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Gli ingegneri del MIT hanno costruito un computer biologico dentro una cellula

Manipolare chimicamente il DNA dei batteri apre le porte a un mondo di computazione biologica.

Alcuni ingegneri del MIT hanno sviluppato dei circuiti biologici di computazione in grado di memorizzare e rispondere a input sequenziali.

Il lavoro del gruppo di ricerca, descritto nel numero di Science di questa settimana, rappresenta un fondamentale contributo alla biologia di sintesi con l'integrazione di memorie basate sul DNA, mostrando la strada per la costruzione di sistemi computazionali più grandi e complessi, a partire da componenti biologiche—computer che sono, di fatto, cellule viventi—utili, in ultima analisi, per la programmazione di funzioni biologiche complesse.

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Più precisamente, Nathaniel Roquet e i suoi colleghi del gruppo di ricerca per la biologia di sintesi, al MIT, sono riusciti a implementare all'interno di una cellula vivente quella che è nota con il nome tecnico di macchina a stati: un astratto modello matematico che descrive la computazione come un insieme di stati interni discreti, accoppiati con una lista di operazioni associate (o input) che guidano la transizione da uno stato all'altro. In questo modo, un nuovo stato è sempre il risultato del precedente, combinato con un nuovo input. Le macchine a stati descrivono un grandissimo numero di cose, dagli algoritmi per processare il linguaggio naturale ai sistemi neurologici, fino a oggetti più semplici come una macchinetta del caffé.

In una cellula vivente, il DNA è il candidato naturale per ospitare informazioni di stato. Dopo tutto è proprio ciò che fa il DNA: ospitare informazioni. Ciò che hanno sviluppato Roquet e gli altri è un framework per manipolare chimicamente il DNA in modo che gli stati della macchina siano codificati in sequenze di DNA. Come dispositivo di memoria, questo permette tanto di leggere uno stato tramite un sequenziamento genetico, quanto di regolare l'espressione genetica tramite le varie transizioni di stato. In altre parole, gli stati possono essere connessi con il comportamento della cellula. Il DNA serve da memoria per la macchina a stati. Il resto risiede nel modo in cui questo DNA viene manipolato e nell'effetto che queste manipolazioni sortiscono sul comportamento cellulare.

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Questo potrebbe significare integrare macchine a stati biologici nei modelli che descrivono lo sviluppo di neoplasie, in cui potrebbero essere usate per sorvegliare l'attivazione o meno di quei geni che potrebbero causare il cancro.

Nei loro esperimenti, Roquet e gli altri hanno programmato alcune cellule di E. coli per reagire a diverse sostanze comunemente usate negli esperimenti di laboratorio, tra cui alcuni analoghi dell'antibiotico tetraciclina, lo zucchero arabinosio e una sostanza nota come DAPG che aiuta le piante a proteggere le proprie radici da vari patogeni. Le cellule, comunque, potrebbero essere programmate per reagire anche ad altri input.

Il comportamento cellulare specificato dai ricercatori era l'espressione (espressione di un gene significa che il gene viene trascritto e il trascritto usato per produrre proteine, non necessariamente un gene viene espresso) di geni codificanti diverse proteine fluorescenti relative a vari colori. Con tre input distinti sono stati in grado di produrre 16 diverse combinazioni di colori.

"Macchine a stati finiti sintetiche che registrano e seguono segnali biochimici ed eventi di regolazione genomica al'interno della cellula potrebbero essere strumenti rivoluzionari nello studio e nella manipolazione di sistemi viventi complessi," ha scritto Roquet. In altre parole, implementando una macchina a stati (un computer) in una cellula vivente, è possibile utilizzare quella stessa macchina per sorvegliare certi eventi cellulari altrimenti impossibili da osservare.

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Per esempio, le cellule progenitrici (simili alle staminali) si sviluppano in cellule con una funzione specifica grazie ad alcuni fattori di trascrizione, le proteine che contribuiscono a regolare l'espressione genetica nelle cellule. Questi fattori di trascrizione hanno permesso ai ricercatori di programmare le cellule progenitrici perché si sviluppassero in tipi specifici di cellule funzionali—e, viceversa, di programmare alcune cellule funzionali perché si comportino come cellule indifferenziate. Comunque, gran parte del processo resta misteriosa. Una macchina a stati finiti che possa registrare cosa succede al DNA in seguito dall'attivazione di un fattore di trascrizione potrebbe aiutare notevolmente non solo nel capire questi processi, ma anche nell'intervenire su di essi.

I circuiti, in una macchina a stati biologica, dipendono da alcuni enzimi chiamati ricombinasi. Questi enzimi, attivati da vari input, come per esempio segnali chimici, agiscono modificando il DNA della cellula. La modifica che avviene dipende dall'orientamento di due sequenze di DNA note come sequenze di riconoscimento . La cosa importante è che l'effetto della modifica di una coppia qualsiasi di queste (e quindi il comportamento cellulare che ne risulta) dipende univocamente da come sono stati precedentemente alterati altre sequenze di riconoscimento. Da qui, la memoria.

Le potenziali applicazioni sono molteplici. Roquet, per esempio, suggerisce che si potrebbero integrare macchine a stati biologici nei modelli che descrivono lo sviluppo di neoplasie, in cui potrebbero essere usate per sorvegliare l'attivazione o meno di quei geni che potrebbero causare il cancro e la disattivazione dei meccanismi di soppressione del tumore nelle singole cellule.

"L'idea che possiamo registrare e rispondere non solo a combinazioni di eventi biologici, ma anche all'ordine con cui si sono verificate prelude a una quantità di applicazioni differenti," spiega Roquet. "Sappiamo molte cose su come siano regolati i fattori di differenziazione dei tipici di cellule specifici e come portino a certe malattie, ma non sappiamo molto circa l'organizzazione temporale di essi. Questa è una delle aree di ricerca che speriamo di approfondire con lo strumento che abbiamo messo a punto."

I computer sono diventati "vivi," ma forse non nel modo in cui molti si aspettavano sarebbe successo. Un organismo unicellulare, in sé, non ospiterà mai troppa potenza computazione, ma se considerato un mattoncino da costruzione il potenziale è piuttosto incredibile.