor, che hanno reso possibile la costruzione di computer.

Nella loro ricerca, i bioingegneri dell'ETH stanno cercando di riportare questi approcci matematici ed elettronici all'elaborazione delle informazioni nei sistemi biologici. "Da un lato, questo ci aiuta a capire meglio la biologia, ad esempio come avvengono i processi decisionali biochimici nelle cellule. Dall'altro, possiamo usarlo per sviluppare nuove funzioni biologiche", spiega Benenson. I ricercatori traggono vantaggio dal fatto che le cellule biologiche offrono le condizioni migliori per farlo.

Forme più complesse di diagnostica e terapia

L'elaborazione dell'informazione cellulare sarà utilizzata principalmente nella diagnostica e nella terapia medica. "Oggi le terapie mediche sono generalmente semplici: spesso trattiamo le malattie con un solo farmaco, indipendentemente dalla complessità della biologia e delle cause delle malattie", spiega Benenson. Questo è in contrasto con il modo in cui un organismo affronta i cambiamenti esterni. Le reazioni dell'organismo allo stress, ad esempio, possono essere molto complesse.

"Il nostro approccio all'elaborazione delle informazioni biomolecolari promette di consentire in futuro lo sviluppo di sistemi diagnostici cellulari complessi e di forme di terapia potenzialmente più efficaci, utilizzando reti genetiche artificiali in grado di riconoscere ed elaborare segnali diversi", afferma Benenson. Tali forme di terapia riconoscerebbero anche il raggiungimento di uno stato normale dopo una terapia efficace. Una terapia antitumorale ideale, ad esempio, combatte le cellule tumorali finché sono presenti nell'organismo, ma non combatte i tessuti sani, perché ciò causerebbe danni all'organismo.