I ricercatori del MIT hanno messo a punto una tecnica per consentire alle cellule viventi di svolgere sia calcoli analogici che digitali, dando vita a circuiti formati da geni capaci di fare operazioni complesse.
Le cellule viventi possono infatti svolgere calcoli complessi in base ai segnali ambientali che incontrano. In natura questi calcoli possono essere continui (analogici), ad esempio il modo in cui gli occhi si abituano ai cambiamenti graduali di luce, ma anche digitali come semplici processi "on" e "off", per esempio l'avvio del processo che porta una cellula alla morte.
I sistemi biologici sintetici, invece, tendono a concentrarsi sull'elaborazione analogica o digitale, limitando la gamma di applicazioni per le quali possono essere usati. Lo studio del MIT, pubblicato su Nature Communications, però "ribalta" tutto e rende le cellule simili a computer complessi.
Secondo il professore Timothy Lu, che ha guidato la ricerca insieme al dottorando Jacob Rubens, i nuovi circuiti sintetici agiscono come dispositivi elettronici chiamati comparatori, capaci di gestire segnali analogici in ingresso per convertirli in un'uscita digitale.
"Gran parte del lavoro nella biologia sintetica si è focalizzato sull'approccio digitale perché si tratta dei sistemi più semplici da programmare", ha dichiarato Lu. Poiché i sistemi digitali sono basati su una semplice uscita binaria come 0 o 1, svolgere operazioni di calcolo complesse richiede l'uso di un grande numero di parti, obiettivo difficile da raggiungere nei sistemi biologici sintetici.
"Il digitale è essenzialmente un modo di fare i calcoli in cui si ottiene l'intelligenza da parti molto semplici, perché ogni parte fa solo una cosa molto semplice, ma quando si mette tutto insieme si ottiene qualcosa di molto intelligente", spiega Lu. "Ciò richiede di essere in grado di mettere molti di pezzi insieme, e la sfida nel campo della biologia, almeno al momento, è che non è possibile assemblare miliardi di transistor come invece si può fare su un pezzo di silicio".
La soluzione sviluppata dal MIT è basata su più elementi. Un modulo soglia consiste di un sensore che rileva i livelli analogici di una particolare sostanza chimica. Questo modulo controlla l'espressione di un secondo componente, il gene ricombinasi, che può a sua volta attivare o spegnere un segmento di DNA invertendolo, trasformarlo così in un'uscita digitale.
Se la concentrazione della sostanza chimica raggiunge un livello specifico, il modulo soglia esprime il gene ricombinasi, portando all'inversione del segmento di DNA. All'interno di questo c'è un gene o un elemento di regolazione genetica che poi altera l'espressione di un'uscita desiderata.
"È il modo in cui prendiamo un ingresso analogico, come ad esempio una concentrazione di una sostanza chimica, e lo convertiamo in un segnale di 0 o 1", ha spiegato il professor Lu. "E una volta che ciò è fatto, e si dispone di un pezzo di DNA che può essere capovolto, poi si può mettere insieme uno qualsiasi di questi pezzi di DNA per svolgere il calcolo digitale".
Il team ha già costruito un circuito convertitore da analogico a digitale che implementa logica ternaria, un dispositivo che si attiva solo in risposta a un intervallo di concentrazione alta o bassa e che è capace di produrre due uscite diverse.
In futuro il circuito potrà essere usato per rilevare i livelli di glucosio nel sangue e rispondere in uno di tre modi a seconda della concentrazione. "Se il livello di glucosio è troppo elevato potreste volere che le vostre cellule producano insulina, se il glucosio è troppo basso potreste volere che generino glucagone, se è nel mezzo vorrete che non facciano nulla", ha affermato.
I ricercatori stanno pensando di usare questi convertitori per rilevare l'infiammazione nell'intestino causate da malattie infiammatorie, al fine di rilasciare in risposta quantità diverse di un farmaco. Le cellule immunitarie usate nel trattamento del cancro potrebbero inoltre essere progettate per rilevare diversi ingressi ambientali, come i livelli di ossigeno o di lisi tumorale, e variare di conseguenza la loro attività terapeutica.
Il gruppo di ricercatori di recente ha creato una società, denominata Synlogic, che ora sta tentando di usare versioni semplici dei circuiti per ingegnerizzare batteri probiotici che possono trattare le malattie nell'intestino. L'azienda spera di avviare la sperimentazione clinica di questi trattamenti basati sui batteri entro i prossimi 12 mesi.
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