Batteri e Biologia Sintetica: nuova frontiera dell’ingegneria genetica

Sono un ragazzo di 26 anni di Donnalucata, laureando presso l’Università degli studi di Bologna. Ultimamente dopo una esperienza all’estero durata quattro mesi in Olanda ho avuto la possibilità di venire a contatto con vari ambienti di ricerca. Al ritorno da tale esperienza ho trovato la possibilità di fare della vera ricerca (ovviamente “agratis”) in ambito molecolare presso il laboratorio di Ingegneria Molecolare di Cesena, che sto sfruttando per scrivere la mia tesi di laurea. E’ stato selezionato un team a cui ho fatto parte per l’ingegnerizzazione di batteri, cioè modifiche al DNA per far svolgere ai batteri funzioni che in natura non hanno… in pratica questo è il succo della biologia sintetica. Infatti non cerchiamo di capire la funzione di un gene nuovo, ma partendo dalla conoscenza di come funzionano alcuni geni, essi vengono usati per progettare e realizzare circuiti genetici in vivo. Avendo ottenuto dei buoni risultati nel nostro progetto abbiamo partecipato a una competizione mondiale di biologia sintetica presso il MIT di Boston contro 82 università mondiali, riuscendo anche a vincere una medaglia di bronzo e un premio speciale come migliore misura sperimentale.
Dal momento che sono stato affascinato dalle potenzialità della biologia sintetica mi è piaciuta l’idea di scrivere un articolo, magari per suscitare la mia stessa curiosità in altre persone.

Batteri e Biologia Sintetica: nuova frontiera dell’ingegneria genetica 

“Il mio nome è E.Coli e la mia è una storia che pochi ancora conoscono. Sono più piccolo di una capocchia di spillo e, seppur considerato alla stregua di un lillipuziano, ho un compito importante da portare avanti. Sono un bravo  batterio che vive dentro di te, mi nutro e in cambio digerisco alimenti che non saresti in grado di fare. Ma non vivo solo dentro di te, sono utile per trasformare il latte in yogurt, produrre del buon formaggio, vino e aceto.. e non solo!”.

Figura 1. Escherichia Coli al Microscopio

Queste poche righe fanno riflettere sull’importanza di quanto questo piccolo essere sia importante per la vita di tutti i giorni. Lui però non sa che è anche un buon compagno di esperimenti nell’ambito della Biologia Sintetica.

La Biologia dei Sistemi permette di studiare la possibile funzione e interazione tra geni del DNA di un organismo. Cosa succede quando la biologia va nelle mani di un ingegnere? Bè inizia a progettare e a vedere il batterio come una ‘macchina’ in grado di svolgere compiti logici che di per sé non è il grado di portare a termine. Per analogia pensiamo al batterio come un comune PC con una unità di elaborazione centrale corrispondente al suo apparato trascrizionale, e con un software rappresentato dal programma genetico (DNA) della cellula. Partendo  da geni la cui funzione è ben nota, è possibile integrarli in modo opportuno al corredo genetico esistente così da sintetizzare un batterio ancora più friendly nei confronti dell’uomo al fine di essere usato come sensore biologico e capace di secernere sostanze in particolari condizioni di ambiente e stimoli.

E’ nata così la Biologia Sintetica. Pionieri sono stati grandi del MIT di Boston come Elowitz ,  Collins, Drew Andy e altri.

Figura 2. Analogia tra Biologia Sintetica ed Elettronica

Ma quale è lo scopo della biologia sintetica? Parlando di Biologia Sintetica si intende l’incredibile sfida in grado di creare nuovi metodi per sintetizzare farmaci e nuove energie. Una applicazione eclatante è stata la produzione di insulina. L’insulina è stato il primo farmaco biotecnologico a essere messo in commercio nel 1982; prima di allora era possibile somministrare solo insulina isolata dal pancreas di bovino e suino, con varie problematiche; il problema è stato risolto usando batteri E.Coli o lieviti ingegnerizzati contenenti il gene codificante per l’insulina umana. Inoltre produzione di energia può essere ottenuta tramite il lavoro dei batteri, infatti modificando geneticamente un ceppo del batterio E.coli, Thomas Wood, professore del dipartimento di energia chimica della Texas A&M University, è riuscito a produrre una quantità di idrogeno 140 volte superiore a quella generata dal batterio non geneticamente modificato. E’ quindi chiara la potenzialità che la Biologia Sintetica può avere nel nostro immediato futuro. Lo sviluppo della biologia sintetica, nei prossimi dieci o quindici anni, potrebbe essere paragonata all’impatto che hanno avuto i computer e l’elettronica nella  vita di tutti i giorni  e nei  vari settori economici. L’era informatica ha implicato la standardizzazione dei componenti elettronici e dei protocolli di comunicazione portando alla realizzazione di database e immense infrastrutture di reti,  basta pensare ad Internet. La biologia sintetica potrebbe rivoluzionare, allo stesso modo, il settore biotecnologico. La base per rendere possibile tutto ciò sta ancora una volta nella standardizzazione dei processi; ciò significa la  progettazione, costruzione e verifica di semplici parti biologiche per la sintesi di sistemi più complessi mantenendo sempre un grado di controllabilità e programmabilità da parte del progettista ingegnere. Questo implica avere tre tipologie di parti genetiche: il primo sensibile all’ambiente esterno, capace di ricevere un input, un secondo capace di elaborare le informazioni all’interno del sistema sintetico, ed infine un ultimo capace di generare segnali di uscita che possano fungere da interfaccia tra la parte interna della cellula (segnali endogeni) e l’ambiente biologico naturale esterno. Quest’ultimo segnale bisogna che possa essere misurato e quantificato sperimentalmente. Per valutare l’intensità della risposta da parte della cellula, è di uso comune, usare un gene per la sintesi di una proteina fluorescente (GFP) che tramite analisi software di imaging è possibile valutarne il grado di espressione.

A partire da questi concetti è nato il Registry of Standard Biological Parts [http://partsregistry.org/Main_Page]  in cui vengono classificate parti biologiche standard in grado di codificare proteine usate come sensori di ipossia (ambiente con poco ossigeno), per la rilevazione di specifiche sostanze o generate in seguito a danneggiamenti del DNA, e molto altro ancora.  Queste parti sono state battezzate con il nome di biobricks, cioè ‘lego biologici’ , forse ispirandosi ai vecchi giochi con cui gli ingegneri solevano sollazzarsi da piccoli.

Dall’esperienza maturata in questi ultimi quattro mesi presso il laboratorio di Ingegneria Molecolare dell’Università di Bologna (sede Cesena) ci si rende conto delle potenzialità  della Biologia Sintetica illustrate in precedenza. Durante questi mesi è stato selezionato un team al fine di  partecipare all’iGEM, Internation Genetically Engineered Machine competition [http://2008.igem.org] , la prima competizione di biologia sintetica tra studenti di tutte le università del mondo. In occasione di questa competizione è stato distribuito a tutte le università in gara un  kit contenente le parti biologiche standard con i relativi protocolli per la realizzazione e la costruzione dei propri circuiti genetici all’interno dei “nostri amici E.coli”. Tale competizione non solo ha accresciuto il know-how degli studenti, per il fatto di aver lavorato in team con persone provenienti da diversi background universitari (biotecnologi, ingegneri biomedici ed elettronici) ma è stata un ottimo spunto di confronti e critiche tra i vari lavori dei  diversi team universitari di tutto il mondo.

Purtroppo la realtà che si è respirata presso il  MIT (Massachusetts Institute of  Technology) di Boston in cui le possibilità e i mezzi sono potenzialmente altissimi,  si scontrano con la dura realtà del nostro paese sia a livello nazionale che regionale. Studi a livello genetico hanno bisogno non soltanto dell’ingegno, della voglia di conoscenza  e dell’impegno delle persone, ma anche di ingenti risorse economiche.  In Sicilia le aziende, i parchi tecnologici, i centri di ricerca privati e i dipartimenti universitari che si occupano di biotecnologia sono veramente pochi e situate solo nelle provincie di Messina (Università di Messina – Dip. Di patologia e microbiologia sperimentale – Dip. Di biologia animale ed ecologia marina – Istituto di Microbiologia), Catania (Università di Catania – Dip. Di chimica biologica, chimica, medica e biologia molecolare – Dip. Di biologia animale – Istituto di Microbiologia – Istituto di Biologia ed ecologia vegetale – ETNA Biotech SRL – Tecnoalimenti) e Palermo (Università di Palermo – Dip. Di Biologia Cellulare e dello Sviluppo – Dip. Di Biologia Animale – Dip. Di igiene e microbiologia) [fonte annuario su  www.biotecnologia.it].

In soli quattro mesi di studi, team universitari formati da pochi ragazzi sono stati in grado di mettere in piedi progetti stimolanti come il bioyogurt che punta a migliorare l’igiene dentale, o riguardante la realizzazione di drug deliveries (distributori di farmaci). Il team di Bologna si è distinto nella realizzazione di una E.coli Prom, un batterio in grado di implementare una sorta di memoria binaria capace di essere programmata tramite induzione di due particolari stimoli esterni (UV e IPTG). Dal momento che anche le cellule figlie hanno la capacità di mantenere la stessa informazione memorizzata, potrebbe essere usata come memoria epigenetica, cioè  come sensore sul grado di danneggiamento del proprio DNA. Dallo stesso progetto ne derivano anche altre applicazioni.

Spero questo articolo possa aver suscitato interesse  nell’ambito della Biologia Sintetica in buona parte dei suoi lettori, e che possa rappresentare una prova che persone eccellenti sul nostro territorio, studenti, ricercatori e soprattutto lavoratori, riescono a farsi valorizzare in qualsiasi parte del mondo, in un momento in cui la ricerca sta attraversando una fase difficile.

Giovanni Mariotta

Laureando presso la facoltà di ingegneria elettronica
indirizzo Applicazioni Biomediche – Università degli Studi di Bologna

[email protected]

© Riproduzione riservata