Perché questo batterio hackerato è la grande promessa della biologia programmabile

Si chiama "ribocomputing:" in pratica, vuol dire hackerare una molecola di RNA, il "messaggero" chimico che trasporta istruzioni dal DNA di una cellula al resto di essa. In questo modo, è possibile prendere il controllo dei processi della cellula, in particolare quelli riguardanti la sintesi proteica. Inoltre, si riesce a modificare l'RNA per rispondere a stimoli specifici, offrendo un sistema microbiologico programmato per reagire a determinati input allo stesso modo in cui un computer interno a un'auto potrebbe rispondere a un suo sensore di temperatura.

Anche se la biologia sintetica o la biologia "hackerata" è un ambito di ricerca in rapida crescita, il termine ribocomputing non viene utilizzato molto, limitandosi per lo più ad un singolo studio del 2016. Questo almeno fino alla pubblicazione di un paper su Nature che descrive i circuiti biologici hackerati a base di RNA capaci di attuare quanto descritto: rilevare input e fare sì che i dispositivi cellulari rispondano a quei segnali in modo predefinito. Affascinante ma anche un po' inquietante.

Una parte consistente della ricerca nell'ambito della biologia sintetica comporta l'individuazione di "parti" biologiche da assemblare in bio-circuiti funzionali. Ovvero, blocchi modulari e predefiniti che costituiscano un set di base per la costruzione di dispositivi biologici. Il lato sconveniente dell'approccio modulare, come spiegato nel paper, è che i circuiti risultanti sono molto complessi ed estremamente sensibili al loro ambiente circostante. E, purtroppo, le cellulme biologiche sono ambienti estremamente movimentati.

In questo caso, però, le componenti dei dispositivi sono integrate in modo "naturale" nelle cellule. È l'RNA stesso a venire riprogrammato grazie al cosiddetto Toehold switch. Fondamentalmente, questo interruttore è una nanostruttura di RNA a forma di forcella che viene inserita in una cellula. L'RNA dello switch è in grado di indurre la cellula a creare una proteina specifica ma, in primo luogo, deve rivelarsi compatibile con l'RNA complementare presente naturalmente all'interno della cellula. Quando l'RNA naturale e l'RNA del Toehold switch si incontrano, il secondo entra in azione e la cellula inizia a produrre la proteina prescritta.

"Dopo che abbiamo studiato come usare i Toehold Switch e le molecole di RNA per codificare le operazioni logiche di base — AND, OR e NOT — siamo riusciti a condensare queste funzionalità all'interno di una molecola appositamente progettata che chiamiamo gate RNA," ha dichiarato Alexander Green, uno degli autori dello studio. "L'utilizzo dei gate RNA ha reso i dispositivi di Ribocomputing molto più compatti dal punto di vista genetico e aiutato a scalare i circuiti in modo che le cellule possano prendere decisioni più complesse."

Green e i suoi colleghi sono riusciti ad implementare due gate RNA indipendenti che lavoravano insieme all'interno di una cellula E coli per produrre delle proteine fluorescenti — in altre parole, hanno fatto in modo che le cellule si illuminassero. Non è difficile immaginare che queste cellule possano essere immesse nel corpo come unità di rilevazione, avvertendo i medici alla presenza di cellule tumorali o di qualsiasi altro tipo di malattia.

Secondo lo studio, questa stessa tecnica potrebbe essere estesa oltre ai batteri anche ad altri microrganismi e, forse, oltre la dimensione delle cellule. Inoltre si potrebbe congelare l'RNA hackerato e stamparlo su carta, per implementarci le stesse funzionalità di base. Immaginate delle strisce di carta che funzionano piattaforme di rilevamento dinamiche per la diagnostica medica.